新高考背景下高中化学与物理交叉教学研究——以“原电池”为例*

柳聪慧，徐 颖，王宏社，闫 雪

(宝鸡文理学院化学化工学院，陕西 宝鸡 721013)

随着新高考“3+1+2”模式和新课程标准的推行和调整[1]，使得各学科之间的联系越来越紧密，不再让学生拘泥于单一的思维模式。对于这种新模式下的12种学科组合方式的选择，也更能体现跨学科融合交叉的重要性。以物理类组合中的“物+化+X”模式为例，对于高中化学教师来说，若想促进学生综合素质以及理科能力的提高，还是要建立在分科课程的基础之上，立足于化学教学，同时注意与物理等学科进行适时适度的交叉融合教学[2]。

1 人教版高中化学与物理交叉内容教学设计

1.1 教学设计思路

在进行教学过程设计之前要做好充足的准备，明确高中化学与物理这两个学科内容之间存在的交叉点，并将这些交叉点的内容梳理出来，分析交叉内容在两学科教学中的教学进度，根据教学进度设计教学；明确高中化学与物理两学科课程标准所对应的课程要求以及所要求掌握的内容深度区别，进而对教学内容进行适当的调整；对化学和物理教科书进行分类和整合，分析本节内容在本章节或者整个知识体系的重要程度以及判断两学科交叉内容如何应用；分析学生在学习本节内容之前对相关知识掌握情况。根据分析两学科课程标准、教科书内容，以及学情等方面，确定本节内容的教学目标、教学重难点及教学方法，进行教学过程的设计并且实施；最后，进行教学评价和反思，分析本节内容教学设计存在的缺点和不足，进行改进和提升。

1.2 教学设计案例——以“原电池”教学设计为例

【设计思想】

学生在初中的物理学习中已经学习了电学的相关知识，对电流流向、电流表的使用、电荷守恒定律的相关知识等都有了一定的了解。在高中化学学习中，“原电池”这部分内容就会涉及到初中物理中电学这部分知识，这就意味着可以利用已经学过的电学知识来设计教学。这节课主要是通过教师的引导，学生自主去探究和学习新知识。这有利于发挥学生主体作用，有利于提高学生自主学习能力和实验探究能力，有利于培养学生联系不同学科之间交叉知识的意识。

【教材分析】

本节教学内容选自人教版普通高中课程标准实验教科书必修二第二章“化学反应与能量”第二节“化学能与电能”中的“原电池”片段[3]。从《课程标准》中了解到[4]，关于学生对化学能与电能相互转化的掌握程度，只要求能够认识化学能和电能相互转化的实际意义和应用；能够了解原电池的工作原理和其他的化学电源。

从跨学科的知识体系来看，本节课的内容是在学习了初中物理的电学知识，以及化学中的氧化还原反应(必修1)的内容后学习的。因此，本节课是对氧化还原反应本质的再探索和延伸，是对化学能与其他能量转换的补充，是建立电化学基本概念的基础，还是对化学和物理这两门学科之间存在的交叉内容的意识培养。在化学选修1(化学与生活)(金属腐蚀与防护)，以及化学选修4(化学反应原理)中，还将进一步学习电化学的相关知识，所以本节课只是为后面知识的学习提供理论基础。综上所述，在知识结构上“化学能与电能”这一节起到了承上启下的作用。

【学情分析】

1)通过高中化学必修一的学习，学生已经掌握了氧化还原反应，并且知道氧化还原反应可以分为氧化反应和还原反应去探讨，知道了电子转移是氧化还原的本质；

2)在初中物理学习中，已经知道电子定向移动会形成电流，并且已经初步认识氧化还原反应的过程中会有电子的定向移动。但是，对原电池还比较陌生，对借助原电池的氧化还原反应是否还会有电子的定向移动存在疑惑，对化学和物理这两门学科的交叉渗透学习意识不强。

3)知道电解质溶液是可以导电的，知道在电场的作用下，溶液中的离子是可以定向移动的。但是对于学生来说，如何判断原电池内电路中电流流向方面还存在问题。

4)知道能量之间是可以相互转化的。由于“化学能与电能”这部分涉及到的原电池是新知识，所以学生对于原电池中涉及到的能量转化还不能很快的去接受，可能会认为引入原电池这个新装置会对能量之间的转化有影响。

【教学目标】

教学目标如表1所示。

表1 化学学科核心素养

【教学过程】

环节一：创设情境，引入教学

同学们，你们知道伏打这位物理学家吗?就是他发明了世界上第一块电池(伏打电池)。正是由于电池的发明，我们的生活才那么便利。例如，我们生活中用到的笔记本电脑、手机等，都应用到了电池。那么，你们有没有想过，电池是怎么把化学能转化为电能的呢？工作原理又是什么呢？那就让我们一起来学习本节课的内容，解开这个谜底吧！

设计意图：利用物理史科学家的故事导入新课，激发学生学习的好奇心和兴趣，培养学生联系不同学科之间交叉知识的意识，激起他们更深层次探索的欲望。

环节二：实验探究，新课学习

师：我们在这节课的实验中会用到电流表，那电流表是如何使用的呢？指针偏转能说明什么？

生：指针不同的偏转方向,代表连接的方式不同。正极接正接线柱，负极接负接线柱，指针就会向正值的方向偏转(这是正确的方法)。反之向负极偏转。指针偏转就代表有电流产生。

探究实验：

①将锌片和铜片插入盛有稀硫酸的烧杯中，观察现象。

②用导线连接锌片和铜片，并将其插入到盛有稀硫酸的烧杯中，观察、比较导线连接前后的现象。

③用导线在锌片和铜片之间串联一个电流表，并将金属片也插入到盛有稀硫酸的烧杯中，观察电流表的指针是否偏转。

现象：当锌片与铜片插入稀硫酸时，锌片上有气泡产生，而铜片上无明显现象；用导线将锌片和铜片相连后，铜片上有气泡产生；串联电流表后，发现电流表指针发生偏转。

师：我们接下来先一起分析实验，为什么锌片有气泡产生，而铜片无明显现象？

生：通过金属活动性顺序表可知，锌的活动性位于氢前面，因此锌可以置换出稀硫酸中的H+，生成氢气；而铜的活动性位于氢之后，和稀硫酸不发生置换反应。

师：找同学到黑板上书写锌和稀硫酸反应的离子方程式，并用单线桥标注电子转移方向和数目。通过这个方程式，可以发现，每生成 1 mol 氢气，就会转移 2 mol 电子。下面来分析实验，为什么连接导线之后，铜片上有气泡生成，锌片的质量会减少，难道违背了金属活动性顺序吗？

师：其实并没有违背金属活动性顺序，我们在刚刚的演示实验中，把锌片电极和铜片电极一同浸入到稀盐酸中，通过导线连接，形成了一个通路。通过金属活动性顺序表可知，锌比铜的活动性要强，容易失去2个电子，被氧化为Zn2+进入到溶液中，电子则通过导线从锌片电极流向铜片电极，溶液中有大量的H+，H+从铜片电极获得电子被还原成了氢原子，氢原子之间再相互结合成氢分子，以气体的形式从铜片电极逸出去。这一变化的过程如下：

设计意图：连接导线后，实验的“连接导线之后，铜片上有气泡生成，锌片的质量会减少”现象会引发学生的认知冲突，学生会感到疑惑并且产生想要继续解决问题的兴趣，教师顺势引导学生进行讨论，学生能够得到这个过程中有电子转移的过程。在这个分析中已经开始建立原电池的模型，而解答学生疑惑的过程中也是学生对原电池的探秘。

师：请同学们回忆一下初中物理中我们所学习过的电学知识，思考以下问问题：

①你是如何判断电子的流动方向的呢？

②你是怎么判断出哪个电极是这个装置(Zn-Cu原电池)的正极？哪个电极是负极的呢？

生：根据电子流动方向：负极→正极；电流方向：正极→负极。物理上根据电流表偏转方向可以判断正负极。此装置中，Zn片是电子流出的一极，为负极；Cu片是电子流入的一极，为正极。

教师再次进行引导，让学生进行思考并回答：由电流表的指针发生了偏转，可知有电流产生了，那也意味着有电能产生了，这个装置中化学能转化为了电能。教师带领学生一起引出来原电池概念。

过渡：大家再思考一下，是不是我们把这两块金属电极用导线连接插入到任何液体中，都可以产生电流呢？下面让我们做实验来探究一下吧。

探究实验：用导线在锌片和铜片之间串联一个电流表，并将金属片也插入到盛有酒精的烧杯中，观察电流表的指针是否偏转。

现象：两电极均没有气泡产生，电流表指针不偏转。

师：为什么当电极插入酒精中，电流表不偏转，没有电流产生？

生：电解质溶液能导电，非电解质溶液不导电。酒精不是电解质溶液。

师：这就相当于物理电学中的故障电路，酒精作为非电解质溶液，不导电，形成了断路。所以要想形成原电池，一定得是一个闭合的通路。

设计意图：在已有的物理电学知识的基础之上让学生进行观察回答，既调动学生充分利用初中知识的热情，又能培养学生科学探究的能力，培养学生联系不同学科交叉知识的意识。并且，通过实验，引出原电池的相关概念原理以及构成原电池的条件之一是要形成一个闭合的回路。

环节三：习题巩固，课堂总结。

师：本节课结合初中物理所学到的电学知识以及化学中的氧化还原反应等知识，知道原电池是一个将化学能转化为电能的装置；并且通过对实验的分析，初步了解到原电池的不同区域分别进行着氧化反应和还原反应，并且可以通过导线传递其中的电子形成电流。经过分组讨论制定方案并进行探究实验，一起归纳原电池的工作原理，并且知道了原电池的形成条件之一，是要形成一个闭合的回路。接下来一起做道练习题来巩固一下吧！

设计意图：通过进行课堂小结，帮助学生理清本节内容的思路，有利于学生新的知识体系的构建以及对本节内容的掌握。

练习题：

如图装置中，M棒变细，N棒变粗。由此判断下表所列M、N、R物质，其中合理的是( )。

装置编号MNRA锌铜稀硫酸B铜铁稀盐酸C铁铜硝酸银D铜铁蔗糖溶液

评析：本道题主要是考查了原电池的工作原理的相关知识，属于基础性练习，更侧重于学生知识点掌握、分析能力的考查。根据题目中M棒变细，N棒变粗，可知M为负极，是失去电子的一极，发生氧化反应；N为正极，是得到电子的一极，发生还原反应。A、D选项，酒精、蔗糖为非电解质，酒精、蔗糖溶液不能导电，结合物理上电路知识，会发生断路，不再是通路，电流不能通过，所以A、D选项不符合题意。B选项，铁电极为负极，发生氧化反应，变细，铜电极为正极，氢离子在铜电极放电产生氢气，电极不会变粗，所以B不符合题意；C选项，形成原电池，此时铁为负极，铜为正极，正极上银离子得到电子在铜电极析出银单质，N棒变粗，所以C符合题意。

设计意图：这是一道要应用学科交叉的方法来解答的练习题，在学生学习完原电池的工作原理等知识之后进行联系巩固，帮助学生掌握此节内容。在解题的过程中会用到物理学科中电学的知识。这些已经掌握的物理知识为学生解答化学问题以及重难点突破方面提供了很大的帮助，促进了学生知识迁移能力以及发散思维水平的提高，帮助学生认识到学科交叉的重要性。

2 人教版高中化学与物理交叉教学的意义

学科交叉教学将多个学科之间的关联内容进行高度整合和联系,并且按照合理的逻辑顺序进行编排，加强了新旧知识之间的关联性,能够更加有效的促进学科知识间的迁移，若在化学教学中实现知识的交叉教学，不但可以促进化学的学习,而且对物理等关联学科的学习也会起到很好的正向促进作用。这样不仅丰富了课堂的教学形式，可以让学生多角度去思考和解决问题，培养学生的发散思维，而且对培养学生综合分析和解决问题的能力有很重要的意义。对于老师来说，在高中化学和物理进行交叉渗透教学中，教师的知识得到了丰富，自身的综合素质和能力也得到了广泛的提升，提高了高中化学学科课堂教学的质量。从总体来看，进行交叉教学无论对于学生还是对于老师能力提升都有一定意义。