注重渗透化学学科核心素养的教学设计及课堂实录——以“原电池”教学为例

王美季 刘红梅

（新疆库尔勒市实验中学 新疆 库尔勒 841000）

一、教学设计思路

本节课的教学设计以培养学生化学学科核心素养为目标，希望学生在回顾旧知识的基础上发现问题，教师引导学生利用化学实验，验证猜想。在不断地设计、探究、评价、反思和实验总结中，培养学生证据推理及模型认知能力，从而完善对原电池构成条件的再认知。在书写电极反应式的练习中，培养学生化学表征思维。分析单、双液原电池离子移动方向问题的教学环节，对学生树立变化观念与平衡思想起到积极的作用。另外，整个教学设计指向培养和拓展学生的化学高阶思维及提高团队合作意识。旨在通过实验，让学生体验到科学探究和创新的乐趣，更好地培养学生科学探究和创新意识。为此，本教学从教学线、活动线、认知线、素养线四大线路，从初识原电池、再识原电池、原电池变形记三大环节出发进行设计，教学流程设计如图1所示。

图1 教学设计流程图

二、教学分析

“原电池”是化学学科理论性知识内容中的重要部分，是学生学习和理解化学反应与能量转化的基础案例，对于学生学习电化学的相关知识以及树立和强化学生的化学价值观念有着重要的意义。［1］教学分析见表1。

表1 “原电池”教学分析和教学目标分析

三、课堂实录

1.任务一：初识原电池

【教师】PPT 展示2019年荣获诺贝尔化学奖的三位科学家及其获奖成就。大家可以猜测一下三位科学家的年龄吗？

【学生】50岁、60岁左右。

【教师】在2019年，其中一位科学家的年龄为97岁。

【过渡】听到老师的答案，学生惊讶不已。

【教师】同学们当你听到他们的年龄，你有何感触呢？

【学生】他们都已很大的年纪，但却依然在做科研工作，这种锲而不舍的工作精神让我佩服。

【学生】人要活到老学到老，终身学习。

【教师】总结：这三位科学家为了他们的理想，在不断地努力、探索、前行，为科研事业奋斗终生。我相信每位同学都有自己的理想和目标，为了实现理想目标，我们要有持之以恒的精神和脚踏实地的行动。

【教师】引出课题：今天我们要学习的是与锂离子电池相关的电化学问题——原电池。在必修二中我们已经简单地学习过原电池，它是一种将化学能转化为电能的装置。请同学们回忆构成原电池的条件。

【学生】活泼性不同的两极；电解质溶液；形成闭合回路；自发进行的氧化还原反应。

【板书】原电池构成条件：两极、一液、成回路、自发氧化还原反应

2.任务二：再识原电池

【教师】自发进行的氧化还原反应指的是谁跟谁的反应？

【学生】负极材料与电解质溶液自发进行的氧化还原反应。

【教师】你认为图2装置能否构成原电池？

图2 铁—碳—氯化钠溶液装置图

【学生】我认为不可以构成原电池，因为铁与氯化钠溶液不能发生氧化还原反应。

【教师】到底能否构成原电池，我们用实验验证。请根据所提供的实验用品，组装实验，验证你的猜想。

实验仪器：原电池单液槽、原电池双液槽、滤纸、烧杯、电流表、导线；

电极材料：铁片、石墨棒；介质：氯化钠溶液；

【过渡】学生以6人为一小组，开始实验。

【学生】汇报实验：铁—碳—氯化钠溶液能够形成原电池。利用单液池，电流表的两端接上导线，导线上一端连接铁片，一端连接碳棒，将铁片与碳棒同时插入氯化钠溶液中，会发现电流表指针发生了偏转，说明产生了电流，形成了原电池。另外我们小组也利用了双液槽，但在两个槽中都盛放的是氯化钠溶液，在隔板上方加了一个浸有氯化钠溶液的湿润滤纸条，发现也产生了电流。

【过渡】通过实验验证，铁—碳—氯化钠溶液能够形成原电池。

【教师】同学们能否写出该电池的电极反应式？

【过渡】小组讨论，但对正极是什么物质得到电子还是有些迷惑。有些同学猜测是碳在得电子，但该答案很快被否定。因为碳相对来说较稳定，在原电池中一般不参与电极反应，只起到导电的作用。另外有学生猜测是溶液中的钠离子。经过分析，我们知道钠单质的还原性很强，因而钠离子的氧化性较弱，得电子能力较弱。

【教师】引导学生从溶解在电解质溶液中的成分，思考较易得到电子的物质。

【学生】经过讨论分析，原来是空气中的氧气溶解其中得到了电子。

【学生板书】负极：Fe-2e-Fe2+

正极：2H2O+O2+4e-4OH-

总反应式：2Fe+O2+2H2O2Fe（OH）2

【教师】通过该实验，你对原电池的构成条件是否有新的认识？

【学生总结】只要有还原剂能够失去电子，有氧化剂能够得到电子，有电解质溶液，形成闭合回路就可以形成原电池。得电子的物质不一定是溶液中的阳离子，也有可能是吸附在电极表面或溶解在电解质溶液中的物质。

【教师】PPT 展示一张生锈的铁锅图片，请同学们思考并利用所学电化学知识解释该生活现象。

【学生】通过小组讨论，发现该原理的本质与上述实验的原理相同。

【教师】请同学们思考，铁—碳—氯化钠溶液实验，有没有相对来说实验装置简易、方便操作而且还能够达到相同实验效果的装置？

【学生】我们组用原电池双液槽进行实验，若让它的内电路形成通路，我们想到用浸透氯化钠溶液的滤纸条搭在双液槽的隔板上端，发现电流表指针发生了偏转。

【教师】对小组同学的方案给予肯定，并引导学生积极思考并探究其他更优的实验方案。此时，教师给学生提供了思路并演示了微型实验，即：在浸有饱和氯化钠溶液的滤纸上分别放置铁粉和碳粉，将电流表两端的导线同时接触铁粉和碳粉，发现电流表指针发生了偏转。如图3所示：

图3 铁—碳—氯化钠原电池微型实验

【过渡】引导学生可以从既操作简便、节约药品，又现象明显、绿色环保的角度选择实验药品和装置。

【建构模型】由学生对原电池原理的认知做一个系统化的理解和总结，建构原电池知识模型见图4。

图4 原电池知识模型

3.任务三、原电池变形记

【教师】刚才有小组做实验利用的是原电池双液槽装置，两槽中都盛装的是氯化钠溶液，两槽中间搭了一个浸透氯化钠溶液的滤纸条。这个滤纸条的作用是什么呢？

【学生】起到沟通内电路的作用。

【教师】今天我们来认识一个可以用来专门沟通内电路的介质——盐桥。

【PPT 展示并板书】盐桥组成成分：含饱和氯化钾或硝酸钾的琼脂凝胶。作用：沟通内电路；平衡电荷。

【教师】请同学们利用Zn+Cu2+Zn2++Cu，设计带盐桥的原电池。画出装置图，并注明电极材料和电解质溶液。

【学生】以小组进行探究讨论。画出的装置图主要有两种，见图5。

图5 双液原电池装置图

【过渡】引出在两个半池中分别用不同电解质溶液的装置叫做双液原电池。

【教师】同学们认为这两种装置哪一种更好？请同学们再次根据提供的实验用品展开实验。

实验仪器：原电池双液槽、烧杯、电流表、导线；电极材料：锌片、铜片；介质：硫酸锌溶液、硫酸铜溶液。

【小组汇报】组装图5左侧装置实验时，我们发现锌片表面有红色物质附着，我们猜测是铜单质析出。与图5右侧装置相比，左侧装置的电流表刚开始有偏转，但没过一会电流表指针的读数越来越小，最后读数基本为零。而右侧装置的电流表的读数相对比较稳定。

【过渡】为了能够更加直观科学论证双液原电池能够提供相对较稳定的电流，教师找到了数字化实验的视频。

【教师】播放数字化实验视频，视频中的截图是利用数字采集器对单、双液原电池产生电流情况的图像表征，见图6。

图6 单、双液原电池数字采集器电流图像

【学生总结】双液原电池能够产生更加持续、稳定的电流。

【教师】帮助学生共同分析单液原电池不能产生持续稳定电流的原因。单液原电池中负极锌片与电解质溶液直接接触，部分电子未经导线转移而直接在锌片电极表面被铜离子得到，导致电能转化率低。从电流角度看，锌片与硫酸铜溶液直接接触，在锌表面析出铜单质，也形成了原电池，进一步加速铜在锌表面析出，致使向外输出的电流强度减弱。而双液原电池很好地避免了这些情况，盐桥不仅起到沟通内电路的作用同时起到保持两溶液电中性的作用，保障了电子从锌向铜的不断转移，因此在外电路可形成持续稳定的电流。［2］

【过渡】巩固练习：利用Cu+2Ag+Cu2++2Ag，Cu+2Fe3+Cu2++2Fe2+这两个离子方程式，设计带盐桥的原电池。

【学生】小组内分工合作，一个学生上黑板展示所画出的双液原电池装置图，另一个同学负责书写正负极的电极反应式。之后小组与小组之间相互进行评价。

【教师】梳理总结：设计双液原电池的关键——负极材料不与电解质溶液直接接触发生氧化还原反应，所以负极材料一般插入与之含有相同元素阳离子的盐溶液。

【教师】对原电池进行总结，再次帮助学生从原理维度和装置维度构建原电池的认知模型，见图7。

图7 原电池认知模型

四、本教学设计特色

本教学设计主要有以下特色：

（1）本教学设计符合素养型课堂。以实验事实设疑，又以实验释疑，整个教学过程中在不断渗透和培养学生宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、科学探究与创新意识及社会责任等化学核心素养。另外在单、双液原电池的原理探究、实验装置设计、优缺点的对比等教学活动中，教师帮助学生建构原电池知识模型，培养了学生化学实验思维。电极方程式的书写训练环节，培养了学生的化学表征思维，让学生能够从宏观、微观及符号的三个视角对原电池问题进行分析和表征。［3］

（2）教学设计和上课过程都注重学生由低阶思维向高阶思维的培养。在实验装置的选择、比较、现象分析、质疑、诊断、评价、反思的小组合作探究中，属于学生自己的化学思维模型再得到有效地构建。同时，通过实验探究活动，可提高学生的实验操作能力与小组协作能力。

（3）注重“教、学、评”一体化。［4］以教师的教学线、学生的活动线、认知线和素养线为依托，对学生的评价方式多样，有课前知识检测，课中教师提问，小组同学之间对每一次实验操作的规范性、实验装置图设计的合理性以及电极反应式书写的正确性等进行评价。在学生相互评价中，学生能够更加意识到知识或思维漏洞，促进学生积极思考并解决问题，进而也就加深了学生对于知识的理解和应用。