基于证据推理与模型认知探究玩具车的工作原理

袁萍

【摘要】本文以“盐水玩具车”为真实情境，采用实验探究的教学方式完成“四问题——四任务”的教学流程，最后以“自主设计原电池”落实原电池认知模型，旨在落实培养“证据推理与模型认知”“宏观辨识与微观探析”等化学核心素养。

【关键词】原电池;教学设计;情境;核心素养

一、教材分析

《原电池》在新教材必修第二册第六章化学反应与能量第一节，对比旧人教版第二章第二节，不同点在内容设计上增加了原电池原理示意图、简易电池的设计与制作，其中含水果电池;模块设计上增加了“化学反应与能量”的实践活动，突出培养学生的宏观辨识与微觀探析的核心素养。知识内容上的相同点既是对氧化还原反应的进一步认识，同时也为选修学习双液电池、燃料电池等知识作铺垫，培养学生感受宏观辨识与微观探析、模型认知与证据推理的核心素养，体会辩证与统一思想。本节课融合了氧化还原反应、金属的性质、电解质溶液等知识，还与物理学科的电学相联系，综合性较强。

二、学情分析

学生的基础偏差，对于实验探究模型意识薄弱，较难跟上实验探究思维，但为了逐步加深学生的思维逻辑性，最终采用结合真实情境的实验探究及任务驱动的教学方式。化学是一门以实验为主的科学，通过小组实验为主，感受原电池的形成与工作原理。学生已有的基础：知道Zn、Cu单独与酸反应的现象，知道电子与电流的流动方向，了解生活中电池的构造等。

前概念：氧化剂与还原剂只能接触才能反应。

困惑点：为何在实验中正、负极均有气泡产生;阴、阳离子的移动方向;原电池装置如何应用于化学电源。

三、教学目标

（1）能从宏观现象和微观变化的角度解释锌铜原电池的工作原理，真实情境得出原电池概念。

（2）在对锌铜原电池工作的原理探究的过程中，体验构建原电池的模型，培养宏观辨识与微观探析素养。

（3）依据实验现象总结出原电池的反应原理及本质，培养学生的证据推理与模型认知素养。

（4）通过独立设计新的原电池，设计新的电池使玩具车启动，感受化学变化中能量转化的独特魅力和价值，培养科学精神与社会责任素养。

四、教学思路

整节课熟练应用科学实验探究与问题链相结合的教学方式，融合真实情境，结合当下能源发展的主题，深入贯穿培养学生“证据推理与模型认知、科学精神与社会责任”素养。

以“盐水玩具车”为真实情境切入，并播放玩具车运行视频，分成8小组进行实验探究以完成“四问题——四任务”为主线，最后以“自主设计原电池”落实原电池模型，通过学生自主设计培养“宏观辨识与微观探析”素养。具体教学思路如图1。

五、教学过程

1.生活情境导入

任务一：猜一猜，玩具车跑动的能量转化

【引入】关于玩具车大家都玩过，接下来看个视频了解下这种玩具车是如何运行的？

教师：视频中往这个盒子里滴加了什么？

学生：盐水。

教师：滴了之后观察到什么现象呢？存在哪些能量转化呢？

学生：有电流产生，电流表指针发生偏转。化学能转化成电能再转化成动能。滴加的是什么呢？

【演示实验】教师就有这样一个玩具车喷一种液体，小小的玩具车（如右图2）能够跑动。连接电流表，将电池取出来连接电流表，并观察现象。

学生：看到指针发生偏转了，说明产生电流

师：这个盒子里面是什么呢？我们拆开看下

学生：是锌片、铜片和一块滤纸。

设计意图：看见小小的玩具车，实验中不明的喷不知名的液体，并且这样就有电流产生，可以引起学生的学习兴趣，激发学生对该电池的进一步探究。培养学生的“科学精神与社会责任”学科核心素养。

2.分组实验初步建构原电池模型

【提出问题】任务二：找一找，玩具车中的电流从哪里来？

【设计方案实验1】将锌片与铜片先后放入同盛有稀硫酸溶液的烧杯中，观察锌片、铜片现象。学生独立利用氧化还原反应双线桥解释锌片、铜片的现象。

提问1：锌片上产生气泡，这种气体是什么？反应原理是什么呢？

学生1：氢气

学生2

问2：既然有电子的转移，那么存在电流吗？

学生：不存在。

教师：为什么？

学生：因为需要有电子的定向移动，可以连接导线

师：怎样才能将电流体现出来？

学生：用电流表。

【实验2】用导线将锌片、铜片连接起来，观察并解释锌片、铜片上的现象，用电流表体现电流的产生，完成教学案上的第二部分，继续建构模型。

教师：观察到什么现象？

学生1：观察到两边电池都会产生气泡，并且锌片上的气泡快且多，不能很清晰的看到铜片的现象。

学生2：可否换一种溶液让锌片不产生气泡，只让铜片上产生气泡呢？

教师：好的，那我们先在原有的基础上补充模型。

学生

教师：那为什么会出现你们所看到的情况呢？

学生：因为锌本身就会与硫酸反应，且速率快。

设计意图：按照实验探究的模型：提出问题、设计实验方案、评价方案、得出结论，让学生通过实验学会收集科学证据和确立寻找证据的途径;学会利用实验模型描述化学变化，解释化学现象;培养学生从微观的角度去理解宏观变化的思维以及“证据推理与模型认知”学科核心素养。

3.完善原电池模型——锌铜原电池

任务三：完善原电池模型

师：先完善外电路的电子流动方向。

学生：电流由正极流向负极，电子由负极流向正极。

【问题3】内电路（溶液中）的电子流动方向？提示：原电池的条件需要形成闭合回路。

学生：阴离子流向负极，阳离子流向正极。

【问题4】为什么阴离子向负极移动，阳离子为什么向正极移动？

学生：正极附近留下大量OH-离子，导致SO24-离子流向负极，同种电荷相互排斥;负极产生大量的阳离子，与SO24- 離子正负电荷相吸。

【问题5】负极发生什么反应，正极发生什么反应？

学生：负极失去电子发生氧化反应，正极得到电子发生还原反应。

教师：完善初始模型，最终形成锌铜原电池模型（如图3左学生绘制，图形右）。

【问题6】原电池的模型出来呢，那如何找原电池的正负极呢？

学生1：活泼性强的金属做负极，较不活泼的做正极。

学生2：一般现象表现为逐渐溶解的作负极，一般现象为冒气泡或析出固体的作正极。

设计意图：让学生在实验探究过程中逐渐形成批判精神和创新思维，突出了“证据推理与模型认知”学科核心素养。通过实验现象分析，引导学生进行，构建了锌铜原电池的结构模型，以此推到原电池的认知模型。

4.发展原电池模型——能使玩具车跑动的原电池

【设计新原电池】实验药品：电流计（导线）、镁片、石墨片、铜片、NaCl溶液、稀硫酸，由学生自主讨论，设计，并画出内外电路模型的离子和电子的流动方向，展示，点评。

设计意图：让学生对实验方案进行创新性优化，学会用已有知识和方法解决问题，培养学生的“科学探究与创新意识”学科核心素养。

5.改进原电池实验

针对学生在以上提出的问题，如果课堂时间有剩余的话，可以选择仪器或操作的形式呈现给学生，仅展示不需讲解。

学生1：可不可以在铜片那边加入不跟铜反应的溶液，这样铜电极附近就不会产生气泡了。

学生2：两边的溶液分开可以，在各自的容器中。

学生3：然后加一根能够导电的铜丝连接两个容器，这样可以吗？

师：由于时间关系，同学们可以查阅相关的资料来解决大家的疑问，以上大家的思考非常不错。

设计意图：培养学生从性质及所观察的现象等维度结合起来，得出最适合的实验装置，培养学生勇于探索的创新精神，学会将所学知识应用于实际生活。

六、教学反思

《原电池》的教学设计主要通过实验探究，培养学生的证据推理与模型认知素养，设置问题情境，在学生自主探究、主动构建模型的过程中落实化学学科核心素养的培养。锌铜原电池是化学电源的具体模型，它模拟了对象物的正负极、离子导体、电子导体以及闭合回路等。从锌和硫酸铜溶液的接触反应到单液原电池装置模型，组织学生进行实验，并观察、分析、解释实验现象、推论预测、设计装置、自我评价等，提升学生对单液原电池工作原理的认识水平，构建科学的原电池模型。

参考文献：

[1]王晶，郑长龙.化学（必修第二册）[M].人民教育出版社，2019.

[2]宋心琦.化学（必修Ⅱ）[M].人民教育出版社，2007.

[3]教育部.普通高中化学课程标准[M].人民教育出版社，2017.

[4]陈博毅，王季常，陈钰姝等.基于模型认知与手持技术的化学能与电能项目式教学———以“设计不同类型的化学电源”为例[J].化学教育，2020，41（15）： 14-23.