基于三元整合策略的概念教学

摘要：化学概念不仅是重要的基础知识，还是培育核心素养的重要素材。以高一必修《化学能与电能》为例，基于“实验—性质—原理”三元整合策略（简称三元整合策略）制造认知冲突，围绕实验、媒体、社会等素材创设问题链，培育从宏观辨识到微观探析，从证据推理到建立模型，从科学探究到社会责任，促进各种学科能力的协同发展，获得很好的教学效果。

关键词：三元整合策略；实验—性质—原理；化学核心素养；化学概念；原电池

文章编号：1008-0546（2021）10-0026-06中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.007

*本文系广州教育学会2019年教育科研课题“核心素养导向下的元素化合物教学设计与实施”（编号：KTLX1201930406）成果。

一、教学主题内容及教学现状分析

人教版高一必修2第二章第一节《化学能与电能》包括原电池基本概念、反应本质、装置连接、表征方式、在生产生活中的应用等。其主题内容承前启后，既是必修1中氧化还原反应知识的实际應用，又是选修4中双池原电池和电解池的学习基础，更为新型电池的认识与设计提供一般模型。另外，本课还涉及控制条件、有序思维等化学思想和宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等核心素养。原电池既是人类生活的必需化学物质，又是化学学科的核心概念之一。化学概念不仅是重要的基础知识，概念建构过程还承载着发展学生学科能力的功能。本课能让学生体验到学科概念的建立是依据大量实验事实归纳提炼生成，进而建立认知模型，并在新的情境中运用概念模型进行变式训练，巩固、内化新概念，形成概念系统，为后续章节打下知识、方法和观念的基础。

概念教学，目前存在照本宣科、死记硬背等简单处理现象，课堂往往“一步到位”给出概念，缺乏“演绎”和“同化”，不注重概念的生成和内化。教学设计只关注概念本身，只关注知识与技能的教学，忽略概念的阶段性、延续性、整合性，造成知识碎片化，缺乏系统性。概念学习，深度不够，无法迁移。

二、教学思想与创新点

知识本位的认识大大压缩概念形成过程的教学，存在严重“重结果、轻过程”的倾向。在引入概念时没有让学生获得足够的感性认识，致使部分学生只能死记概念的内涵和外延，通过做题套用、强化概念，缺少概念与相关知识的融合。为了追求“短、平、快”的眼前利益，部分课堂甚至用口头描述代替课堂演示实验和学生实验。这样，学生只能“看到”完美无缺的“感性材料”，完全没有了与“意外”和“失败”亲密接触的机会[1]。鉴于此，本课创新点主要有3点：

（1）利用三元整合策略建构化学概念。三元整合策略是指在课堂上围绕核心知识（可能是元素化合物，也可能是基本理论或核心概念）进行整合型实验，实验完成后设置涉及化学实验、反应原理和元素化合物性质的整合型问题，组织学生分析思考、相互讨论，最后实现多种知识与能力的有效建构[2]。“三元”与“概念”“素养”的关联见图1。这是通过学生亲历实验过程，强化感知过程，重视表象观察，揭示本质内涵。

（2）整合丰富多样的素材发展学生化学核心素养。本课围绕原电池的相关内容，整合了实验、媒体、社会等素材，具体见表1，从宏观辨识到微观探析再到符号表征；从证据获取到推理分析再到建立模型；从科学探究到科学精神再到社会责任各方面促进学生学科核心素养的培育。

（3）符合概念课课型特征，提出有层次的由知识转化为能力素养的学科能力活动，见图2。

三、学情分析

1.学情分析

学生在初三课本和高中必修2第二章第一节已感受到化学能可以转化为热能，对能转化为其他能量有预设，只是不知道如何转化，例如电能。另外，学生在必修1“氧化还原反应”中已掌握氧化还原反应的本质就是电子转移，根据物理学知道电子的定向移动能产生电流。但是学生已有知识储备中氧化剂和还原剂是直接接触反应，要实现分开两个半区的反应从而引起电子流动是很大的知识冲突，这将会对原电池的本质、模型的理解有莫大影响；另外，往届学生深受“锌铜稀硫酸原电池”的影响，总会形成“负极一定要能与电解液反应，否则不能构成原电池”的模糊概念，对选修4“吸氧腐蚀”在生活中的应用有显著的抑制作用。同时，学生控制条件意识、有序思维、证据推理、模型建立等也处于低级水平，对本课设计原电池的发散性探究活动也会带来一定影响，因此要提前做好引导。

2.教学目标

（1）基于开篇演示实验的现象进行证据推理，证明化学能转化为电能，建立原电池的基本概念和工作原理，实现“宏观现象-微观本质-符号表征”的三重表征教学。

（2）通过让学生自行设计多种不同的原电池装置，初步培养学生控制实验条件的意识和实验设计思路的有序思维，提升科学探究与创新意识素养。

（3）通过氢氧燃料电池装置的设计，抽出原电池的本质，帮助学生初步建立电池模型，培养模型认知的核心素养。

（4）通过“形成原电池”“设计原电池”“原电池模型”三个逐步提升的认知活动，帮助学生透过现象层层深入理解、掌握“原电池”新概念的本质，从“氧化还原反应”→“分开两个区域形成电子流动”→“电极材料不一定参与得失电子”，避免形成模糊概念，培养宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想的化学核心素养。

（5）从火力发电转变为电池发电再到当今的燃料电池，感受到化学学科对人类生活和社会发展带来的巨大帮助，营造化学学科使命感，培育科学态度与社会责任。

四、教学流程

基于以上分析，结合三元素材，制造认知冲突，设置问题引导，实现素养目标，设计本节课的教学流程，如图3。

五、教学实录

1.对照实验，制造冲突

【展示】播放实验视频：锌、铜不连接和用导线连接分别放到稀硫酸中，见图4实验装置。

【教师】注意观察两个对照实验中实验装置的异同？根据已有知识解释装置1溶液温度升高的原因。

【学生】观察并记录现象，回答问题。

【学生甲】装置相同的是：等体积等浓度的稀硫酸；相同的锌片与铜片；锌片插入稀硫酸的时间相同。不同的是：装置1锌、铜是直接放进稀硫酸中但不相互接触，装置2锌、铜用导线连接放进稀硫酸中。

【学生乙】锌和稀硫酸反应放热，所以装置1溶液温度升高。

【教师】请猜测装置2中溶液温度升高幅度小于装置1的原因。

【学生甲】有部分能量散失到空气中。

【学生乙】根据能量守恒，有一部分能量以其他形式表现。

【教师】请预测装置2中部分化学能转化成何种形式？如何证明。

【学生甲】可能转化成电能。可以接一个灯泡。

【学生乙】我也认为是转化成电能。还可以接一个电流表。

2.合理预测，证据推理

【展示】装置2中的锌、铜用二极管连接放到稀硫酸中。

【教师】请解释装置2二极管变亮的原因。

【学生甲】装置2中的化学能转变成电能。

【学生乙】装置2形成电路，有电子的流动。

【教师】这种可以使化学能转化为电能的装置就叫原电池。请预测电路中电子的流动方向并提出依据。

【学生甲】电子由锌片流出，经过铜片进入溶液形成回路。

【学生乙】根据金属活动性顺序表可知锌比铜活泼，所以锌更容易失去电子，沿着导线聚集在铜片表面，但不能进入溶液。

【教师】按照物理学的知识可知电子应该在导線上传递，基于金属活动性顺序表的预测有一定的合理性，下面我们看看能否通过装置2的实验现象进一步说明电子的流动方向。

【学生】按照装置2完成分组实验，记录现象。

3.宏微结合，建立概念

【学生】我们小组观察到：锌片和铜片表面均有气泡。

【教师】锌片表面产生气泡不奇怪，我们目前先集中思考：铜片表面产生气泡的成分及其可能成因。

【学生甲】从体系的元素角度看，很可能是H2，当然也可能是O2。

【学生乙】电子由锌片经过导线流向铜片，溶液中H+获得电子变成氢原子，进而结合成H2。

【学生丙】我觉得金属铜也能提供电子，溶液中H+获得电子变成H2。

【学生丁】根据金属活动性顺序，锌比铜更容易失去电子，如果铜失电子就变成铜能置换出氢气不合理，而且也无法做到电子转移不合理。

【展示】播放锌铜稀硫酸原电池微观粒子移动Flash。

【教师】请用化学符号表示锌片、铜片表面发生的反应。

【学生】基于宏观现象结合微观粒子移动行为进行符号表征。

【教师】在锌片上发生反应：Zn-2e-=Zn2+，为氧化反应，作原电池的负极；在铜片上发生反应：2H++ 2e-=H2↑，为还原反应，作原电池的正极。

【教师】装置1也发生反应：Zn+2H+=Zn2++H2↑，为何装置1不能产生电流？

【学生】装置1中是锌和硫酸直接接触的氧化还原反应，不存在电子通过导线的转移，因此没有电流产生。

【教师】要使化学能转化为电能构成原电池装置，关键就要使氧化反应和还原反应分别在不同的区域进行，并使其间的电子转移。在装置上有何要求？

【学生】要像装置2一样：有两个电极材料，烧杯中要有溶液，还要有导线连接。

4.组装电池，巩固转化

【教师】根据已具备的氧化还原反应知识和电学知识，利用以下提供的实验用品，组装尽可能多的原电池装置，请预测不同组装的原电池电流大小情况，连接电流表检验自己的预测。（实验用品：锌片、铜片各2片、石墨棒2根；橙汁、稀硫酸、酒精；烧杯、电流表、导线等。）组装前先思考：如何才能组装出尽可能多的电池但又不重复？

【学生】要有控制变量的意识，先改变电极材料的种类，再改变电解液的种类。

【学生】组装电池、分组实验、记录现象。

【教师】根据不同组合的原电池装置（部分见图5），结合电流大小、装置组成你有什么结论。

【学生甲】相同的电解液，电极材料不同，电流大小不同。

【学生乙】相同的电极材料，电解液不同，电流大小不同。

【学生丙】金属片相同时或使用酒精时发现不产生电流。

【教师】为了实现使氧化反应和还原反应分别在不同的区域进行，并使其间的电子转移。在原电池最简易的模型中要求两个不同的电极、电解质溶液并用导线连接形成闭合回路。

5.建立模型，设计电池

【教师】日常生活需要大量的电池，一次性电池回收处理难度不小，给十九大生态文明建设明确提出的“绿水青山就是金山银山”带来巨大挑战。而燃料电池是一种高效、对环境友好的发电装置，其中一种原理是2H2+O2=2H2O。请构思该电池的装置图并说出你的思路。其中你发现什么困难？

【学生】根据已有知识设计燃料电池，记录困难。

【学生甲】该装置的电极材料不知道是什么。

【学生乙】H2和O2不可能是电极材料，但是它们却是反应物，不知如何处理。

【学生丙】根据方程式，可以判断出H2在负极失电子，O2在正极得电子，但是后面就没思路了。

【展示】播放实验视频：利用石墨电解水产生的H2和O2在电极石墨的条件下形成原电池使小灯泡变亮，见图6。

【教师】原电池装置的本质是使氧化反应和还原反应分别在不同的区域进行，能使电子转移。根据方程式中化合价的分析可以找出氧化剂与还原剂，再结合物质状态就可以构造出基本装置。要纠正以下模糊概念：必须要不同电极材料、负极必须能和电解液反应等。原电池基本模型见图7。

六、教学效果与反思

1.学习效果

課后布置调研题目：能否利用反应Cu+2FeCl3= CuCl2+2FeCl2实现由化学能转化为电能？若能，请画出其电化学装置（作好试剂标注）；若不能，则说明理由。检测情况统计如表2。

课后检测情况见表2，教学效果良好。

2.教学反思

（1）部分学生通过课本、微课、机构已对原电池有一定认识，但是片面的、模糊的。因此，前测的学情分析是有效教学的前提。教师只有全面准确地了解学生的迷思概念，尊重学生的已有认知，思考学生的发展需求，才能使课堂教学精准到位。因此建议一定要在学情分析的基础上组织教学[3]。

（2）要灵活运用教材创造性的整合素材。活用教材是新课程背景下提出来的全新理念，它赋予了教师驾驭新教材的灵活性。本课创造性地重新编排了若干实验：①增加锌铜稀硫酸是否用导线连接的温度测定对照实验，引出化学反应除热能以外的其他能量变化形式；②增加将锌铜稀硫酸原电池导线换成二极管的实验，证明化学能可以转变成电能；③深入分析锌铜稀硫酸原电池观察到的现象，建立原电池相关概念和进行符号表征；④利用课本科学探究实验提出新要求：组装尽可能多的原电池装置并说明依据，从而培养学生控制实验条件的意识和实验设计思路的有序思维；⑤增加氢氧燃料电池装置的实验设计，帮助学生突破迷思概念，完善原电池的认知模型。因此建议要将新教材从“教本”向“学本”转变，教师要将静态的教材内容“活化”为生动的教学生成过程，要在教学过程中能动性、个性化、创造性地实践[4]。

（3）三元整合策略主张基于学生在化学实验、物质性质、基本原理三大版块的已有知识创设认知冲突，以“认知冲突”作为课堂教学的研究线索贯穿始终，以考纲要求的知识、方法、能力和素养为教学暗线，围绕驱动问题不断提出解释和修正解释。本课在不同教学环节均设计了不同难度的认知冲突，学生一般不能迅速知道从何入手解决，这样才能区分哪些学生是能够自觉使用化学工具进行有序思考。因此建议要提高课堂教学的有效性，关键要制造有意义的涉及内容众多或者出现认知冲突的“问题”。

（4）作为对概念教学增长点的定位，建立原电池概念并不是本节课的核心目标，学生要学会利用已有知识结合证据进行推理才是核心目标，能做到围绕宏观事实进行微观分析并完成符号表征才是核心目标，能做到控制变量进行有序思考才是核心目标，能不断地围绕认知冲突建立模型、完善模型才是核心目标，能通过认识原电池、组装原电池、设计原电池的活动使知识经验结构化、程序化、系统化才是核心目标。因此建议概念教学也要注意这种思维方式的指导，学生在解决类似问题时才能有法可依、目标明确、思路清晰。

参考文献

[1]李汉清.高中化学概念教学现状及对策[J].化学教学，2013（2）：6-8

[2]钟国华.2019年高考化学实验试题（全国卷）的评析与启示[J].化学教学，2020（1）：63-66

[3]仇永红，王春.基于发展化学核心素养的概念教学——以“认识溶液”为例[J].化学教育，2020，41（19）：20-24

[4]胡久华，高冲.5E教学模式在我国的教学实践及其国外研究进展评析[J].化学教育，2017，38（1）：5-9