沈吉
浙江省宁波诺丁汉大学附属中学 315000
摘要：文章以“化学能与电能转化”教学内容为载体，基于认知模型构建流程，从宏观、微观、符号三个维度展开教学，以期望能够帮助学生构建原电池的认知模型，并发展学生的核心素养。
关键词：认知模型；三重表征；原电池
高中化学核心素养中将“证据推理与模型认知”作为一个维度专门表述，说明了“证据推理与模型认知”对于培养学生关键能力的重要性。其中，模型认知是指对研究的物质及其变化等方面的问题提出假设，根据观察和实验得到的信息，通过抽象和模型思维，用简化的、形象化的模型，再现物质及其变化的本质、内在特性和一般规律，并通过实验验证来完善模型。
1 模型建立
化学是在原子、分子水平上研究物质性质及其变化的自然科学，原子、分子不可见，化学客观规律、物质性质及其变化解释也十分抽象，因此化学研究者往往需要通过建构模型加以认知和把握。化学模型是认识物质、改造物质和应用物质过程中体现出的具有化学学科特征的具体或抽象的表征[1]。
根据台湾学者邱美虹[2]提出的的建模的过程，分为四个阶段，分别为：第一阶段模型发展阶段，包括模型的选择与建立；第二阶段为模型精细化阶段，包括模型的分析；第三阶段为模型迁移阶段，包括模型的应用与调度；第四阶段为模型重建阶段，包括模型的修正和模型的转换。当前所建立的模型无法有效得解释数据关系时，模型失效。这时候需要重新建立模型，再进行上述过程。邱美虹教授提出的建模历程如图1所示：
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图1 认知模型建构过程
2 三重表征
化学是作为一门在原子、分子水平上研究物质性质的学科，学习的过程中涉及到宏观、微观、符号等多重维度，化学模型的建立也势必需要结合宏观、微观、符号这三重表征。宏观表征是指物质在物理和化学变化中表现出来的、可以直接观察到的宏观现象在学习者头脑中的反映；微观表征主要是指有关物质的微观组成和结构、微观粒子的运动及相互作用等微观属性在学习者头脑中的反映；符号表征主要是指由拉丁文或英文字母组成的符号和图形符号在学习者头脑中的反映。
3 基于三重表征构建化学认知模型的教学设计
对于学生逐步发展模型认知的素养要求，普通高中化学课程标准[3]提出：对模型和原型的关系进行评价以改进模型，对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应的模型，能选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题。台湾邱美虹教授提出的建模过程为本文提供构建化学认知模型的步骤，而三重表征则为化学建模提供了方法与维度。因此，本节课以苏教版必修2中《化学能转化为电能》为例，教学主线为：基于三重表征，利用实验获得原型，建构相应原电池认知模型，并在解释现象和解决问题的过程中逐步完善模型。
学生活动一：实验探究，构建模型
【学生实验1】把锌、铜、插入盛有稀硫酸烧杯中，用导线把锌片和铜片连接起来，在导线中间连接一个灵敏电流计观察现象。
【教师】锌片是否参加了反应呢？铜片是否参加反应？铜片上气泡如何产生？这个装置如何发电的呢（装置内电子、离子的迁移方向）？你能否写出在锌片、铜片上分别发生反应方程式？
【学生】学生书写方程式，学生互评，并形成原电池认知模型1。
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图2 原电池认知模型1
设计意图：以锌铜-稀硫酸原电池为例，从原电池原电池中电子、离子的迁移方向、电流的形成。构建经典铜锌原电池的认知模型1。
学生活动二：分析讨论，细化模型
【教师】这个装置可以将化学能转化为电能，称为原电池，就相当于生活中的电池，那么请问怎么确定电池的负极呢？铜锌原电池的负极是铜片还是锌片呢？
【学生】电子从锌片流出，为负极；电子从铜片流入，为正极。
【教师】铜锌原电池主要由电极、电解质溶液、导线这三个部分构成。那么，铜片、锌片的作用是？导线和电解质溶液的作用是？
【学生】学生讨论，并完善模型，形成原电池认知模型2。
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图3 原电池认知模型2
设计意图：从原电池的宏观装置（电极、电解质溶液、导线）、能量转化以及微观反应等角度，细化铜锌原电池模型。构建经典铜锌原电池的认知模型2。
学生活动三：模型迁移，设计原电池
【教师】在铜锌原电池中，同学们观察到电流，但是电流持续时间不长。小组讨论思考原因。
【学生】可能锌片与硫酸直接接触反应，化学能转化为热能。
【教师】根据2H2+O2=2H2O反应，设计一种“分开反应”、高效、清洁的原电池。
【学生】小组合作，学生展示互评设计。
【演示实验】参照图4实验装置（多孔碳棒电极由电池拆解得到）但电解溶液用2mol/L NaOH溶液，电源用16V直流电源。按下开关S1，接通电源，电解约半分钟，碳棒上产生明显气泡。断开开关S1，按下开关S2，接通电源，灵敏电流计发生偏转。
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图4氢氧燃料电池改进装置图
【教师】如果氧气和氢气直接接触反应，还能发电吗？请判断两碳棒的正负极，书写电极反应式，并说明该电池中电子、离子的迁移方向。
设计意图：学生通过调度原电池认知模型2，设计氢氧燃料电池，实现模型的迁移应用。
学生活动四：联系生活，修正模型
【资料】2018年5月，李克强总理相隔26年访问日本，在北海道参观了丰田汽车工厂，在一辆名为“MIRAI”的蔚蓝色轿车面前驻足良久，这辆车就是丰田公司的氢能源汽车。它是通过氢氧燃料电池发电并驱动发动机运转。这辆汽车加氢气三分钟，却能行驶650公里，更为重要的是在行驶过程中只排水，不排尾气，实现了完全的零排放。
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图5 原电池通用认知模型
设计意图：学生通过小组讨论分析，进一步认识原电池的本质特征、构成要素和工作原理，建立并逐步完善原电池通用认知模型，并能运用模型解释生活和生产中的电化学现象，在实际应用中深化理解。从探究实验、构建认知模型的过程，反映了理论知识学习的科学路径。
5 结语
科学研究是以问题解决为源头和归宿的，科学学习也是如此。模型的建构可以使对象直观化和简化，便于今后的学习。本文以最简单的铜锌原电池为原型，建构初始原电池模型，并且深入探讨原电池构成的本质要素。随后以应用最为广泛的氢氧燃料电池为例，进一步细化和修正原电池模型，形成原电池的通用模型，并且运用到以后的实际问题的解决中，这也是发生学生核心素养的需要。
参考文献：
[1]张新法.利用模型建构促进学生化学学习[J].化学教学，2017(05):24-28.
[2]邱美虹, 钟建坪.模型观点在化学教科书中的角色与对化学教学之启示[J]. 化学教学，2014(01):3-6.
[3]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准[S].北京: 人民教育出版社，2018.