基于真实问题情境和模型认知建构的“原电池的工作原理”教学

靳培培

（无锡市辅仁高级中学 江苏 无锡 214123）

中学教育已经从“传授式教学”进入“素养为本”的教育时代。将知识之于情境，以建构化学模型认知为桥梁，如同盐之于汤而入味［1］。

在人教版《普通高中教科书 化学 选择性必修1 化学反应原理》中“原电池的工作原理”教学过程中，笔者通过创设若干个富有层次性且彼此关联的问题情境、利用生活中常见的橘子开展实验，从而帮助学生建构认知模型，激发他们自主探究的欲望，收到了很好的教学效果。

一、真实问题情境和模型认识建构概述

新课改的核心要求是发展学生的核心素养，通过基于核心素养的教学，帮助学生形成必备品格和关键能力，让学生能适应社会发展，会生活。生活中处处是化学，化学即生活。因此，在化学教学中引入一些与化学有密切关联的真实问题情境是可能的，也是十分必要的［2］。创设真实问题情境，将课堂教学内容和学生生活联系起来，使学生有共情，从而激发学生的学习兴趣，并指导学生运用所学化学理论知识分析与处理现实的生活问题，使学生在对现实问题的分析和处理中，最终学会以化学的角度来看生活，并以化学的思想指导日常生活，有效落实学科核心素养。

模型认知是化学学科核心素养的重要部分，是五个维度之一，要求学生通过“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，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”［3］。在化学课堂中，我们提取真实问题情境中的关键要素，通过观察实验现象，然后进行归纳总结，应用抽象和简化的方法进行认知模型建构，再将模型应用于新的情境中并不断完善新的模型。

二、基于真实问题情境和模型认知建构的教学实践

1.学情分析及目标确定

在知识层面上，通过必修部分以及化学能与热能的学习，学生已经掌握了氧化还原、能量相互转化以及单池单液原电池的相关知识。但是，他们的认知是局限的，学生不知道如何将氧化还原反应中电子的转移应用到实际生活中，也不知道化学能直接转化为电能需要借助什么样的装置和条件。在能力层面上，高二学生已经具备了一定的实验动手、观察、分析问题的能力，思维过程都有了很大的提高。在情感层面上，学生课业压力大，自主实验探究活动能极大的激发学生的好奇心和求知欲。综上，本节课以学生为主体，通过设计有趣的探究实验，引导学生对原电池工作原理进行自主探究学习，深入理解原电池原理，掌握构成原电池的条件，并进一步探究如何使原电池提供稳定持续的电流；通过小组实验，让学生体验合作学习和思维碰撞的乐趣，让学生在“玩”中学，学中“玩”。

2.教学流程

3.教学过程

环节一：创设情境、引出问题

【化学史话】伏特电池的发现。

【演示实验】模拟伏特电池——锌-铜-稀硫酸原电池。

【教师】在必修2中，我们已经简单学习了原电池的工作原理，请大家结合实验现象回顾锌-铜-稀硫酸原电池的工作原理。

【学生】讨论并讲解原电池的工作原理。（略）

【教师】提炼锌-铜-稀硫酸原电池模型。（略）

【教师】锌-铜-稀硫酸原电池可以产生电流，但是老师发现除了铜片，锌片上也产生大量气泡，而且电池工作一段时间后，电流衰减明显，这是为什么呢？

【学生】锌片直接与稀硫酸接触，直接反应生成氢气，有一部分电子没有通过导线到达铜片，有一部分发生了非原电池反应。

【教师】非常好！上述电池我们称为单池单液电池，单池单液电池因氧化剂与还原剂直接接触，所以放电时间短，转化为电能的效率不高，如何提高效率呢？下面我们做专门探究。

设计意图：以化学史引入课题，不仅能让学生领悟化学理论的形成和发展，使化学知识变得生动具体，还能让学生认识到每个理论的发展都不是一蹴而就的，而是前人大量实践的结果，激发学生的探究欲。利用学生熟悉的锌-铜-稀硫酸原电池为例引出单池单液电池存在化学能转化为电能效率不高的弊端，从而提出如何提高转化率这一问题，激发学生的探究欲。

环节二：橘子实验、探究问题

【教师】实验桌上有两瓣橘子、铜片、锌片、导线、培养皿、灵敏电流计，请大家利用以上材料设计实验，观察能否产生电流并提炼出模型。

【学生】分组实验。

【教师】利用希沃软件上传各小组提炼的模型并请小组代表进行汇报。

组1：利用一瓣橘子、铜片、锌片、导线、培养皿、灵敏电流计进行实验，结果产生电流。模型见图2。

图2 原电池模型（一瓣橘子）

组2：利用两瓣未分开的橘子、铜片、锌片、导线、培养皿、灵敏电流计进行实验，结果产生电流。模型见图3。

图3 原电池模型（两瓣相连橘子）

组3：利用两瓣分开的橘子、铜片、锌片、导线、培养皿、灵敏电流计进行实验，结果未产生电流。模型见图4。

图4 原电池模型（两瓣分开橘子）

【教师】第2 组同学利用两瓣未分开的橘子做实验，结果产生了电流。老师有个疑问，两瓣橘子虽然未分开，但是中间有一层膜隔开，像是分在两个电解池一样，但是为什么能产生电流呢？

【学生】说明膜虽然分了区但是允许离子通过。

【教师】非常好！化学上也有一层类似功能的膜——离子交换膜。

PPT：离子交换膜图片及功能介绍。

【教师】通过实验我们发现原电池可以设计成两个电解池。

【教师】第3组同学将两瓣橘子分开，结果没有产生电流，相信同学们都已经知道了原因。怎样改进能让这个装置产生电流呢？实验桌上有KCl 溶液、滤纸，请大家小组讨论并进行实验探究。

【学生】分组实验。

【教师】请小组代表汇报并提炼模型。

组1：将两瓣橘子靠在一起，结果产生电流。模型同图3。

组2：在培养皿里倒入KCl溶液浸泡两瓣橘子，结果产生电流。模型同图3。

组3：在滤纸上滴KCl溶液，再将滤纸搭在两瓣橘子上，结果产生电流。模型见图5。

图5 原电池模型（“搭桥”）

【教师】同学们都很聪明！老师对第3种搭桥的方法很感兴趣，请问这个装置为什么能产生电流呢？

【学生】浸有KCl 溶液的滤纸起到了传递离子的作用。

【教师】非常好！化学上有一种类似作用的桥，称之为盐桥。

【教师】展示盐桥并投影盐桥的介绍。

【教师】通过实验我们发现可以利用离子交换膜或者盐桥将两个电解池联通，从而设计成原电池，像图5这样的装置我们称之为双池单液电池。

设计意图：通过设计原电池让学生进一步理解原电池的工作原理和构成条件。通过对不能产生电流的原电池的改进这一探究实验引出盐桥，同时充分调动了学生的积极性和探究欲。通过提炼模型提高学生从证据推理到模型认知的建构，从而发展学生今后利用建构的模型解决实际问题的能力。另外，利用生活中常见的橘子为实验材料，让学生发现原来利用生活用品就可以进行化学实验，拉近了化学与生活的距离，充分调动学生的学习兴趣。

环节三：拓展思维、解决问题

【教师】通过刚才的学习相信同学们已经对原电池的原理有了进一步的理解，下面请大家按图中装置及所给材料，根据Zn+CuSO4====ZnSO4+Cu设计原电池并进行分组实验。

【学生】分组实验。

【教师】请小组代表进行汇报。

组1：负极材料为锌片、正极材料为铜片，正极和负极电解液都选择CuSO4溶液。结果发现电流计指针偏转，锌片和铜片上都有红色物质析出。

组2：负极材料为锌片、正极材料为铜片，正极液选择CuSO4溶液，负极液选择ZnSO4溶液，结果发现电流计指针偏转，铜片上有红色物质析出，锌片上无明显现象。

组3：负极材料为锌片、正极材料为铜片，正极液选择CuSO4溶液，负极液选择NaCl 溶液，结果发现电流计指针偏转，铜片上有红色物质析出，锌片上无明显现象。

【教师】第1组为什么锌片上也析出红色物质？第2组和第3组为什么能产生电流并在铜片上析出红色物质？

【学生】分析原理。（略）

【教师】同学们说得非常好！双池单液电池因为还原剂和氧化剂还是接触的，所以能量的转化率仍然不高。像第2组和第3组这样的电池我们称之为双池双液电池，双池双液电池能够避免氧化剂与还原剂直接接触发生非原电池反应，使电子尽可能通过外电路转移，所以它的电能效率高，放电时间长。

【教师】总结单池单液电池、双池单液电池、双池双液电池的发展。

设计意图：利用所学知识根据反应设计原电池，再通过实验验证让学生发现不同电解液对能量转化率的影响，从而引出双池双液原电池并总结出双池双液原电池的优点。问题之间环环相扣、层层递进，学生在解决问题的过程中自然而然地接受了新知识。同时通过设计方案、实验验证，让学生了解科学探究的步骤，学习实验探究的基本方法，提高思维的发散性，培养学生的科学探究和创新意识。

三、基于真实问题情境和模型认知建构的教学实践的教学反思

本节课笔者根据教学目标确定教学问题，将教学目标隐藏于相互关联的若干问题中，且利用学生熟悉的化学实验创设问题情境，即蕴含问题的情境。然后由问题情境引导学生发现问题，设置真实、有吸引力的学习任务，即提出问题。最后，学生积极参与到课堂中来，体验对知识的认识和探索过程。在整个过程中既培养了学生提出、分析、解决问题的能力也让学生实现了知识的内化，情感态度和价值观的升华，实现知识的意义建构。

在教学中创设真实的问题情境有利于学生系统地理解知识和牢固地掌握知识。学生不是直接接受教师呈现的知识点和结论，而是通过解决具体形象的问题得出结论。这样的呈现方式可以让学生知道为什么要学习这个知识，这个知识是怎样来的以及这个知识有什么用处，从而学生可以进一步灵活迁移、运用所学知识。在教学中创设真实的问题情境还可以激发学生的探索和求知欲。学生之所以觉得课堂枯燥、所学的知识没有用处，最主要的原因就是学生无法把所学知识与生活建立联系。真实的情境可以拉近课堂和生活的距离，将抽象的知识置于具体的问题载体中，让学生感受到知识源于生活，知识用于生活，从而激发学生的求知欲。