張抗抗

[摘? ?要]以諾貝爾化學獎的社會熱點為背景，以化學電源的史實為探索主線，圍繞能源利用率和綠色化學的學科思想進行任務驅動式教學，利用化學理論知識解決生活情境問題，有效地將化學史、科學哲學思想與社會影響的三重交互關系呈現(xiàn)給學生，使學生體會化學發(fā)展的過程和方法，感受化學學科的發(fā)展成就。

[關鍵詞]核心素養(yǎng);HSP;化學電源;教學設計

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）26-0063-04

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出五大核心素養(yǎng)：宏觀辨識與微觀探析，變化觀念與平衡思想，證據(jù)推理與模型認知，科學探究與創(chuàng)新意識，科學精神與社會責任。化學學科核心素養(yǎng)的提出讓化學史實在化學教學中承載了更多的作用與意義。圍繞HSP（History，Philosophy and Sociology of Science）進行的教學可以促進學生對科學本質的理解。但在教學中，史實不是孤立的，史實之間體現(xiàn)著推理的思想，史實與史實串成的歷史線就是科學家探索世界的思想線，同時，史實是為教學內(nèi)容和教學目標服務的，要能融合進教學內(nèi)容，發(fā)揮其重要價值。因此，在《化學電源》一課的教學設計中注重化學史的連貫性，以電源的發(fā)展史為主線，讓學生體驗科學家探索的歷程，同時結合生活情境，落實本節(jié)課的知識內(nèi)容，感受科學探索以及經(jīng)濟生活雙方面的影響對科技發(fā)展的推動作用，促進學生高階思維的建立，發(fā)展學生的模型建構能力以及“科學精神與社會責任”的核心素養(yǎng)。

一、教學設計

1.教材分析

《化學電源》選自人教版教材選修4第四章第二節(jié)。縱向看，從必修1的單液原電池引出原電池工作原理，初步介紹化學電源，到選修4的雙液、膜電池，深入分析化學電源，原電池知識呈螺旋上升。橫向看，化學電源是第一節(jié)原電池模型的應用，是第三節(jié)建立電解池模型的鋪墊，起著承上啟下的作用。

2.基于核心素養(yǎng)的教學評一體化設計（見表1）

3.教學流程（見圖1）

二、教學過程

1.環(huán)節(jié)一：聚焦社會熱點，初識諾貝爾鋰離子電池，初探化學電源

導語：2019年10月9日諾貝爾化學獎頒給了三位科學家，約翰·B·古迪納夫、M·斯坦利·威廷漢、吉野彰，以表彰他們在鋰離子電池發(fā)展上所做的貢獻，瑞典皇家科學院稱“他們創(chuàng)造出了一個可充電的世界”。那為什么諾貝爾化學獎會頒發(fā)給鋰離子電池研究者？鋰離子電池對我們的生活究竟有何重要意義？它的工作原理是什么？讓我們一起走進電池的世界！

師：這張表（見表2）是生1課前搜集的電池信息，請大家對這些電池進行分類，并說明分類的標準是什么。

生2：一次電池是一次性電池，放電之后不能充電;二次電池可以通過充電恢復到放電前的狀態(tài)。

設計意圖：通過諾貝爾化學獎授予鋰離子電池研究者的科學熱點引課，使得學生感受到化學應用于科技的實際意義，并落實學習任務——對生活電池進行分類，體現(xiàn)化學學科的分類觀。

2.環(huán)節(jié)二：基于化學史的原電池模型應用

【任務1】從微觀角度分析解釋5號“南孚”電池即堿性鋅錳電池的放電原理，并用符號語言表達電極反應。

生3：負極：Zn - 2e-=Zn2+;正極：Zn2++2MnO2 + 2H2O + 2e- = 2MnOOH + Zn（OH）2 。

師：你判斷正負極的依據(jù)是什么？為什么選擇先寫負極？

生4：因為原電池發(fā)生的是氧化還原反應，我先畫雙線橋，再依據(jù)得失電子判斷電池的正負極。負極是金屬單質時更容易判斷和書寫，用總方程減去一極的電極反應就是另一極的電極反應。

生5：負極電極反應書寫不正確，這是堿性環(huán)境，鋅離子要以沉淀的形式析出。

師：現(xiàn)在請大家重新整理兩極的電極反應，以小組為單位，總結概括書寫電極反應的一般思路。

生6：Zn + 2OH- - 2e- = Zn（OH）2 ;2MnO2 + 2H2O +2e-=2MnOOH + 2OH- 。

第一步，在總方程中標雙線橋——判斷正、負極;

第二步，書寫好寫的一極電極反應——考慮環(huán)境條件;

第三步，用總方程減去一極的電極反應得到另外一極的電極反應。

生7：我補充，第四步為通過加和進行驗證（三大守恒）。

師：一次電池在使用過程中有何局限性？

生8：一次電池使用時間短，污染嚴重。

設計意圖：利用最簡單的堿性鋅錳電池建立陌生電池電極反應的一般書寫模型，利用小組討論促進學生間的交流與協(xié)助，有助于課堂教學環(huán)節(jié)的過程性評價。

【任務2】從補充反應物和移除生成物的角度設計容器，并應用原電池模型和電極反應書寫的一般方法繪制氫氧燃料電池微觀圖像。

生9：因為有兩種燃料，原電池原理就是讓氧化反應和還原反應分開，以教室作為比擬，氫氣從前門的口進，氧氣從后門的口進，兩種氣體分別有自己的產(chǎn)物，因此在另一側分別有兩個出口（如圖2）。我們小組設計是酸性條件下的氫氧燃料電池。

生10：原電池中原料的消耗會使得電勢差減小，所以需要半透膜。

師：恭喜大家，你們和科學家葛洛夫想的一樣。1839年，英國科學家葛洛夫證明了氫氧燃料電池的原理;1948年，葛洛夫制備出第一個氫氧燃料電池。（見圖3）

師：從反應方向的角度來看，某一方向放電，另一個方向充電。1859年，Plante設計鉛蓄電池，1895年，Junger設計鎳鎘充電電池。

【任務3】根據(jù)學生的采訪視頻——洗車房員工介紹給沒有電的汽車電瓶充電的工作經(jīng)驗，讓學生分組利用所學知識對充電過程進行合理的理論解釋。

生11：因為是充電，與放電方向相反，但電極反應的書寫思路一致。充電負極（陰極）：PbSO4+ 2e-=Pb + SO42-;充電正極（陽極）：PbSO4 - 2e-+ 2H2O=PbO2 + 4H+ + SO42-。

師：氫氧燃料電池和鉛蓄電池有何局限性？

生12：氫氧燃料電池需要不斷補充原料，原料罐體積大，不便捷;鉛蓄電池容量不夠大，鉛不環(huán)保。

播放視頻（二識諾貝爾鋰離子電池）：2019年諾貝爾化學獎鋰離子電池發(fā)展，展示鋰離子電池的發(fā)展線（如圖4）。

設計意圖：從成本和操作上模擬科學家解決問題的過程，引導學生挖掘問題本質，既體現(xiàn)創(chuàng)新精神，又能讓學生經(jīng)歷科學家的思考歷程，感受科學研究之趣味及社會發(fā)展的無形力量。課后學生體驗生活，在采訪中感悟知識的應用價值以及利用科學知識辨識生活本質的成就，體現(xiàn)“科學精神與社會責任”的核心素養(yǎng)。

【任務4】根據(jù)鋰離子電池圖示信息，寫出鋰離子電池充電的總反應式。

生13：因為圖示信息給出了兩極的電極反應，可根據(jù)得失電子判斷正負極，并將兩極的電極反應加和，由此可得充電電池的總反應式：LiCoO2+C6 = Li（1-x）CoO2+LixC6。

師：從干電池到燃料電池、鉛蓄電池，再到鋰離子電池，評判電池的優(yōu)劣有什么標準？

生14：體積小，攜帶便捷，耐用，環(huán)保。

師：評判電池耐用的標準是什么？

生15：查閱資料發(fā)現(xiàn)可依據(jù)能量密度來判斷，即參與電極反應的單位質量的電極材料放出電能的大小。從表1中看到，充電鋰離子電池能量密度較大，能量利用效率更高。

師：沿著化學電源發(fā)展的印跡，大家能從化學學科角度總結出電池的研究需要考量哪些方面嗎？

生16：能量利用效率和綠色化學。

設計意圖：從具體到一般進行方法的總結，接著落實到應用，通過小組互評總結概括判斷電池優(yōu)劣的標準，同時審視電池發(fā)展史。

3.環(huán)節(jié)三：回顧電源發(fā)展線，三識諾貝爾鋰離子電池，展望未來

師：諾貝爾化學獎得主99歲的Goodenough提出全固體電池新構想并表示：在毀滅性的能源危機和環(huán)境問題來臨前，我們還有30年的時間研發(fā)新電池并使之商業(yè)化，這就是我去世前要做的事情——留下一個更清潔、更美好的世界！這個艱巨的任務，必然是由大家一起堅守。

設計意圖：回歸鋰離子電池，以電池評判標準為參照，以電池發(fā)展史為鑒，尋找新電池的發(fā)展基點，展望未來，再一次體現(xiàn)“科學精神與社會責任”化學學科核心素養(yǎng)。

三、課堂小結

本課的教學設計有三個亮點：聚焦學科熱點;基于化學史、科學哲學思想、社會影響與原電池模型相整合;注重學生評價。從環(huán)節(jié)評價量表看，學生對原電池模型的應用逐漸清晰明了（見表3和圖5）。

反思：

（1） 對電池分類時，如果告知生活通俗名稱（如干電池、電動車電瓶、手機電池等），學生能馬上進行分類，但是當轉換成化學專業(yè)名詞時學生就不能及時反饋;課下作業(yè)中如果通過生活情境“用一輛汽車的電瓶給另一輛車的電瓶充電，請用圖示（從電子導體、離子導體、電極、電極反應幾個角度）描述微觀原理”來提出要求，學生表達的正確率只有1.85%（如圖6），當語言改成“用一個充滿電的鉛蓄電池給另一個沒有電的鉛蓄電池充電”時，正確率達40.74%（如圖6），說明通過轉化化學學科知識來理解生活應用不是一節(jié)課就能夠完成的，同時，將微觀原理與宏觀現(xiàn)象結合并能用圖像表征對學生來說也是極大的挑戰(zhàn)，需要長時間的培養(yǎng)。

（2）從課堂反應來看，學生在設計氫氧燃料電池時有很大障礙，小組內(nèi)基本是由個別學生設計成型后其他學生才能領會設計意圖，所以在不同層次學生中，設計活動的水平層次（開放度）也不一樣。本班采用的是“提供思路+設計”模式;另一個班采用的是“提供方案理解+思路提煉”模式。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 何森彪，吳文中. 基于化學史實組織教學 促進學生科學素養(yǎng)發(fā)展：以學生深度學習原電池原理為例[J]. 化學教與學，2017（4）：36-39.

[2]? 史凡，王磊. 促進學生學科能力發(fā)展的高一原電池教學關鍵策略[J]. 化學教育，2018（1）：19-26.

[3]? 張青揚，張括志. 掌控電能 綠色出行：基于培育學科核心素養(yǎng)的“電化學”復習教學設計[J]. 中學化學教學參考，2018（Z1）：15-17.

[4]? 王燦. 化學史中的科學發(fā)展觀：以“化學電源”教學設計為例[J]. 化學教學，2014（8）：31-34.

（責任編輯 羅 艷）