建构“原电池认知模型”的课堂教学

王振 黄耿阳

摘要：围绕“让小车跑起来”的真实问题，分析铜一锌原电池的装置构成和工作原理，初步建构原电池二维认识模型并让学生根据模型设计化学电源让小车跑起来，建构教学评一致性的教学设计.

关键词：认识模型;化学电源;教学评一致性

文章编号：1008-0546（2021）08-0050-06

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2021.08.014

化学电源是化学能转变为电能的装置，也称原电池，是高中化学电化学的重要组成。原电池对学生能量观的形成，以及能量转化关系的理解至关重要。新课标明确指出，要充分利用双液铜锌原电池、铅蓄电池、氢氧燃料电池等案例素材，组织学生开展分析解释、推论预测、设计评价等学习活动，发展学生对原电池工作原理的认识，建立对电化学过程的系统分析思路，提高学生对电化学本质的认识[1]。教材内容由浅入深、由易到难、由孤立到系统，呈螺旋上升趋势[2]。如苏教版新教材，高一《化学必修（下册）》专题6化学反应与能量变化，第三单元化学能与电能的转化，第1课时介绍了经典的Znl稀H2SO4|Cu单液原电池以及电池的工作原理，第2课时介绍了各种各样的“化学电池”。《化学反应原理》，进一步引入能量转化效率高且稳定的双液原电池，并要求学生能根据原电池原理分析解决陌生情境下的问题。

已有研究表明[3]：建立原电池认知模型，有利于学生知识结构化、问题解决思路化。笔者在化学电源新授课，尝试在教学巾引导学生初步建构“原电池认知模型”，并基于模型分析各种电池，使原电池知识结构化，问题解决思路化，也为双液原电池的学习作铺垫。

一、原电池认知模型

电化学因概念原理抽象而集中，学生易形成迷思概念和认知负荷，往往在以下2个方面遇到困难[4]：①存在关于电化学的偏差或错误认识;②分析和解决电化学问题时缺少认识角度与合理思路，系统性差。借鉴王磊等[5]提出的电化学认识模型，建构原电池认知模型[6]，需要在教学中逐步建构和完善，建立原电池三维认识模型，见图1。横坐标表示原电池的装置维度（失电子场所、电子导体、离子导体、得电子场所），纵坐标表示原电池的原理维度（电极反应物、电极产物、微观过程、宏观现象），斜坐标能量维度表示化学能与其他能量转化的形式（电能、热能、机械能）。能量维度也是促使化学电源由单液往双液，膜电池等质量小、电流大、稳定高效升级的“驱动力”，当然电池电流受氧化还原反应类型、电极材料、离子浓度、电池内阻等内外因素有关，新授课要注意难度的把控，引导学生初步建构原电池认识模型，并在以后的教学中逐步深入探究。

二、创设真实问题情境

新课标明确指出，教学中应创设真实情景，组织学生开展基于能量利用需求选择反应、设计能量转化路径和装置等活动，形成合理利用化学反应中能量变化的意识和思路，提升“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。笔者以锌一铜稀硫酸原电池驱动玩具小车创设真实情景，通过分析玩具小车的能量来源，建构原电池装置和原理的平面认知模型。

新课标重视教学内容的结构化设计，积极倡导“教、学、评”一体化。制定本课的教学评一致性目标，见表1，以及贯串课堂的四条线（情景线、问题线、知识线、模型线），见表2。

创设驱动型问题，让学生小组设计新的化学电池让玩具小车跑起来，引导学生仔细观察实验现象，并派小组代表汇报，让学生思维和解决问题过程外显化。在分析玩具小车异常现象的过程中，如锌电极依然产生气泡放热，建构原电池认识模型的能量维度。学生设计的简单电池能量转化效率低，在为了让小车跑的更快的问题驱动下，电池创新指向能量转化效率更高的方向优化进阶。教师演示改用“伏打堆”电池，改进的串联电池让小车更快的跑起来，有意向地培养学生的创新意识，以及视频展示特斯拉电动汽车和飞机赛跑的视频，让学生切实感受化学价值和社会价值。基于原电池认知模型，分析教师的电动车，以及氢氧燃料电车的化学电源，回顾生活，培养科学态度与社会责任素养。

三、教学过程

1.问题情境

【情境引入】每个小组一辆简易玩具车（配有小马达、导线以及老虎夹），见图2。将锌片和铜片连接在马达的2根导线上，放入塑料杯，然后往烧杯中倒入稀硫酸，观察现象。

【生】小车动起来了，铜片和锌片表面产生了气泡。

设计意图：创设真实的问题情境，以学生已知的锌铜稀硫酸形成的原电池引入，激发学生的探究学习兴趣，为后面依此为基础深入剖析原电池，并再此基础上建构原电池认识模型做好铺垫。

2.模型建构

【问题l】这套装置由哪几部分构成，各部分有什么作用？

【师】这个装置相当于小车的电池，我们把这样的装置称为化学电源或原电池。这套原电池装置由哪几部分构成，各部分有什么作用呢？

【生】由锌片、铜片、稀硫酸和导线组成（各部分作用学生答不上来）。

【师】各部分作用呢？

【生】沉默。

【师】我们可以先从现象分析，我们看到什么现象？

【生】锌片和铜片上产生了氣泡，应该是氢气。

【师】氢气是怎样产生的？

【生】2H++2e-一H2↑

【师】电子是从哪里来的？导线有什么作用？

【生】2n-2e-一Zn2+锌片失去电子，经过导线，到铜片。导线作用是让电子通过。锌片作用是失去电子，铜片的作用是得到电子。

【师】板书画图横坐标，锌片作用是失电子场所，铜片作用是得电子场所，导线是让电子接力传递，所有导线作用是电子导体。

【师】溶液不带电，电解质溶液怎样保持电中性的？

【师】总结得很好。电极反应式的书写，根据化学价的变化找出电极反应物和生成物，在结合电解质对产物的影响，根据离子方程式书写规则，写出电极反应式。相对于我们设计的锌铜稀硫酸形成的原电池，铅蓄电池用完电后还可以充电，所以铅蓄电池也称为二次电池，可以重复使用，缺点是笨重，铅有毒，废弃污染大。如果从对环境友好的角度，我们选择什么能源更好？

【生】氢能。

【问题5】你能分析一下氢氧燃料电池工作原理吗？

【师】氢气和氧气的燃烧，能设计成电池吗？

【生l】2H2+02一2H20，这是个氧化还原反应应该可以吧。

【生2】都是气体，应该不可以吧。

【视频】我国首条氢氧燃料电车成功运行。

【回归教材】化学研究者为了满足生活的各种需要，研发了各种电池，氢氧燃料设计成的环保型电池已投入使用，你能結合图分析写出氢氧燃料电池的电极反应式。

【生】负极H2-2e-一2H+;正极02+4e-一202-。

【师】考虑酸性电解质溶液，氧离子和氢离子结合生成水。正极电极式，应该写成02+4e-+4H+一2H20。电极并不一定要参与反应，板书见图7。

设计意图：从情境由玩具小车引入到生活中的铅蓄电动车，知识线由一次电池引入到二次电池。电极并不一定要参与反应。区别电极材料和反应物等。

【师】总结提升

特斯拉电动车电池，可以弯曲的电池，一些服装厂家开始设计出带有芯片和传感器的运动装备，能够在运动巾检测心率、血压，还能在APP中生成健康报告[9]，让我们的生活变得更加美好….

四、教学反思

原电池因知识抽象集中，知识分散在高中教材，使知识螺旋递进，这样虽然分散了压力，却容易造成认知错误、理解困难等迷思概念。原电池单元教学，采用第1课时认识原电池的构成条件，第2课时建构原电池认识模型认识各种电池。高二阶段在高一的基础上进一步学习双液原电池。高三则是系统建构陌生情境下对电池的认识分析思路。

本节课选择第二节尝试建构原电池认识模型，并用模型解决问题，知识容量较大，课时短。导致上课讲授不够充分，在学生实验环节应该在投入一些时间引导学生从宏观表征，发现问题，找到简单原电池的能量转化的弊端。实验创新只是定性地让小车跑动起来，但定量的测量小车启动最低电流等。原电池从能量的角度是把化学能转化为电能，但并不能百分之百地转化为电能，不可避免地产生热和机械能等，这也是促使电池研究者提高能量转化率不断探索努力的方向。这也是教材编写的思路，由简单的锌一铜单液原电池，向锌一铜双液原电池，乃至膜电池等其他复杂电池的进阶思路。

电极反应式的书写，因课时有限，略显匆忙。可以在另分成一节课来讲，讲解到位，并初步引入双液原电池，以及陌生电池的分析。建构完善系统化的分析思路，再讲解电解池，避免知识的交叉混淆。初步建构原电池的认识模型，虽然避免了一些迷思概念，如总结“离子不入水”，电子在外电路定向移动，在溶液巾则是离子定向移动。原电池内电路巾阴、阳离子定向移动的原因，主要是离子受到了电场力和扩散力的共同作用。

参考文献

[l]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017版）[s].北京：人民教育出版社，2018：28-30

[2]王秀红，李志航，张冬华.发展学生化学学科核心素养的“化学能与电能”教学——小车为什么会跑起来[J]化学教育（中英文），2020，41（3）：27-32

[3]房喻，徐端钧.普通高中化学课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018：126-127

[4]王维臻，王磊，等.电化学认识模型及其在高三原电池复习教学中的应用[J].化学教育，2014，35（1）：34-40

[5]王磊等.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017：260-271

[6]陈博殷，王季常，等.基于模型认知与手持技术的化学能与电能项目式教学——以“设计不同类型的化学电源”为例[J].化学教育（中英文），2020，41（15）：14-23

[7]腾讯视频.世界上最快的电动汽车与波音737赛跑特斯拉这次究竟行不行[EB/OL].（ 2018-04- 14）[2020- 8-25].htt ps： //v .qq.com/x/page/a0629x6ek2m.html

[8]好看视频.特斯拉电动车电池拆解[EB/OL].（2020- 06-II）[ 2020-8-25] .https：//haokan.l）aidu.com/v？vid=170289135209641786lO&pd=hjh&fr=hjhauthor&type=video

[9]王俊祺，杨明生，徐浩年.化学学科核心素养为导向的课堂实录——探究原电池的发展[J].化学教育（中英文），2020，41（3）：33-37