摘 要：本文以促進學(xué)生認(rèn)識發(fā)展為目標(biāo)，聚焦“化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化”這一核心問題，通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟知的真實情境引發(fā)認(rèn)知沖突，再通過不同能力水平的學(xué)習(xí)活動，建立對“化學(xué)反應(yīng)與電能”的認(rèn)識視角，形成設(shè)計原電池裝置的一般思路與方法，培養(yǎng)“化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的變化伴隨著能量的變化，能量可以相互轉(zhuǎn)化”的核心觀念，以達(dá)到從“知識”向“認(rèn)識”的轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：認(rèn)識發(fā)展；化學(xué)反應(yīng)與電能；教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-0546（2024）11-0019-05

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

1. 教學(xué)主題內(nèi)容分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《新課標(biāo)》）對“化學(xué)反應(yīng)與電能”的內(nèi)容要求是：認(rèn)識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實際意義及其重要應(yīng)用。了解原電池及常見化學(xué)電源的工作原理。了解電解池的工作原理，認(rèn)識電解在實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和儲存能量中的具體應(yīng)用。了解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)，知道金屬腐蝕的危害，了解防止金屬腐蝕的措施。［1］

通過對《新課標(biāo)》內(nèi)容要求的分析可知，本課教學(xué)要求學(xué)生建立對“化學(xué)反應(yīng)與電能”的認(rèn)識視角：①從原理角度，認(rèn)識氧化還原反應(yīng)是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的前提和本質(zhì)。②從能量角度，認(rèn)識化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能。③從實際出發(fā)，認(rèn)識原電池裝置可以實現(xiàn)化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化。

2. 教學(xué)現(xiàn)狀分析

在本課的教學(xué)中，教師常用的教學(xué)方式是根據(jù)教科書內(nèi)容直接呈現(xiàn)“銅鋅原電池”裝置并進行演示實驗，通過討論電流表偏轉(zhuǎn)背后的微觀本質(zhì)，得出原電池裝置模型，再進行原電池構(gòu)成要素的歸納總結(jié)。在這樣的教學(xué)中，學(xué)生“被動接收”相關(guān)知識，缺乏認(rèn)知沖突的產(chǎn)生和知識的自主構(gòu)建。學(xué)生的學(xué)習(xí)多停留于得出結(jié)論性知識的層面，而未深入學(xué)科本質(zhì)去理解原電池裝置作用的原理，不能充分發(fā)揮知識的認(rèn)識功能，容易形成迷思概念。

二、促進學(xué)生認(rèn)識發(fā)展的教學(xué)設(shè)計思路

《新課標(biāo)》指出，化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的組織，應(yīng)有利于促進學(xué)生從學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科知識向發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。學(xué)生能在真實情境中利用所學(xué)知識解決實際問題是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地的重要體現(xiàn)。這就需要學(xué)生對化學(xué)學(xué)科乃至客觀世界的認(rèn)識不斷發(fā)展，充分發(fā)揮知識的認(rèn)識功能，從而由“知識”向“認(rèn)識”轉(zhuǎn)化。促進學(xué)生認(rèn)識發(fā)展的教學(xué)是將科學(xué)知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生科學(xué)認(rèn)識的教學(xué)［2］，基于該教學(xué)理念和當(dāng)下的教學(xué)現(xiàn)狀，筆者以“化學(xué)反應(yīng)與電能”為主題，結(jié)合案例探討促進學(xué)生認(rèn)識發(fā)展的教學(xué)策略。

促進學(xué)生認(rèn)識發(fā)展的教學(xué)是基于過程的教學(xué)，要關(guān)注學(xué)生從已有認(rèn)識到新認(rèn)識的發(fā)展路徑，創(chuàng)設(shè)能夠激發(fā)學(xué)生已有認(rèn)識的問題情境，在問題情境中產(chǎn)生認(rèn)知沖突，通過驅(qū)動性問題和活動的設(shè)計推動新認(rèn)識的構(gòu)建，從而促進學(xué)生認(rèn)識發(fā)展。

筆者參考胡久華等［3］提出的促進學(xué)生認(rèn)識素養(yǎng)發(fā)展的化學(xué)教學(xué)設(shè)計程序與教學(xué)思路進行本次教學(xué)設(shè)計。首先，在學(xué)生熟悉的實驗情境中提出問題，形成認(rèn)知沖突（如在稀硫酸溶液中，銅片表面也產(chǎn)生氣泡），并將此認(rèn)知沖突作為探究方向，引出“化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化”這一核心問題，建構(gòu)原電池的認(rèn)知模型。其次，設(shè)計應(yīng)用實踐、遷移創(chuàng)新類的學(xué)習(xí)活動，學(xué)生通過分析類似原電池裝置的原理，并基于熟悉的反應(yīng)原理對裝置進行簡單設(shè)計，形成原電池裝置設(shè)計的一般思路與方法，建立氧化還原反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化之間的聯(lián)系，從而使“化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的變化伴隨著能量的變化，能量可以相互轉(zhuǎn)化”這一核心觀念不斷結(jié)構(gòu)化。最后，通過課后作業(yè)設(shè)計，在真實問題情境中逐步提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力，促進學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。三、教學(xué)目標(biāo)

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)如下。

（1）通過對鋅與稀硫酸反應(yīng)的再探究，從已有認(rèn)識出發(fā)，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，推動認(rèn)識發(fā)展，建構(gòu)原電池的概念，理解原電池的工作原理，診斷并發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

（2）通過對原電池形成條件的探究，培養(yǎng)科學(xué)探究的能力，建立控制變量的思想方法，發(fā)展歸納、演繹等學(xué)習(xí)能力。

（3）通過對原電池裝置的簡單設(shè)計，建立設(shè)計原電池的一般思路與方法，診斷并發(fā)展對原電池認(rèn)知模型的理解和應(yīng)用水平。

四、教學(xué)流程

筆者基于教學(xué)設(shè)計思路，設(shè)置了“提出問題”“建構(gòu)概念”“類比遷移”“簡單設(shè)計”和“應(yīng)用展望”五個環(huán)節(jié)，并據(jù)此展開教學(xué)，具體教學(xué)流程如表1所示。

五、教學(xué)實錄

1. 提出問題

［教師］大家有沒有思考過一個問題：燃油汽車與電動汽車行駛過程中的機械能來自哪里？

［學(xué)生］燃油汽車的機械能來自燃料燃燒產(chǎn)生的熱能。電動汽車的機械能來自電能。

［教師］那電動汽車中的電能是如何產(chǎn)生的？

［學(xué)生］可能是電池裝置中物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化來的。

［教師］能量不可能憑空產(chǎn)生和消失，電動汽車中的電池就是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，本節(jié)課我們將探索電池的原理與設(shè)計。

［設(shè)計意圖］從生活情境出發(fā)，提出問題，激發(fā)學(xué)生的興趣與學(xué)習(xí)欲望。

2. 建構(gòu)概念

［教師］回憶一下，Zn和Cu能與稀硫酸反應(yīng)嗎？

［實驗活動1］將鋅片與銅片插入同一稀硫酸溶液，鋅片和銅片不接觸，實驗裝置如圖1所示。描述實驗現(xiàn)象，寫出Zn與稀硫酸反應(yīng)的離子方程式，標(biāo)出氧化劑和還原劑。

［學(xué)生］鋅片逐漸溶解，表面有氣泡產(chǎn)生，銅片表面無明顯現(xiàn)象。離子方程式：Zn＋2H＋Zn2＋＋H2↑。Zn是還原劑，H＋是氧化劑。

［過渡］教師在某次操作實驗1時，不小心將銅片和鋅片接觸在了一起，看到了令人意想不到的現(xiàn)象。下面讓我們一起來看看，如果用一條導(dǎo)線將銅片和鋅片連接到一起會產(chǎn)生什么現(xiàn)象。

［實驗活動2］將鋅片與銅片用導(dǎo)線相連，并插入稀硫酸溶液，實驗裝置如圖2所示。描述實驗現(xiàn)象。

［學(xué)生］銅片表面也產(chǎn)生氣泡。

［教師］銅片表面為什么會產(chǎn)生氣泡？銅參與反應(yīng)了嗎？

［學(xué)生］銅不可能參與反應(yīng)。

［引導(dǎo)］那銅片表面的氣泡是什么？從微觀角度進一步思考，氣泡是體系中的哪種微粒發(fā)生了什么樣的變化得來的？試著用離子方程式表示出來。

［學(xué)生］氣泡應(yīng)該是H2，體系中有H＋，H＋在銅片表面得到電子就生成了氫氣。離子方程式：2H＋＋2e－H2↑。

［追問1］電子來自哪里？

［學(xué)生］是鋅片給的。離子方程式：Zn－2e－Zn2＋。

［追問2］鋅片給出電子后，電子是如何到達(dá)銅片表面而被H＋ 得到的呢？可能的路徑有：通過導(dǎo)線，或者穿過溶液。

［學(xué)生］電子是沿著導(dǎo)線移動到銅片表面。

［追問3］你推測的依據(jù)是什么？

［學(xué)生］因為在實驗1中沒有看到銅片表面有氣泡，說明電子不能穿過溶液。

［教師］通過對比可以發(fā)現(xiàn)，實驗2的裝置比實驗1多了一條導(dǎo)線，導(dǎo)線將電子“引”到了銅片表面。

［追問4］那如何通過實驗驗證電子確實是通過了導(dǎo)線？

［學(xué)生］在銅片和鋅片中間接入一個電流表，如果電流表指針偏轉(zhuǎn)，說明產(chǎn)生了電流，而電流的產(chǎn)生恰恰說明電子發(fā)生了定向移動。

［教師］那現(xiàn)在讓我們一起來驗證一下大家的猜想。

［實驗活動3］在鋅片與銅片中間連接一個電流表，實驗裝置如圖3所示。觀察到電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

［追問5］既然銅沒參與反應(yīng)，那它起到了什么作用？為什么有了導(dǎo)線和銅片，電子就“自覺”地順著導(dǎo)線定向移動了？

［學(xué)生］銅片有導(dǎo)電作用，且銅的活潑性比鋅弱，與鋅片連接后產(chǎn)生了電勢差，從而導(dǎo)致電子定向移動。

［小結(jié)］上述裝置中產(chǎn)生了電勢差，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分開進行，進而“捕捉”到了電子，產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)了化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。這種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置叫做原電池。原電池工作原理的認(rèn)知模型如圖4所示。

［設(shè)計意圖］從學(xué)生已有知識出發(fā)，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，通過對宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)進行分析和符號表征，幫助學(xué)生建立原電池裝置的認(rèn)知模型，理解化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的本質(zhì)，通過推理論證活動發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3. 類比遷移

［教師］提供實驗藥品：鐵片、銅片、石墨棒、稀硫酸。

［學(xué)習(xí)活動］學(xué)生選擇電極和電解質(zhì)溶液組裝出類似“銅鋅原電池”的裝置，并預(yù)測其能否構(gòu)成原電池。

［成果展示］部分學(xué)生組裝出的原電池裝置和預(yù)測結(jié)果如表2所示。

［學(xué)習(xí)活動］以表2中裝置②為例解釋該裝置可能產(chǎn)生電流的原因并寫出電極反應(yīng)式。

［學(xué)生］鐵比碳活潑，用導(dǎo)線將鐵片和碳棒相連插入稀硫酸溶液中，產(chǎn)生了電勢差，鐵片失去電子，電子沿導(dǎo)線到達(dá)碳棒表面，溶液中的H＋ 在碳棒表面得到電子，產(chǎn)生氫氣。同時，溶液中的H＋移向碳棒，SO2－4移向鐵片，離子的定向移動形成電流。Fe電極反應(yīng)式為Fe－2e－Fe2＋，C電極反應(yīng)式為2H＋＋2e－H2↑。

［實驗活動4］學(xué)生根據(jù)表2中的實驗裝置分小組實施實驗、記錄現(xiàn)象，并與預(yù)測結(jié)果對比。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，除了裝置③以外，其他裝置的實驗結(jié)果均與表2中的預(yù)測結(jié)果一致。

［教師］電流表指針偏轉(zhuǎn)說明構(gòu)成了原電池，同學(xué)們大膽推測一下裝置③的正極和負(fù)極分別是什么？

［學(xué)生］負(fù)極是銅片，正極是碳棒。但原理上銅片不能和溶液中的H＋反應(yīng)，實驗中也未看到有氣泡產(chǎn)生。

［教師］我們一起來尋找氧化劑。H＋無法將銅片氧化，那么大家再觀察一下裝置③，該裝置是一個敞開體系，最可能與銅反應(yīng)的是什么？

［學(xué)生］空氣中的氧氣。

［教師］銅可以被空氣中的氧氣氧化，也就是銅被腐蝕，正是金屬的電化學(xué)腐蝕構(gòu)成了原電池。綜合以上實驗思考?xì)w納一下，什么樣的反應(yīng)能夠設(shè)計成原電池裝置？

［學(xué)生］氧化還原反應(yīng)。

［追問］是否所有的氧化還原反應(yīng)都能設(shè)計成原電池裝置。你的理由是什么？

［學(xué)生］放熱的氧化還原反應(yīng)才能設(shè)計成原電池裝置。因為要將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，這就要求反應(yīng)物的總能量比生成物總能量高，所以需要一個放熱的反應(yīng)才能完成。

［小結(jié)］在化學(xué)反應(yīng)中，物質(zhì)的變化伴隨著能量的變化，裝置的設(shè)計要從物質(zhì)和能量兩個角度綜合考慮。

［設(shè)計意圖］在控制變量思想的引導(dǎo)下，發(fā)展學(xué)生的有序思維，并將原電池認(rèn)知模型進行近遷移，歸納原電池構(gòu)成要素，從物質(zhì)和能量角度認(rèn)識原電池裝置。

4. 簡單設(shè)計

［實驗活動5］利用反應(yīng)Fe＋2Fe3＋3Fe2＋ 設(shè)計一個原電池裝置，畫出簡單的裝置示意圖，標(biāo)明所使用的用品。

［教師］提供用品：銅片、鋅片、鐵片、石墨棒、FeCl3溶液、FeCl2溶液、電流計、導(dǎo)線、燒杯。

［成果展示］學(xué)生設(shè)計的裝置圖如圖5所示。

［問題討論］分別對裝置進行評價，評選出最符合要求的設(shè)計。

［學(xué)生1］根據(jù)還原性強弱順序：Zn＞Fe＞Cu＞Fe2＋，裝置①中是鋅片作負(fù)極，反應(yīng)原理是Zn＋2Fe3＋2Fe2＋＋Zn2＋ ，該裝置不符合原理要求。

［學(xué)生2］裝置②中鐵片還原性更強，作負(fù)極，失去電子生成Fe2＋ ，但由于銅片（正極）直接與FeCl3溶液接觸，會發(fā)生反應(yīng)：Cu＋2Fe3＋2Fe2＋＋Cu2＋，導(dǎo)致化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為熱能，同時使Fe3＋濃度降低，影響其與Fe反應(yīng)。銅片應(yīng)該換成石墨棒，綜合考慮裝置③最佳。

［教師］總結(jié)設(shè)計原電池裝置的一般思路與方法，成果如圖6所示。

［設(shè)計意圖］通過對原電池裝置的簡單設(shè)計，對原電池認(rèn)知模型進行遠(yuǎn)遷移，形成設(shè)計原電池裝置的一般思路與方法。

5. 應(yīng)用展望

［課后作業(yè)］人們不僅利用氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的熱能為火箭升空提供動力，還利用氫氣、氧氣反應(yīng)設(shè)計電池為航天器供電。請為中國空間站航天器設(shè)計一套氫氧燃料電池裝置。材料自選，畫出簡單的裝置示意圖，標(biāo)明所使用的用品，并簡述基本原理。

［設(shè)計意圖］通過航空事業(yè)中氫氣與氧氣反應(yīng)能量的利用，體會化學(xué)反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化。設(shè)計氫氧燃料電池進一步深化對原電池原理和構(gòu)成要素的理解，對原電池裝置設(shè)計的一般思路與方法進行遷移應(yīng)用。

六、教學(xué)反思

1. 創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)已有認(rèn)知

要關(guān)注學(xué)生認(rèn)識發(fā)展的脈絡(luò)，首先要通過問題情境激發(fā)其已有認(rèn)知。本課例通過創(chuàng)設(shè)“燃油汽車與電動汽車”這一常見生活情境，迅速喚起學(xué)生的已有認(rèn)知，從能量角度建立認(rèn)識視角，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望；通過創(chuàng)設(shè)“鋅片和銅片與稀硫酸反應(yīng)”這一學(xué)生熟知的實驗情境，利用“反常”的實驗現(xiàn)象引發(fā)新的問題，充分發(fā)揮情境的“激思”和“激疑”作用，為推動學(xué)生的認(rèn)識發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2. 開展探究實驗，突破認(rèn)知障礙

實驗活動能讓學(xué)生切身體會到已有認(rèn)識的不足和障礙點，為新認(rèn)識的構(gòu)建提供證據(jù)。在本課例的教學(xué)過程中，通過“設(shè)計—預(yù)測—觀察—解釋”的完整探究過程，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維。同時，在實驗活動中，學(xué)生通過小組內(nèi)及小組間的表達(dá)、交流與評價，有效地突破了認(rèn)知障礙，最終形成完善的實驗設(shè)計方案，促進了有序思維的發(fā)展。

3. 進行深度對話，推動認(rèn)識發(fā)展

設(shè)計驅(qū)動性的問題和開展具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)活動可以實現(xiàn)師生及生生之間的深度對話，為學(xué)生的認(rèn)識發(fā)展提供有力載體。在本課例的教學(xué)中，教師通過驅(qū)動性問題設(shè)計讓學(xué)生在產(chǎn)生疑問到問題解決的過程中都保持著學(xué)習(xí)的主動性。通過不斷追問，啟發(fā)學(xué)生不斷自我反思與表達(dá)，在表達(dá)的過程中，通過多種評價手段不斷修正學(xué)生的已有認(rèn)識。

4. 建立認(rèn)識視角，助力素養(yǎng)培育

認(rèn)識視角的建立有助于促進學(xué)生學(xué)科觀念的建構(gòu)。在本課例教學(xué)中，教師不斷引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)、裝置與能量的角度建立對原電池模型的認(rèn)識，從學(xué)生熟知的金屬與硫酸的反應(yīng)以及裝置的組裝與解釋，到根據(jù)熟知的反應(yīng)設(shè)計裝置，再到燃燒反應(yīng)的應(yīng)用以及燃料電池的設(shè)計，最終達(dá)成陌生情境下的真實問題解決，實現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的培育。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020．

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［3］胡久華，王磊.促進學(xué)生認(rèn)識素養(yǎng)發(fā)展的化學(xué)教學(xué)［J］.教育科學(xué)研究，2010（3）：46-50．