指向深度学习的“原电池“教学研究

张婉莹 吴俊彦 张贤金 郑瑛

摘要：基于“巴格达电池”的化学史创设问题情境，通过开展与问题情境紧密相连的探究实验，激发学生学习兴趣，并以递进式的问题串调动学生的探索式思维。通过问题解决与探究实验，旨在帮助学生掌握原电池的工作原理、构成要素等核心内容，构建原电池的认知模型。以海洋电池为案例联系生活实际，促进知识的迁移应用，实现对原电池相关知识的深度学习，落实学生化学学科核心素养的发展目标。

关键词：问题情境；探究实验；原电池；深度学习；教学设计

文章编号：1008-0546（2022）12-0011-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12.003

一、教学主题内容及教学现状分析

“化学能转化为电能”是高中化学苏教版《化学（必修第二册）》专题六“化学反应与能量变化”第三单元“化学能与电能的转化”的第一课时的教学内容。[1]本课时以探究原电池的工作原理作为重点，涉及原电池的构成条件、原电池正负极的判断、电极方程式的书写、原电池内微观粒子的移动方向等方面的内容，涵盖丰富的知识点，要求学生具备较强的综合思维和模型建构能力。

鉴于传统知识型教学难以全面地体现知识背后的科学内涵，帮助学生实现对抽象知识的灵活迁移应用，因此原电池内容的教与学方法需要深入研究。为提高原电池的课堂教学质量，教学工作者们采取多种教学策略促进学生对原电池知识的深层认知。张瑞林等人通过锌铜原电池实验引导学生关联宏微，初建原电池概念，随后基于氢氧燃料电池，让学生构建原电池的装置一原理二维模型图，并利用二维模型图分析纽扣電池的装置和原理，实现对原电池概念的深度理解。[2]黄清辉等人以伏打电池的发明和世界首架干电池动力飞机为情境导人新课，利用锌粉与稀硫酸反应的实验使学生意识到化学能与电能转化的本质是氧化还原反应，再通过探究实验促进学生对原电池工作原理的理解。[3]皇甫倩等人细化了化学高阶思维的构成要素，创设石墨烯电池的情境导人新课，以批判质疑、实验验证的方式引导学生获知双液原电池中盐桥的构成与作用，发展学生的化学高阶思维。[4]牛彩霞等人利用“保护海洋平台”探究式项目搭建生活实际与原电池知识的桥梁，激发学生的学习兴趣，通过分析海洋平台电化学腐蚀的原理，引导学生建立金属腐蚀和原电池模型之间的关联，进而从模型出发提出相应的防腐措施，在用化学原理解决实际问题的过程中实现深度学习。[5]此外，还有基于化学史情境、认知模型建构等方面进行原电池的教学设计。[6，7]上述教学设计在不同程度上提高了学生的学习积极性，突出了学生在课堂上的主体地位，推动学生理解表观现象背后的化学本质，从而实现对原电池知识的深度学习。但许多教师在情境导人中采用的实例与教学中的实验内容缺乏紧密衔接，未能良好地发挥情境的推动作用，跳跃性的课堂环节设计也不利于学生逻辑思维的建构。

化学是一门以实验为基础的学科，而情境是深度学习的起点，若能创设紧扣实验内容的教学情境，则有利于让学生以积极主动的心态参与科学探究，在问题解决的过程中构建新知，自主发现学习的乐趣。本文基于“巴格达电池”的化学史创设真实问题情境，简化并重现巴格达电池的电池装置；设计与情境紧密相连的探究实验，围绕“巴格达电池为什么能发电”的真实问题驱动学生自主探究，在解决问题的过程中引导学生理解并掌握原电池的构成要素与工作原理，实现对原电池相关知识的深度学习，充分发展学生的化学学科核心素养。

二、教学思想与创新点

化学学科深度学习是指在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，开展以化学实验为主的多种探究活动，在活动过程中获得化学核心知识，构建化学学科的思想方法，发展化学学科核心素养。[8]为实现原电池知识的深度学习，本教学设计有以下做法：

1．创设情境激发学习兴趣

在深度学习中任务、情境和问题是三位一体的，基于真实情境产生需要解决的问题，问题解决则指向具体需要完成的任务。[9]本节课以“巴格达电池”为情境素材来创设真实的问题情境，[10]激发学生的学习兴趣。基于“巴格达电池为什么能发电”真实的核心问题，抽提出“巴格达电池的结构”“巴格达电池产生电流的方式”“影响单个巴格达电池电压的因素”三个基本问题驱动学习活动的展开。通过模型试验在课堂上重现巴格达电池，并以其为载体开展一系列探究实验任务，帮助学生在问题解决的过程中理解原电池的工作原理，充分落实原电池的深度学习。

2．认知冲突引发深度思考

在原电池构成要素的探究实验中，利用铜片部位滴有酚酞溶液的滤纸变红的实验现象创设认知冲突，设置层层深入的问题串：①铁片接触的滤纸变蓝说明什么？②实验2中铜片接触的滤纸为何会变红？溶液中的H+发生了什么反应？③铜片上的电子是怎么来的？④如何证明电子发生了移动？又要怎么证明原电池产生了电流？用问题为学生搭建学习的支架，引导学生联系旧知、建构新知，激发学生对实验现象的深度思考。学生在对实验现象的主动究因过程中，逐渐建立起对原电池的概念、构成要素以及工作原理的认识，从而发展学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念”和“证据推理”的化学学科核心素养。

3．实验探究发展高阶思维

皇甫倩等人将化学高阶思维概括为：化学表征思维、模型建构思维、化学实验思维、质疑批判思维及迁移创造思维。[4]在本节课的教学设计中，通过让学生绘制巴格达电池的模型简图，考查学生抽象化概括及建构模型的能力，发展学生的模型建构思维。在原电池构成要素的探究实验中，通过设计问题串引导的探究实验，以实验现象与已有认知的冲突发展学生的质疑批判思维。在影响原电池性能因素的探究实验中，引导学生根据原电池的构成要素设计探究实验方案，将问题精确为探究电极种类、溶液的种类和浓度对电池性能的影响，采用控制变量法进行实验探究，发展学生的化学实验思维。探究实验的设计不仅帮助学生掌握原电池的构成条件，理解原电池的工作原理，还进一步培养学生的化学高阶思维能力以及“科学探究”的化学学科核心素养。

4．联系生活促进知识迁移

以我国首创的海洋电池为情境，搭建理论与生活实际之间的桥梁，可以让学生认识到化学在提高人们生活质量、促进社会进步方面的特殊作用，提高学生“科学精神与社会责任”的化学学科核心素养。同时，通过分析海洋电池的工作原理，在真实的情境中实现知识的迁移应用，达成发展学生的迁移创造思维的目的。

5．自制教具强化元认知能力

元认知是指学生对自我认知的认知。布置制作海洋电池纸质模型的家庭作业，学生在动手的过程中可以不断反思自身的认知过程，查缺补漏，加深对原电池相关知识的理解并强化自己的元认知能力。

三、教学目标

通过实验探究原电池的构成要素，初步建立原电池的认知模型；通过实验探究原电池的构成条件及影响原电池性能的因素，发展科学探究能力；通过分析海洋电池的工作原理，了解化学知识在生产、生活中的应用实例，体会化学的学科价值。

四、教学流程

基于深度學习的教学理念，设置发现电、探究电、揭秘电、应用电四个教学环节。以巴格达电池为情境，结合铁铜原电池的探究实验，帮助学生学习抽象的原电池知识，提高学生知识迁移和应用的能力，实现原电池原理的深度学习。本节课的教学流程如图1所示。

五、教学实录

环节一：发现电

【导人】巴格达电池出土于伊拉克首都巴格达境内，距今已有两千多年的历史，外观看起来只是一个简陋的陶罐，但罐内装有一根铜管，铜管内还包有一根铁棒。研究发现这其实是一个古代化学电池，只需向陶罐内加入新鲜葡萄汁就能发电。巴格达电池的结构是怎么样的？请同学们根据已有信息用简图描述。

【学生活动】绘制巴格达电池简图，如图2（a）所示。

【总结】简化学生绘制的巴格达电池模型，简化后的巴格达电池如图2（b）所示。

环节二：探究电

【设疑】巴格达电池是如何产生电流的？一根铜管、一根铁棒和溶液是否就能构成一个电池？

【实验探究1】将HCl和NaCl混合液调至pH=5，模拟葡萄汁的弱酸性环境。用该溶液浸透滤纸后，在滤纸的左半部分滴数滴赤血盐溶液，右半部分滴数滴酚酞溶液。

资料卡片：Fe2+与赤血盐溶液反应生成蓝色沉淀。 【学生实验】根据装置图完成实验1、2，将观察到的实验现象填人表1。实验装置图如图3所示。

【提问】①铁片接触的滤纸变蓝说明什么？②实验2中铜片接触的滤纸为何会变红？溶液中的H+发生了什么反应？③铜片上的电子是怎么来的？④如何证明电子发生了移动？又要怎么证明原电池产生了电流？

【学生实验】完成实验3，将观察到的实验现象填人表1。

【结论】负极：Fe - 2e==Fe“

正极：2H++ 2e-一H2↑

总反应式：Fe+ 2H+ -Fe“+H2↑

【提问】我们知道化学反应伴随着能量的变化，实验3电流表偏转说明有化学能转化为电能。为什么实验1和实验2、3的总反应相同，能量转换形式却不一样？所有的化学反应都能将化学能转化为电能吗？

【讨论汇报】化学反应需要借助原电池装置才能将化学能转化为电能，只有氧化还原反应有电子的得失，能将化学能转化为电能。

环节三：揭秘电

【提问】由于单个巴格达电池的电压很低，因此科学家们推测这些电池可能是串联使用的。假设现在只有一个巴格达电池，请同学们结合原电池的结构思考如何提高单个巴格达电池的电压？

【回答】改变电极的种类、溶液的种类和浓度。

【实验探究2】利用表2中的材料，设计方案进行分组实验（见表3），实验装置同实验探究1中的实验2。

【提问】实验结果说明并非所有电极和溶液都能构成原电池，请同学们根据实验结果分析并总结原电池的构成条件以及影响原电池性能的因素。

【讨论汇报】原电池的构成条件：两个导电电极、电解质溶液、自发的氧化还原反应、闭合回路。

影响原电池性能的因素：电极种类、电解质溶液的种类和浓度。

环节四：应用电

【提问】请同学们结合课本拓展视野的内容思考在酸性和中性条件下，铁铜原电池的两电极是否发生同样的反应？

【回答】负极都发生Fe被氧化的反应。正极反应不同，酸性条件下，H+在正极处被还原，而在中性条件下，正极发生的是氧气被还原的反应。

【展示】海洋电池相关图片。

【知识拓展】海洋电池利用了类似的原理。海洋电池解决了电线难以跨海供电的难题，以铝、碳为电极，电极之间以导线相连，与海水接触就可以构成原电池，为灯塔和救生衣灯等供电。

【提问】海洋电池自身具备电极和导线。海洋电池工作时，电解质溶液是什么？两个电极分别发生何反应？

【回答】海洋电池以铝作负极，碳作正极，海水为电解质溶液，在中性环境下负极处铝被氧化成Al3+，氧气在正极处被还原。

【作业】请同学们制作一个海洋电池的纸质模型，并用模型模拟电池内部微观粒子的移动过程。

六、教学效果与反思

依据深度学习的教学理念，本节课以化学史创设情境，通过情境与实际实验内容的紧密衔接，引导学生积极主动地参与课堂；通过设置真实的问题情境推动学生自主探索原电池的概念、构成条件以及工作原理，促进学生逻辑思维的发展；通过实验探究，让学生经历了解、理解、应用原电池知识的深度学习过程，在实验探究的过程中提升学生的高阶思维能力和问题解决能力，实现原电池概念的深度学习以及化学学科核心素养的发展。为深入落实电化学知识的深度学习，教师还可开展单元学习主题教学。单元教学是深度学习的载体，深度学习是单元教学的目的，二者相辅相成，共同促进学生核心素养的发展。在本节课的教学设计之上，可结合选择性必修模块的相关内容进行原电池的单元整体教学设计，由此帮助学生形成结构化的知识脉络，加深对原电池的认知，从而促进学生实现知识到素养的转化。

参考文献

[1]王祖浩．普通高中教科书·化学（必修第二册）[M]．南京：江苏凤凰教育出版社，2020：19-21.

[2]张瑞林，刘晓华，姜言霞．整合多重表征促进概念深度理解——以“原电池”为例[J]．化学教育（中英文），2022，43（3）：23-31．

[3]黄清辉，张贤金，吴新建，基于实验探究促进学生化学深度学习——以鲁科版“原电池的工作原理”为例[J].化学教与学，2016（6）：17-19．

[4]皇甫倩，曾美琴，魏钊，王春阳，王后雄，基于化学高阶思维培养的教学设计研究——以“双液原电池”为例[J].天津师范大学学报（基础教育版），2021，22（3）：40-46.

[5] 牛彩霞，邹映波．走向核心素养的化学深度学习——以“保护海洋平台——金属电化学腐蚀与防护”为例[J].化学教学，2020（8）：39-43.

[6]何森彪，吴文中，基于化学史实组织教学促进学生科学素养发展——以学生深度学习原电池原理为例[J].化学教与学，2017（4）：36-39.

[7]刘月萍，罗秀玲，肖信．基于模型建构的论证教学在化学概念学习中的应用——以“原电池”概念学习为例[J].化学教育（中英文），2022，43（3）：63-73．

[8]胡久华．以深度学习促核心素养发展的化学教学[J].基础教育课程，2019（21）：70-78．

[9]杨玉琴，倪娟．促进“深度学习”的教学设计[J]．化学教育，2016，37（ 17）：1-8.

[10] Xu Lu， Franklin Anariba. Fostering Innovation through anActive Leaming Activity Inspired by the Baghdad Battery[J]. Joumal of Chemical Education， 2014， 91（ 11）： 1929-1933．