基于数字化实验发展“证据推理与模型认知”素养的教学设计———以2019年湖北省好课堂展示课“原电池”为例

◇ 湖北 余 腾 李 欣

1 问题的提出

《普通高中化学课程标准(2017年版)》中界定了化学学科核心素养,其中“证据推理与模型认知”旨在培养学生的证据意识,并基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设,同时建立观点、结论和证据之间的逻辑关系,最终能运用模型解释化学现象,揭示现象的本质和规律.该素养是培养学生关键能力的一种重要的方法,也是学生掌握化学基本理论和原理以分析解决实际问题能力的重要手段.

数字化实验系统是现代信息化发展的产物,利用数字化实验定量化、可视化的特点,从定量及微观的角度收集不同层次的证据,有助于学生对复杂现象形成直观理解,便于证据的收集,进行推理研究,利用计算机软件进行数据的分析和呈现,能有效地帮助学生构建模型认知.

人教版《选修4》第四章第一节“原电池”承接了《必修2》相关知识内容,该内容是发展学生“证据推理与模型认知”素养的重要载体.原电池内容的学习是难点,而双液原电池内容更抽象,在该内容的学习中学生产生了诸多疑问.例如,负极锌片为何产生气泡?与单液原电池相比,双液原电池的优点在哪里?双液原电池的工作原理又是怎样的?笔者将数字化实验与素养教学进行深度融合,通过真实数据的变化,将“微观过程宏观化”,以此形成证据加以推理,让学生能自主比较两种模型的优缺点,进一步揭示原电池工作原理的本质,发展学生抽象思维和逻辑思维能力,形成解决原电池问题的一般思路和方法,从而促进学生“证据推理与模型认知”这一核心素养的提升.

2 教学设计思路和“证据推理与模型认知”素养的渗透

人教版《必修2》教材中以锌铜单液电池为例让学生建立最简单的原电池模型认知,并通过证据推理让学生初步认识原电池的工作原理.《选修4》中采用数字化实验以带盐桥的锌铜双液电池为例发展学生的原电池模型认知,提升学生对原电池的工作原理的认识.整个教学过程分7个部分(如图1所示).

图1

整个教学设计基于数字化实验开展,使用到温度传感器、电流传感器、钾离子浓度传感器.将“证据推理与模型认知”的核心素养以潜移默化的方式渗透在教学的各个环节中.具体过程如下:先通过发现单液原电池“负极Zn片”上有气泡这个小问题,引发认知冲突,激发学生的兴趣,接着利用温度传感器和电流传感器找到单液原电池存在的不足,引导学生改进实验装置,自然而然引出盐桥;再利用钾离子浓度传感器探究盐桥的作用,构建双液原电池工作原理的模型,最后让学生自制课本上的滤纸盐桥,亲自体验双液原电池,强化模型的认知,同时布置开放性的课堂作业,增强学生的社会责任感.

3 教学设计

3.1 教材分析

《普通高中化学课程标准(2017年版)》中要求:认识化学能与电能相互转化的实验意义及其重要应用,了解原电池的工作原理.人教版《选修4》中的学习内容,旨在让学生认识“模型”是化学学科重要的思维方法,电池的发展是逐步深入的,每前进一步,都建立在实验研究的基础之上,“单液原电池”发展到“双液原电池”,再到现在的“膜电池”,科学实验一直是推动知识革新的重要手段.

3.2 学情分析

学生在《必修2》学习到了原电池的基本知识,初步认识了原电池的形成条件和工作原理,但对单液原电池存在的不足、双液原电池的优点以及双液原电池工作原理的认识不够深入.本节课的教学可以基于学生的已有认知,通过数字化实验教学手段认识到模型方法对理论建构的作用、模型的发展特征以及证据推理在其中的重要作用.

3.3 教学目标

1)通过进一步强化原电池模型的认知,掌握单液原电池的工作原理.

2)通过实验探究,发现单液原电池存在的问题,思考改进的方法.

3)了解盐桥在构成双液原电池中的重要作用以及双液原电池的工作原理,深刻体会氧化还原反应与原电池的关系.

4)通过对已有原电池工作原理建立的认知,能自行推断盐桥原电池内、外电路产生电流的原因,并用平衡的观念加以解释,发展“证据推理和模型认知”的核心素养.

3.4 教学过程

1)巩固原有知识

【问题1】什么是原电池?形成原电池的条件有哪些?

给出Zn(s)＋2 H＋(aq)＝Zn2＋(aq)＋H2(g)ΔH＜0这样一个自发的氧化还原反应,根据投影上原电池装置(如图2),将该电池工作原理呈现在学案上(见表1).

图2

表1

【学生实验】重温原电池实验,注意观察锌片、铜片及电流表的变化,看看是否有新的发现.结束后分享实验现象.

【设计意图】通过提出问题以及填写工作原理表格的方式,来回顾单液原电池的基本知识.再通过学生亲自动手实验,观察到3种现象:锌片上有大量气泡产生、铜片上有少量气泡产生和电流表指针偏转.发现“锌片上有气泡”这一反常现象引发学生的认知冲突,为后面进一步探究做铺垫.

2)探索新发现

【问题2】(1)锌片上为什么有气泡?请给出理由.(学生讨论)

(2)锌片上直接生成H2,必然导致化学能的损失,那这里又存在何种形式能量的转换?

【设计意图】根据真实现象,提出问题(1),让学生充分讨论,发散思维.很容易得出导致锌片上产生气泡的两点原因:①Zn不纯,锌和杂质直接构成原电池,氢气在Zn表面析出;②Zn和H＋直接接触导致H2的产生.再通过问题(2)过渡到捕捉能量变化的角度来思考,既培养了学生深度思考、解决问题的高阶能力,又为引出数字化实验埋下伏笔.

3)数字化实验

【教师实验1】步骤1:打开软件Logger Pro 3.14,连接数据采集器、温度传感器.

步骤2:连接原电池装置,加入0.8 mol·L－1H2SO4溶液,将温度传感器插入溶液中.

步骤3:点击数据采集,将温度传感器靠近锌片,调节自动比例,采集一段时间数据,停止.

【问题3】看到什么现象?通过现象说明什么问题?

【教师实验2】再用电流传感器测定上述单液原电池电流变化(为节省课堂时间,采取视频播放),如图3.

【问题4】通过视频看到什么现象?说明什么问题?

图3

【设计意图】学会借助新技术观察微观过程、分析问题形成证据,得到真实的数据和结果:a)发现单液原电池中化学能会以热能的形式进行损失(温度传感器监测到Zn片表面温度升高);b)电流的传输会降低(随着反应进行,电流逐渐减小).这些都为得出单液原电池能量转换效率不高提供证据.

4)实验装置改进

【问题5】为了使化学能更多地转化为我们需要的电能,可以对实验加以怎样的改进?

(小组讨论)

学生尝试画出改进后的实验装置图(如图4).

【教师实验3】将盐桥连入图4-丙电路中,观察电流计指针变化.

图4

【设计意图】通过问题5和小组讨论,总结出可能原因:a)Zn片不纯;b)Zn和H＋直接接触,对比发现想找到绝对纯净的Zn是很难的,应该从改进实验装置,让Zn和H＋不直接接触的角度来解决问题.再通过学生画改进装置时所有可能出现的情况,依次分析是否能构成原电池,最终通过教师实验3来进行验证,纠正“化学反应只有反应物相互接触时才能发生”的错误认识,让学生深刻体会氧化还原反应和原电池的关系.

5)探究盐桥作用

【问题6】带盐桥的原电池工作原理是怎样的?

【问题7】内电路离子如何移动来产生电流?(学生讨论得出自己猜想)

【设计意图】让学生参照单液原电池模型,从微观角度推理出:负极Zn失电子变成Zn2＋,导致负极Zn所在的烧杯中正电荷相对增加,所以猜想Cl－向负极Zn片所在的烧杯移动;正极Cu片上积累大量电子,同时H＋得电子变成H2,导致正极Cu片所在的烧杯负电荷相对增加,所以猜想K＋向正极Cu所在的烧杯移动.这样根据已有的模型认知,能进行大胆推测,学会在变化的新知识中,利用平衡的思想来解决问题.

【教师实验4】利用数字化实验系统,选用K＋浓度传感器来进行验证(考虑到K＋浓度传感器的标定时间长,采取提前录制视频,现场播放的形式).

【设计意图】利用数字化实验系统具有的直观性特点,准确得出K＋的移动方向,帮助学生对复杂现象形成直观理解,总结出盐桥中离子移动的规律,最后验证实验结论的正确性.通过K＋浓度传感器检测K＋浓度,观察K＋浓度的实时变化趋势,有利于学生形成证据,再依据真实证据理解难以肉眼观察的微观物质移动.进一步发展证据推理,强化模型认知的核心素养.

【问题8】和传统原电池相比,带盐桥的原电池的电能转化效率如何?电流有何不同?

我们通过温度传感器和电流传感器再一次进行实验.

【教师实验5】用温度传感器和电流传感器测定盐桥原电池中温度和电流的变化.

【设计意图】利用温度传感器和电流传感器对双液原电池同时进行负极测温、测定电流变化通过得出的数据和单液原电池进行对比,基于证据分析得出:双液原电池比单液原电池的优势是能量转化效率更高,电流更稳定!

6)自制滤纸盐桥

【问题9】盐桥神奇吗?我们也能利用身边的一些器材,设计成盐桥原电池.给出Zn片、Cu片、滤纸、食盐水、导线、灵敏电流表、100 mL烧杯2个、砂纸(用于打磨).

【设计意图】将盐桥原电池的模型用于实际;亲身体验双液原电池模型,感受创新应用知识产生的巨大价值,发展科学探究和创新意识.

7)调查电池现状

【小组合作】查阅有关2019年诺贝尔化学奖的资料,将锂电池的电极选择、安全性能、工作原理、电池容量四个方面整理成小论文.

【设计意图】全面了解电池的价值以及旧电池的危害;培养合作、交流的能力;养成“关注社会热点问题、参与社会热点问题”的习惯和意识,发展学生“科学态度与社会责任”的科学素养.

4 教学反思

《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》中明确指出:积极探索基于情境、问题导向的互动式、启发式、探究式、体验式等课堂教学,要认真开展验证性实验和探究性实验教学,推动信息技术与教育教学的深度融合,加强教学研究和指导.数字化实验是教育信息化的产物,有效地推动了教育教学的发展,弥补了传统实验的不足,使微观过程“可视化”,模型构建“证据化”.比如在文中,利用温度传感器探测Zn片附近温度变化,用电流传感器监测单液原电池电流变化,均以直观的图形曲线进行呈现,让学生更加直接地观测到实验进程.在引入盐桥后构成双液原电池时,再利用“K＋浓度传感器”探测K＋的迁移方向,将难以理解的微观过程真实地展现出来,以此为证据构建和强化双液原电池模型,从而深刻地理解原电池的基本原理.给学生提供了更多有意义的思考和培养了更高阶的思维.