基于实验探究促进学生化学深度学习

黄清辉　张贤金　吴新建

摘要：基于化学深度学习的已有研究和观点的分析，以高中化学鲁科版《化学2（必修）》“原电池的工作原理”为例，进行基于实验探究促进学生化学深度学习的教学设计及实施，最后对该教学设计及实施进行反思。

关键词：实验探究；原电池；概念原理；问题串；深度学习

文章编号：1008-0546（2016）06-0017-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.005

化学是一门以实验为基础的科学。传统的实验教学非常注重知识的传授，而忽视学生亲身体验及感受实验所获得的经验，这一方面导致学生缺乏实践和探究的机会，另一方面导致学生的分析解决问题和合作交流的能力得不到提升。新课程非常注重对学生科学素养的培养，而新课程理念的有效落实离不开实验探究[1]。为此，教师应该充分利用探究实验让学生完成“猜想——实验——发现——发展”的过程，有利于培养创造型人才并形成终身学习的意识和能力。本文拟以高中化学鲁科版《化学2（必修）》“原电池的工作原理”为例，探讨如何在实验探究中帮助学生去发现、体验、感知化学反应可以产生电能，最终对原电池的工作原理有深刻的理解，从而帮助学生实现化学深度学习。

一、化学深度学习的已有研究

深度学习是学习科学提出的一个重要的概念和理论。1976年，美国学者Ference MArton和Roger Salio首先提出了深度学习 （Deep Learning） 和浅层学习（Surface Learning）这两个相对应的有关学习的概念[2]。之后，国外的学者们对深度学习进行了大量的理论和实证研究。近年来，国内学者将深度学习理论引入国内，并进行了研究。然而，具体到化学学科目前有关化学深度学习的研究成果并不多见。张发新基于国内外学者对深度学习概念的界定的分析，认为深度学习的内涵包括几个方面：一是深入理解学科基本思想、学科基本思维及其结构的学习；二是深刻领会并掌握学科知识的符号意义、逻辑意义的学习；三是促进学生深化认识知识价值意义的学习[3]。刘岩和张发新认为化学教学中的深度学习具有五个主要特征：注重批判理解、强调知识整合、关注知识的建构、着意迁移运用、强调面向实践应用。他们认为，要实现化学教学中的深度学习要着重落实三个操作性核心要素，即真实、反思和迁移[4]。按照化学深度学习的已有研究和观点，我们以高中化学鲁科版《化学2（必修）》“原电池的工作原理”为例，进行教学设计并实施。

二、教学设计思路

简要的教学设计思路如下：创设情境（伏打电池的发明）——视频投影（世界首架干电池动力飞机）——分组实验（锌粉与稀硫酸反应）——利用氧化还原反应的知识分析该反应——引发“化学能转化成电能”的猜想——实验探究原电池的工作原理——引导学生分析原电池的工作原理——水果电池的设计——解决问题（为格林太太开药方）。该教学设计在学生已有经验和认知基础上，通过创设真实的情境，并通过分组实验探究的方式，在一系列的实验问题串的启发下促进学生思考和探究，让学生进行自我反思体悟建构原电池的工作原理，最后将原电池的工作原理应用于水果电池的设计和为格林太太开药方，从而实现知识和方法的迁移应用。整个教学设计过程符合已有的对化学深度学习的认识。

三、教学目标

1. 理解原电池的工作原理，能判断正负极，了解电极反应式。

2. 通过学生经历假设与猜想、设计方案、进行实验、观察分析实验现象、得出结论、应用结论解决问题的过程，逐步探究出原电池的工作原理，并学习科学探究的方法，提高学生的科学探究能力。

3. 通过实验探究，培养学生学习化学的兴趣，感受化学世界的奇妙，培养学生勤于思考、探索求实的科学态度和科学品质。

四、教学难点及其突破策略

教学难点是通过实验探究，逐步引导学生从氧化还原反应本质理解原电池的工作原理及其应用。采用情境创设、问题探究、图像辅助等教学方式，由浅入深，循序渐进，逐步突破的办法引领学生理解和突破本节课的难点。

五、教学主要过程

[创设情境]1786年，意大利著名生物学家伽伐尼通过蛙腿收缩实验发现“生物电”。1799年，意大利著名的物理学家伏打通过对伽伐尼的发现做了研究，发明了第一个化学电池“伏打电池”。科学家对原电池进行大量的实验研究和改进，现在同学们比较熟悉的电池有干电池、铅蓄电池、锂电池、燃料电池等。

[师]同学们，干电池的作用大家肯定比较了解，但160个干电池作为动力可以让一架飞机起飞，你们信吗？

[投影] 播放视频——世界首架有人驾驶的干电池动力飞机试飞成功。

设计意图：通过蛙腿实验、伏打电池的介绍、干电池动力飞机的投影及常见电池的介绍，让学生了解原电池发展史的同时，也让学生们感受到化学实验的巨大魅力及作用，极大地调动学生学习积极性，提升学生的求知欲望。

[过渡]电池是我们非常熟悉的东西，那么你们知道干电池内部的工作原理吗？

[学生分组实验]取适量0.5mol·L-1稀硫酸滴入盛有锌粉的试管中，然后将温度计插入溶液中，过一段时间再测溶液的pH，并记录实验现象。

[现象] 温度计示数上升，溶液中产生大量的气泡，溶液的pH变大。

[设计问题串，引发学生创造思维]

问题1：从化学反应的热效应分析：锌粉与稀硫酸反应属于哪类反应；从化合价变化的角度分析：该反应又属于什么反应，此类反应的实质是什么？

问题2：锌粉失去电子，硫酸电离出的氢离子在锌的表面得到电子生成氢气，并放出热量。那么，能否利用该反应产生其他形式的能，如电能？

问题3：如果可以产生电能，那么怎样才能检测到反应产生电能？请设计实验方案。

实验用品：锌片、铜片、电流计、导线、稀硫酸、烧杯等。

设计意图：问题1与问题2让学生意识到锌粉与稀硫酸的反应既是放热反应又是氧化还原反应；回顾氧化还原反应的特征（元素化合价的变化）及实质（电子的转移），并结合物理电学的相关知识（电子的定向移动形成电流），引导学生大胆假设利用该反应可以产生电能，培养学生的想象力与创造力。问题3主要引导学生从闭合回路的角度设计实验，并用电流计检测电流。

[学生活动] 探究利用化学反应将化学能转化成电能

[实验1]将锌片插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察现象并做好记录。

[实验2]将锌片与铜片平行的插入盛有稀硫酸的烧杯中。一段时间后，将锌片与铜片接触，观察现象并做好记录。

[实验3]将锌片与铜片用导线连接，平行插入盛有稀硫酸的烧杯中，并将电流计接在导线的中间，观察现象并做好记录。

[学生]实验1锌片表面上产生气泡，铜片上无明显现象；实验2接触前锌片有气泡，铜片无气泡，而接触后铜片表面也产生气泡且更剧烈（此时锌片也能观察到少量气泡）；实验3铜片产生气泡，电流计指针发生偏转。

设计意图：通过实验教学使学生意识到只有释放能量的氧化还原反应才能实现化学能与电能转化，而非所有释放能量的化学反应都能转化为电能。引导学生体验类似科学家进行科学实验探究的一般过程，在探究过程中完成知识的自主建构，同时培养学生的动手、观察、合作交流、解决问题的能力，提高学生的主体地位，激发学习热情。

[设计3个问题，引导学生分析原电池的工作原理]

问题1：实验3产生电流的原因？

问题2：铜片上产生什么气体？怎样证明？

问题3：铜片上的氢气是如何产生？H+获得的电子是锌片还是由铜片提供？

设计意图：问题1让学生回顾初中物理有关电学知识；问题2主要让学生学会从微粒观角度去分析产生氢气的原因（硫酸在水中电离产生H+，同时也让学生意识到不是铜电极发生反应）；问题3引导学生从溶液的颜色（铜若失电子，溶液会变蓝）分析提供电子的物质。三个问题环环相扣，一步步引导学生去思考问题，最终揭示原电池的工作原理。

[结论一]化学反应能产生电能，原电池就是利用氧化还原反应将化学能转化成电能的装置。

[多媒体动画展示]锌-铜原电池中的电子得失及电子、烧杯中离子移动的方向。

设计意图：Flash动画展示既能吸引学生的注意力，又能更加直观、清晰地展现离子、电子、电流流动方向及实验现象，这避免学生错误地认为在化学电池中电流是电子的连续运动形成的，同时便于学生从微粒观的角度去理解原电池工作原理。

[结论二]原电池的工作原理：是利用锌、铜两个电极的电极电势的不同（锌比铜的低），产生电势差，锌失去电子沿着导线向铜电极发生定向移动，产生电流。

[提出问题]锌片与铜片分别发生哪种类型反应，并用式子表示出来。

[教师引导共同得出结论三]电极及电极反应式：

锌片（负极：电子流出的一极）：Zn - 2e-Zn2+（氧化反应）；

铜片（正极：电子流入的一极）：2H+ + 2e- H2↑（还原反应）。

设计意图：部分学生在写正极反应式时，往往写成铜得电子，其根本原因是没能弄清金属只能失电子及没能弄清铜片有大量电子。通过书写电极反应方程式，结合原电池工作原理图，再次引导学生从微粒观角度分析理解原电池工作原理，实现从感性到理性、现象到本质的突破，解决本节课的难点。

[学生活动] 请根据刚才所学知识，制作苹果电池。

设计意图：即学即用，既能巩固所学知识，又能激发学生的学习热情，培养学生的实践能力，让学生体会化学来源于生活，又应用于生活。

[交流讨论]《格林太太的假牙》的故事。

六、基于实验探究促进学生化学深度学习的教学反思

本节课的特点是利用学生已有的认知水平，通过实验探究来解决化学重要知识，同时设计一系列为教学服务的问题串，培养学生自主探究的能力，从而帮助学生深刻理解原电池的工作原理，最终帮助学生实现化学深度学习。

1. 利用化学实验及学生的已有认知，创设一系列的问题情境

教师在教学活动中，要善于借助化学实验，并通过实验挖掘新旧知识间的内在联系，并利用学生已有的知识体系去设计问题情境，并进行有针对性的分组讨论，提出解决问题思路，逐步提升学生的认知水平。学生在实验及问题探究中，化学的学科素养也得到了提升。

2. 发挥教师在实验探究中的组织和引导作用，培养学生自主探究的能力

在实验探究过程中，教师的组织和引导是非常重要的。在原电池的工作原理教学中，涉及金属与溶液的导电性、电解质的电离及氧化还原反应等相关知识，学生已有的认知有限，教师如果不对实验加以引导、启发的话，学生可能无法着手进行实验探究，达不到良好的教学效果。反之，教师有目的性地设置一系列递进式的问题串后，组织学生依据问题进行分组讨论后设计实验方案，然后组织学生再对各种方案加以对比、分析、评价后，最后形成较为科学严密的实验装置和实验方案，学生也就很快依据实验探究得到正确的结论。

3. 利用化学实验，培养学生用微粒观分析问题的能力

教师在教学中，引导学生从微粒观的角度对化学实验中的宏观现象（沉淀、气泡、颜色变化、温度变化等） 进行分析，组织学生大胆假设并进行实验验证，最终让学生明白问题的本质。本节教学中，电子是锌片还是由铜片提供，通过引导学生观察溶液颜色及离子的特征去分析实验的本质，这样处理有利于引导学生在今后遇到类似问题，知道问题解决的切入点，促进学生分析、探究问题的习惯养成，提升解决问题能力。

总之，通过探究性实验使学生从被动地接受知识转化为主动去探索新知，有利于学生动手实验、动眼观察、动脑思维、动口表达，让学生的学习过程成为发现认知的过程，学生在认知的同时，逻辑思维、探究思维、创造思维得到全面发展，最终实现了化学深度学习的目标。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社，2003

[2] 阎乃胜.深度学习视野下的课堂情境[J].教育发展研究，2013，（12）：76-79

[3] 张发新.谈化学教学中“深度学习”的内涵及实施策略[J].现代基础教育研究，2015，（9）：196-201

[4] 刘岩，张发新.化学教学中促进学生深度学习的实践与探索[J].化学教学，2015，（9）：19-23