丁汉英
浙江绍兴市嵊州市马寅初中学 312400
摘要: 培养学生化学学科核心素养是化学教育的核心目标。秉承这一理念，在高中化学必修课程“原电池”的教学中，设计了基于“证据推理与模型认知”发展的原电池工作原理教学。通过实验加以证实，利用电流计佐证电子的迁移、电势传感器探知电势差，应用微粒观和平衡观分析离子的定向移动，聚焦学科知识本质，抽丝剥茧地引导学生从原理、装置、过程等角度分析和把握原电池的本质特征、构成要素及其相互关系，进而建构原电池工作原理一般模型，为解决原电池问题提供一般思路和方法，有利于促进学生“模型认知”素养的发展。
关键词： 核心素养 证据推理 模型认知 原电池 教学设计
一、高中化学学科核心素养
《中国学生发展核心素养》认为核心素养是“学生应具备的，能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力”。[1]高中化学学科核心素养是学生发展核心素养的重要组成部分。“普通高中化学学科核心素养”提出“宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任”等五个维度的素养。“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”要求学生形成化学学科的思想和方法；“科学探究与创新意识”从实践层面激励学生勇于创新；“科学态度与社会责任”进一步揭示了化学学习更高层次的价值追求。[2]
教学设计是联结教育理念与教学实践的纽带，良好的教学设计是教师成功进行课堂教学的基础和保障。基于此，以高中化学核心主题“原电池”为例，笔者进行“证据推理与模型认知”核心素养指导下的化学教学设计研究。
二、“原电池”教学知识价值分析
1、学情分析
从课程内容的设置来看，“原电池”主题是高中化学必修课程“化学反应与能量转化”模块的重要内容，该部分内容既是对前面氧化还原反应和物理电学相关知识的应用、拓展和提升，又是后续选修课程深入学习电化学相关知识的必备基础，具有承前启后的重要作用。但是原电池这一概念第一次接触，并且物理电学知识与化学氧化还原反应知识相结合升华到应用层面，对学生来说是一个非常大的挑战。高中生对化学反应与能量变化的认识和理解程度尚比较浅显，将的学习思维和学习能力有待加强；对原电池的构造和工作原理缺乏系统性的认识，对模型认知和实验创新能力还没有得到系统训练，因此学生对电化学这个抽象的原理课，很容易产生深奥畏难情绪。基于此，在教学中，要克服理论性知识枯燥教学，通过微观探析、证据推理、模型解析、模型应用等方式帮助引导学生进行深层次的理解与建构。
2、“证据推理与模型认知”素养的内涵
“证据推理与模型认知”是化学核心素养的思维核心，其内涵具体是指：①具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设；②通过分析推理加以证实或证伪；③建立观点、结论和证据之间的逻辑关系；④知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型；⑤能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。[2]作为课堂教学实践者的教师，如何将上述五个方面的内涵付诸于具体的教学行为呢？笔者认为五个不同内涵分别对应了五种不同意识（如图1），五个不同意识分别对应了五种不同的培育目标，即学会假设、学会求证、学会分析、学会预测、学会问题解决。
本课原电池教学设计就是基于“证据推理与模型认知”素养的内涵和培育目标而设计的。
通过水果电池激发学生的兴趣，提出假设，用实验加以求证。应用电流计证实电子的移动，手持技术——电势传感器证明正负极间存在电势差，用高锰酸钾实验证明离子的移动，以及微粒观、平衡观分析离子移动的原因是平衡电荷。应用控制变量法探究原电池形成的条件，最后总结归纳原电池工作原理模型指导科学应用，为今后电化学学习奠定良好的基础。
三、“化学能转变成电能”教学设计
1、创设情境，提出问题和假设
[情境引入]老师展示一张音乐贺卡，打开后发出悦耳的《生日快乐》乐曲。
撤开纽扣电池,大家有没有办法让音乐贺卡重新响起来呢？
[师]网上有这么一个传说，让几百个柠檬给苹果手机充电。这水果到底能否提供电能呢？实验是检验整理的唯一标准，请大家用桌子上提供的仪器和药品，模仿图2组装成电路，观察是否有电流通过。（激发学生强烈的求知和探究的欲望）
【学生分组实验】
【提出质疑】为什么有的电池能产生电流，有的不能，这电池的形成跟哪些因素有关系呢?
设计意图：通过学生实验的成功与失败，勾起学生强烈的好奇心和求知欲，为后面的探究埋下伏笔。
2、证据推理，探究原理，解释疑问
创设渐进式问题情境，抽丝剥茧，探究原电池原理的工作原理。
【片段一】探究原电池的电子的移动
[实验1]锌片铜片分别平行插入稀硫酸中，有何现象？写出离子方程式。
[学生]锌片上有气泡，铜片上无气泡。Zn + 2H+= Zn2++ H2
[师]这个反应的本质是什么？能量如何转化？
[学生]氧化还原反应。锌失电子，氢得电子。化学能转化热能.
[师]我们能否将化学能转化为电能？
[实验2]锌片铜片用导线连接后插入稀硫酸中，有何现象？与实验1有何不同点？
[生]实验1气泡在锌片表面，实验2气泡在铜片上。
[师]氢在铜片上得电子，电子哪儿来？提出你的假设并证明。
[生]可以用电流计检测。
[实验3]锌片铜片用导线连接后插入稀硫酸中，导线间接一电流计。
[生]锌片溶解，铜片上有气泡，电流计指针偏向铜电极。有电流产生，化学能转变成电能。
[师]动画演示。追问什么样的反应才有电子转移？
[生]氧化还原反应。
[师]因此，原电池构成的条件是必需有自发的氧化还原反应，这就是刚才第1,4组同学实验失败的原因。其余几组都能发生锌与水果中的有机酸的氧化还原反应。
设计意图：通过对比实验发现反常现象，造成认知冲突，激发探究欲望。通过电流计指针偏转这一事实证据证明化学能转化为电能。并从动画演示说明得失电子情况，完成从现象到本质的转变。
【片段二】探究原电池的离子的定向移动
[师]锌-铜-硫酸原电池中锌失电子，电子经过导线流向铜电极。导线中检测到电流，溶液中有无电流通过？ 有无电子通过？ 其流向是怎样的？
［学生］ 溶液中无电子通过。
[师]金属导电靠电子的定向移动，溶液导电靠什么呢？怎么移动？
[生]溶液中导电靠离子作定向运动。H ＋向铜极运动得电子。
[师]离子移动有何规律？如何证明呢？
[实验] 锌-铜-硫酸原电池中滴加KMnO4，观察到紫红色的MnO4-（阴离子）向锌极（负极）移动。
[结论]溶液中有离子的定向移动，阳离子移向正极，阴离子移向负极。
[追问]为什么会这么移动，请从微粒变化观、电荷平衡观角度思考分析？
[生]锌电极失去电子生成锌离子，溶液中正电荷越来越多，铜电极氢离子得电子，溶液中的额阴离子过剩，负电荷越来越多。因此，阳离子(H+)移向正极，阴离子（SO42-）移向负极达到平衡两极电荷的目的。
设计意图：通过滴加高锰酸钾用实验事实证明离子的定向移动，用微观探析和平衡观念从本质上解释离子移动的原因。以此发展了学生宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想，证据推理等核心素养。
【片段三】探究原电池的正负极
根据3、5、6三组实验证明这三个装置可以作为电源装置，哪个是电源的正极，哪个是负极？
[实验]锌-铜-硫酸装置中接电流表，电流表指针发生偏转，铜片表面上有气泡。
[对比实验]干电池与电流表连接，接通电流后指针发生偏转。指针偏向正极。
[信息提示]根据物理电学知识，指针偏向哪里哪端就是正极。电流从正极流出，流向负极，电子从负极流出流向正极。
[生]锌-铜-硫酸原电池锌为电源的负极，铜为正极。电子从锌经过导线流向铜极。
【片段四】探究原电池的构成条件
[师]那为什么有些组能发生氧化还原反应但却不能构成原电池呢？对照刚才的6组实验，讨论原电池的构成可能与哪些因素有关呢？
[生]电极，溶液
[探究1]不同电极对原电池影响的本质原因
[信息提示]电极电势差形成电压。利用手持技术——电势传感器测以下几组电池的电势。
[实验方法]控制单一变量法，一次只改变一个实验变量。
第一组探究电极材料
①②有电极电势差，有电流通过。③④因电极材料相同，没有电势差，不能获得电流。
结论：原电池形成的条件之一：两个正负极与介质构成后能形成电势差，一般两个电极的活泼性要不同，才能实现电子的定向转移，形成电流。
第二组探究溶液介质
②④有电流通过，③无电流通过。因为③中的酒精是非电解质，溶液中不能实现离子的定向移动。
结论：原电池形成的条件之二：介质要有电解质，要有离子的定向移动。
【归纳总结】原电池构成条件：
外因： ① 两个不同的电极 （金属＋金属，金属＋石墨）
活动性大 → 负极：本身失电子
活动性小 → 正极：溶液中的微粒得电子
② 电解质溶液
③ 闭合回路
内因： ④ 发生氧化还原反应
3、模型应用，概括整合，提升素养
[建立模型] 根据你对原电池装置和原理两个维度的认识，请你画出原电池的认识模型。
【设计意图】：完善学生的知识构架，从“宏观——微观——符号”的表征来建立原电池的的模型，实现从宏观辨识-微观探析的思维升华，揭示了从现象到本质的联系。模型的建构重点在于科学的应用，去解决实际的问题，并为今后电化学的学习打下坚实的基础。
[升华]利用原电池模型解决钢铁的电化学腐蚀问题，分析氢氧燃料电池的工作原理，尝试设计水果电池。培养学生应用模型分析和解决实际问题的能力以及严谨求实、勇于探索的科学态度和科学精神。
[模型修正] 模型的建立决不能教条化、绝对化的判断。以下几个问题值得关注。
（1）原电池反应必须是自发的氧化还原反应。但不一定是负极活泼金属与介质间的反应。如：钢铁的吸氧腐蚀不是铁与水的反应，而是铁被溶解氧氧化。
（2）电极材料不一定是活泼性不同的两极，如氢氧燃料电池，可以两极都是多孔碳棒。
（3）活泼的一极不一定是负极，与介质有关系。如Mg-Al-硫酸原电池镁更活泼镁是负极，而Mg-Al-氢氧化钠溶液原电池中铝与氢氧化钠溶液自发反应，铝是负极。
在原电池工作原理的基础之上我们已经发展并形成了各种性能优异的新型电池，如石墨烯电池等。虽然技术还没有完全成熟，但是和传统电池相比较，它们的续航能力更强对环境更加友好。这也是我们未来电池发展的方向。
四、教学反思
作为化学核心素养中的“证据推理与模型认知”，其目标指向是通过探究活动帮助学生树立独立分析的意识，提高依据目标设计实验的能力以及依据物质变化的内在规律做出模型假设与模型构建的能力，帮助学生建立解决化学问题的基本框架，由此实现“从化学的视角认识事物和解决问题的思想、方法、观点”的化学学科价值。上述关于“原电池”教学的处理，其目的在于深刻挖掘教材内在的价值，让学生形成学科观念而不仅仅是学科知识，为学生真正架构起独特的认识物质世界的视角（以能量变化认识原电池）和完善的理性思维的结构（即从微观角度深刻认识化学变化），从而形成基本的化学观念。
“模型认知”是化学核心素养的重要组成部分，是其中的思维核心。通过对复杂化学问
题情境中的关键要素及其相互关系的梳理，引领学生追溯相关的知识本体并提取核心要点而构建模型，有利于增进学生对知识本质的理解，为解决复杂问题提供思考框架，形成解决问题的一般思路和方法，完善学生的认知结构。本节课中关于原电池模型的构建过程体现了学生对原电池的认识发展过程。铜锌原电池提供了负极材料与电解质溶液反应的原电池基础模型，而借助氢氧燃料电池又纠正了学生对原电池的一些片面认识，修正已建立的基础模型并进一步从原理、装置两个维度完善分析原电池系统的认识角度，使学生对原电池的认识逐渐丰富和发展。学生既可以从电子的来源、电子的得失、电子和离子的移动等方面系统地分析原电池的整个工作过程；还可以利用已经建立的原电池模型，分析一些简单实用的电池并在实际问题的解决中检验学习成果。通过上述知识理解与应用的过程，学生的学科能力逐渐得到发展，素养也得以提升。
参考文献
[1] 余文森.核心素养的教学意义及其培育[J].今日教育，2016，（3）：11~14
[2] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018
[3] 顾建辛. 关于化学核心素养培育的微观思考——原电池教学中的“证据推理与模型认知”.化学教学.2017(11):34-38
[4] 基于化学学科核心素养中的“证据推理”素养的培养——以“研究氯气性质”教学为例.化学教与学。2018（10）：12-15