江蘇省常州市北郊高級中學(xué) 張 穎

一、問題的提出

1.課標要求：原電池是高中化學(xué)的重要概念，是電化學(xué)的基礎(chǔ)。必修中要求“舉例說明化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化關(guān)系及應(yīng)用”，因此教學(xué)目標主要是通過鋅—銅—稀硫酸在不同條件下實驗幫助學(xué)生理解化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能并形成對原電池模型的初步認識。選修4 則要求學(xué)生了解原電池的工作原理，熟練寫出電極反應(yīng)式，了解常見化學(xué)電源工作原理。這是對學(xué)生認知能力、理解能力和思維能力的挑戰(zhàn)。多樣化的電池，復(fù)雜多變的情境對學(xué)生的思維深度和廣度都提出更高的要求，學(xué)生只有對原電池模型有本質(zhì)深刻的理解，才能萬變不離其宗，找到解決問題的思路和方法。

2.學(xué)情要求：必修學(xué)習(xí)中學(xué)生對鋅—銅—稀硫酸單液原電池有了初步的理解和認識。但理解是否存在偏差，認知是否完全正確？根據(jù)學(xué)情反饋，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在以下認知誤區(qū)：負極一定與電解質(zhì)溶液接觸并反應(yīng)；不同的金屬材料做電極才能形成原電池；活潑金屬一定做負極；電解質(zhì)溶液是形成原電池的必要條件。認識誤區(qū)產(chǎn)生的根本原因是學(xué)生對原電池模型認知的不透徹。經(jīng)典原模型可以幫助學(xué)生初步了解原電池概念，但原電池是一個高度理論抽象性的概念，單一、刻板的模型不能讓學(xué)生全面充分地理解原電池本質(zhì)。因此學(xué)生難以理解吸氧腐蝕、燃料電池、熔融鹽電池也就不足為怪了。這就需要我們不斷進行模型解構(gòu)、進化和再構(gòu)，豐富認知的內(nèi)涵，加深學(xué)生對概念本質(zhì)的理解。

二、模型建構(gòu)和模型進化

人們傾向于從模型與所表征對象的關(guān)系角度和認知心理學(xué)的角度兩個方面來理解模型建構(gòu)。前者認為模型建構(gòu)就是將物質(zhì)世界與理論和模型世界聯(lián)系起來，在理解科學(xué)本質(zhì)中起著核心作用；后者認為建模就是內(nèi)隱心智模型通過模型來使思考具體化的方式?！敖?gòu)主義理論認為，任何知識的獲得都必須通過學(xué)生的主動地同化，而主動地同化則必須以適當認知結(jié)構(gòu)的存在為前提”，同時指出知覺受制于心理活動，知覺者常常憑借推理的心理活動已經(jīng)搜索到自己要看的東西。在抽象性的概念教學(xué)中，模型建構(gòu)無論是從學(xué)生認知發(fā)展層面還是從心理發(fā)展層面都有助于學(xué)生參與科學(xué)理論的探索，理解科學(xué)概念的本質(zhì)。

基于概念的模型并不是刻板單一的，它有著豐富的內(nèi)涵。學(xué)習(xí)過程中學(xué)生會基于自我樸素心理框架形成錯誤概念，我們需要幫助學(xué)生在模型原型基礎(chǔ)上不斷地驗證、評估、修正，應(yīng)用模型才能實現(xiàn)錯誤概念的轉(zhuǎn)變，形成對科學(xué)概念充分而全面的理解，這就是模型進化過程，也是學(xué)生心理模型不斷沖突、否定、修正和重建的動態(tài)過程。

三、模型進化促學(xué)生思維發(fā)展的教學(xué)實踐

本節(jié)課將學(xué)習(xí)目標定位為：通過原電池模型修正和進化，構(gòu)建完善的原電池認知模型，加深對概念本質(zhì)的理解。通過實驗探究、模型的設(shè)計與優(yōu)化，體驗科學(xué)探究的基本方法。通過電池發(fā)展史，體驗化學(xué)學(xué)科價值。

【學(xué)習(xí)過程】

環(huán)節(jié)一、回顧原電池——構(gòu)建原電池經(jīng)典模型。

情境1：音樂卡芯為什么會響？

通過鎂—碳—稀硫酸單液原電池裝置復(fù)習(xí)回顧形成原電池的基本條件及電極反應(yīng)、電子流向、離子流向等原電池的相關(guān)概念，喚醒學(xué)生腦海中對原電池的認知，構(gòu)建經(jīng)典單液原電池模型。

環(huán)節(jié)二、再探原電池——解構(gòu)原電池經(jīng)典模型。

情境2：音樂卡芯的聲音為什么越來越弱？

通過鋅片、銅片、硫酸銅溶液、音樂卡芯形成的裝置中音樂卡芯的聲音變化情況發(fā)現(xiàn)此款原電池存在的問題。

學(xué)生活動1：鋅、銅、硫酸銅“單液”濾紙原電池。

實際現(xiàn)象與預(yù)測的差異：1.鋅片表面有銅析出；2.電流一段時間后變小。

通過差異現(xiàn)象，學(xué)生發(fā)現(xiàn)這種電池的弊端——能量轉(zhuǎn)化率低，不能提供持續(xù)穩(wěn)定的電流，時間稍長電流就很快減弱。產(chǎn)生這一弊端的原因是因為鋅片表面析出了銅。這促使學(xué)生從心理認知層面認為原來的原電池不完美，從而自覺地對原電池經(jīng)典模型進行解構(gòu)。那么如何才能解決這一問題？順其自然就促使學(xué)生思考，如何改進電池，構(gòu)建起更合理的原電池模型，即進行模型的進化。

環(huán)節(jié)三：改進原電池——重構(gòu)雙液原電池模型。

情境3：如何能讓音樂卡芯響得更持久？

交流與討論：改進鋅—銅—硫酸銅原電池關(guān)鍵要解決什么問題？

生1：鋅片不能直接與硫酸銅接觸，把鋅片放另一燒杯中，畫出圖一裝置。

追問1：選擇什么電解質(zhì)溶液？

生2：鋅片的那一極應(yīng)該不能放硫酸銅。

追問2：根據(jù)總反應(yīng)的生成物對你有什么啟示？

生3：可以選用硫酸鋅，它與鋅不反應(yīng)，畫出圖二裝置。

追問3：如何讓圖二裝置形成閉合回路？

生4：最好有一個連通器將兩邊液體連通起來，設(shè)計圖三裝置。

師：想法很好，在兩個溶液之間架一座橋梁。選擇什么做橋梁呢？導(dǎo)線行嗎？

生5：導(dǎo)線中是電子在移動，現(xiàn)在是要讓溶液中離子定向移動，用電解質(zhì)。

通過交流和討論，學(xué)生從自己的經(jīng)驗和認知中構(gòu)建出了雙液原電池的基本雛形，但理論推導(dǎo)正確與否還需實驗事實來證明。

學(xué)生活動2：鋅—銅—硫酸銅“雙液”濾紙原電池。

學(xué)生通過觀察分析搭上浸有KCl濾紙前后電流表指針的變化，發(fā)現(xiàn)自主構(gòu)建的雙液原電池雛形可以實現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化，并且電流穩(wěn)定。此時教師補充介紹鹽橋的相關(guān)概念和作用，引導(dǎo)學(xué)生思考此時電極反應(yīng)方程式如何書寫，鹽橋中K+和Cl-的移動方向如何？

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，實驗的事實已經(jīng)揭示了負極依然是Zn-2e-= Zn2+,正極依然是Cu2++ 2e-= Cu ,總反應(yīng)還是Zn +Cu2+= Zn2++Cu。 由于這個電池模型是學(xué)生基于單液鋅—銅—硫酸銅不斷改進得出的，學(xué)生理解水到渠成。同時通過模型的重構(gòu)過程，學(xué)生不難得出這樣的結(jié)論：原電池的負極可不與電解質(zhì)溶液接觸反應(yīng)，只需存在氧化還原反應(yīng)即可，并且不直接接觸電流更穩(wěn)定。學(xué)生的迷思概念得到轉(zhuǎn)變，對原電池概念的理解更為清晰。

化學(xué)史料：丹尼爾改良了伏打電堆，丹尼爾電池早期用于鐵路信號燈。

演示實驗：鋅—銅—硫酸銅單液原電池和雙液原電池電流對比。

原電池與數(shù)字電流表連接起來，先觀察雙液原電池電流表示數(shù)變化，再取出鹽橋，改用單液原電池觀察示數(shù)的變化。

現(xiàn)象：U 型管雙液電池的電流比較穩(wěn)定，但電流強度比單液原電池小得多。

情境4：如何讓音樂唱得持久又響亮？

生：鹽橋窄而長，不利于離子移動，電池內(nèi)阻大，縮短鹽橋，增加鹽橋?qū)挾取?/p>

教師結(jié)合學(xué)生想法介紹生活中實用的膜電池。

環(huán)節(jié)四：設(shè)計原電池——構(gòu)建燃料電池模型。

思考1：已知Fe3++2Fe=3Fe2+, 設(shè)計雙液原電池。

思考2：已知2I-+2Fe3+=2Fe2++I2，請設(shè)計一個雙液原電池。

思考1 旨在幫助學(xué)生形成設(shè)計雙液電池的一般思維模式——從單液到雙液；思考2 則是對學(xué)生認知的又一次沖擊，電解材料相同，電解質(zhì)溶液為互不接觸的FeCl3和KI 溶液。認知沖突促使原電池模型再次解構(gòu)，修正和進化。而這一原電池模型也成為學(xué)生理解燃料電池的基礎(chǔ)，學(xué)生思維進階。此時理解燃料電池、熔融鹽電池就水到渠成了。至此，學(xué)生深刻理解原電池本質(zhì)并得出構(gòu)成原電池的兩個必要條件：（1）氧化還原反應(yīng)（2）閉合回路。

化學(xué)史料：電池發(fā)展的前世今生。

學(xué)習(xí)過程的模型也正是歷史發(fā)展的模型，通過電池發(fā)展引領(lǐng)學(xué)生在模型進化過程中感受科學(xué)發(fā)展的價值與魅力。

四、結(jié)語

建構(gòu)主義理論要求我們在教學(xué)過程中對學(xué)生提出既不超出當前學(xué)生認知結(jié)構(gòu)的同化能力，又應(yīng)基于學(xué)生現(xiàn)有認知結(jié)構(gòu)，創(chuàng)設(shè)情境產(chǎn)生認知沖突，促使學(xué)生思維向更高階段發(fā)展。“錯誤會引起學(xué)生順化自己的認知結(jié)構(gòu)，并把所觀察到的結(jié)果同化到修正過了的認知結(jié)構(gòu)中去”。在本節(jié)課的學(xué)習(xí)過程中正是通過學(xué)生對原電池模型的不斷的認知沖突，修正、發(fā)展，擴展、優(yōu)化和完善了學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了學(xué)生對原電池概念的認知轉(zhuǎn)變，促進了學(xué)生思維的進階發(fā)展。