基于核心素养发展的深度学习教学设计*——制作一个简单的原电池

赵延军

（青海师范大学附属实验中学 青海 西宁 810008）

本文基于维果茨基的最近发展区理论，以高中化学必修第二册第六章第一节“化学反应与能量变化”中的第二课时“化学反应与电能”及化学新课程标准中规定的必做实验之一“实验活动6 化学能转化成电能”为例对教材内容进行结构化设计，通过教师自制的苹果电池引入课题创设真实的情境，再对教材进行深入挖掘设计了五组探究实验，通过探究，分析原电池的构成要素，构建原电池的装置模型和原理分析模型，学生通过学习最终制作出属于自己的原电池（水果电池、可乐电池、盐水电池、纸电池等）。在本教学设计中学生可以深度参与到实验探究及电池的制作过程中，既能激发学生的学习兴趣，又能提高学生的动手能力，还能提升“证据推理与模型认知”“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”等多方面的学科核心素养，具体教学环节与化学核心素养的关系如图1所示。

图1 教学环节与化学核心素养的关系图

一、教学分析

1.教材分析

“化学能转化成电能”是电化学知识的核心内容，是对必修第一册中学习的“氧化还原反应”的具体应用，也是必修第二册第六章“化学反应与能量”中化学能转化成热能、电能等的具体体现，本节课的学习也为选择性必修1第四章“化学反应与电能”中原电池和电解池的学习打下了坚实的基础，同时本部分内容与物理学科中的电流等电学知识密切相关，通过学习可以促进学科间的交叉融合。在教材中虽然通过“实验活动6”设计了几组原电池构成要素的探究实验，但其中没有设计两个电极与非电解质接触能否构成原电池、两个不连接的电解质没有形成闭合回路时能否构成原电池等相关实验。基于此，对本实验活动进行了如下设计：通过苹果电池的导入先在学生脑海中初步建立原电池的装置模型，将教材实验改进成五组探究实验，用来探究不同条件下原电池装置的构成要素，通过探究让学生构建原电池装置的基本模型，再利用虚拟仿真实验将学生看不见的微观原理宏观化，从而降低教学难度，增强教学的直观性，突破本实验的教学难点，利用活动“制作一个简单的原电池”让学生亲自动手制作原电池，使每一位学生充分参与到原电池的制作中，强化原电池装置的模型认知，同时利用课后查阅资料改进实验装置再次巩固原电池的构成要素及装置模型，从而实现对原电池的深度学习。

2.学情分析

学生在学习“化学反应与电能”之前已经系统学习了氧化还原反应相关理论知识，而且对金属、非金属等元素化合物的相关反应和转化也比较熟悉，能写出常见的氧化还原反应的化学方程式，可以根据元素化合价的变化分析电子的得失情况，同时在初中物理中学过电流产生的原因是电子发生定向移动，而且在生活中也经常见到干电池、充电电池等，但学生对化学能是如何转化成电能、原电池的基本构成要素、工作原理等不是很清楚，无法自行设计制作原电池。

从方法技能角度来看，学生初步掌握了探究式学习的一般方法和过程；能通过观察到的具体实验现象寻找相关证据，进而分析得出部分结论，但此时的学生对结论的分析并不全面，而且缺乏从微观角度分析原电池工作原理的能力。

二、教学目标及教学重难点

1.教学目标

（1）通过五组实验探究化学能能否转化成电能，通过收集证据推理出原电池的构成要素，进一步构建原电池的基本模型，培养“证据推理与模型认知”的学科核心素养。

（2）通过宏观实验现象（如锌片质量减少、铜片上产生气泡、电流表指针发生偏转等）分析其微观离子、电子的移动，从宏观现象分析微观原理，建立原电池原理的分析模型，提升“宏观辨识和微观探析”的学科核心素养。

（3）通过实验活动的探究、制作属于自己的原电池（水果电池、可乐电池、盐水电池、纸电池等）激发学生的探究兴趣，促进学生个性化发展及“科学探究与创新意识”素养的发展。

（4）通过课后对“电池的发展史”“回收废旧电池的意义”的了解，感受化学对人类生活的改变，学生能更加深刻地认识到化学对科技创新、推动社会进步做出的重大贡献，进而促进“科学态度与社会责任”核心素养的提升。

2.教学重难点

重点：通过实验探究知道原电池的构成要素，建构原电池的基本模型。

难点：从微粒移动的角度分析原电池的工作原理。

三、教学用品

教师：锌片、铜片、石墨棒、稀硫酸、液体石蜡、烧杯、导线、电流表。

学生：锌片、铁片（或铁钉）、铜片（或铜钉）、铅笔芯、导线、电流表、发光二极管、电子音乐卡、某些蔬菜或水果（土豆、西红柿、苹果等）、碳酸饮料、盐水等。

四、教学过程

环节一：创设情境，引入课题

【教师活动】教师向多块切开的苹果上插入锌片和铜片并用导线串联起来，连接二极管后发现二极管的灯发光的趣味实验导入，提供化学能转化成电能的情境素材，让学生对苹果为什么能使二极管发光产生浓厚的兴趣。然后分析苹果中含有丰富的化学能，该装置实际上是将化学能转变为电能，引导学生得出原电池的含义，即将化学能转化成电能的装置叫原电池。

【学生活动】观看实验过程，思考产生电流的原因，总结原电池的概念。

设计意图：本环节中采用教师自制的苹果电池创设生活化的情境进行导入，学生就会思考我们吃的苹果为什么能发电呢？由此可以激发学生的学习积极性，提升学生对化学能如何转化成电能的探究欲望，而且通过苹果电池让学生初步在脑海中建构原电池的装置模型。

环节二：实验探究，建构模型

【师生活动】教师和学生共同完成如下表1的实验探究，各步实验装置如图2所示，通过实验探究总结原电池的构成要素。

表1 实验探究步骤

图2 实验探究各步骤装置

［小结］

设计意图：利用原电池构成要素的逐步探究作为进阶学习原电池模型的起点，形成证据意识，同时通过教师演示实验和学生探究实验结合授课，使学生充分理解原电池的构成要素，在此基础上对原电池的基本模型进行建构，培养证据推理与模型认知的学科核心素养。

环节三：微观探析，突破原理

【教师活动】宏观辨识与微观探析是化学学科核心素养的重要内容，课堂演示实验很难直观地展示出反应微观层面的变化，因此微观辨析能力一直是高中生比较薄弱的部分，利用信息化教学手段能够生动形象地展示出化学反应微观层面的变化，有利于学生微观探析意识和能力的培养［1］。本环节中教师通过对锌铜原电池中发生的自发的氧化还原反应的分析，让学生思考铜与稀硫酸不反应，为什么在铜片上会产生气泡？指导学生从氧化还原反应中电子转移的角度分析原电池的工作原理，并通过播放如图3所示的原电池工作原理的虚拟仿真动画，分析出原电池中电子和离子的移动方向，同时师生共同总结归纳出如图4所示的原电池工作原理分析模型。

图3 原电池工作原理

图4 原电池原理分析模型

【总结】原电池的原理：

负极（锌片）：Zn-2e-====Zn2+（氧化反应）

正极（铜片）：2H++2e-====H2↑（还原反应）

原电池中微粒的移动：

外电路：电子由负极流向正极，电流由正极流向负极

内电路：阳离子移向正极，阴离子移向负极

【学生活动】首先写出锌和稀硫酸反应的离子方程式，并利用所学的氧化还原反应知识分析该方程式中的电子转移情况，再利用教师播放的虚拟仿真动画外电路中电子的移动方向和溶液中离子的移动方向分析原电池的具体工作原理，并书写相应的电极反应。

设计意图：原电池的工作原理由于涉及微观粒子的移动问题，所以学生学起来比较吃力，可以借助虚拟仿真实验播放铜锌原电池微观原理的动画，学生通过观看动画中电子以及离子的移动，可以直观地总结出离子移动的方向，通过增强教学的直观性降低了学习难度，有利于帮助学生理解原电池的工作原理，认识其本质，从而突破本节课的教学难点，进一步提升了宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养。

环节四：制作电池，巩固模型

【教师活动】请同学们根据所学的原电池的构成要素及工作原理，利用铁片（或铁钉）、铜片（或铜钉）、铅笔芯、土豆、西红柿、苹果、碳酸饮料、盐水等制作一个属于自己的简单原电池，并利用电流表、发光二极管、电子音乐卡等检验是否产生电流。

【学生活动】根据所学内容制作属于自己的原电池（如水果电池、饮料电池、盐水电池等），并展示、交流，对其他同学的作品优缺点做出评价。

设计意图：基于对原电池模型的理解，发散思维，让学生制作简易水果电池、碳酸饮料电池、盐水电池等原电池模型，体会原电池设计的基本思路，强化对原电池的模型认知，感受化学在生活中的应用，加深化学与生活中的紧密联系，提高学习兴趣［2］。

环节五：改进装置，体验创新

【教师活动】通过今天的学习我们知道了原电池的构成要素，也制作出了属于自己的原电池，但我们制作的原电池产生的电流比较弱，所以请同学们课后查阅资料，对自己设计的原电池装置进行更加合理的优化改进，从而使装置更加美观的同时产生更大的电流，并对改进装置的优缺点进行评价。

【学生活动】课后查找相关资料，思考如何对自己制作的原电池进行改进。

设计意图：通过查阅原电池装置的改进方法，让学生认识到学习的知识并不是一成不变的，也可以通过自己的理解对所学的知识进行重构改进，并通过查阅资料使学生明白除了铜锌原电池及水果电池之外，还有很多其他的原电池（如干电池、充电电池、燃料电池等），从而实现对原电池相关知识的深度学习。

环节六：课后探索，巩固所学

【教师活动】给学生布置以下科学探索任务：

1.通过网络、书籍等方式查阅“电池的发展史”。感受电池的不断发展中体现了科学家哪些科学精神？同时谈谈电池的发展前景。

2.通过网络查找废旧电池的处理方法，与同学分享回收废旧电池的意义。

【学生活动】利用课余时间查找资料，与同学交流以上探索任务。

设计意图：学生通过查阅“电池的发展史”，感受伏打等科学家大胆质疑、细心观察、不懈实践、勇于探索、理性思考的科学精神［3］，同时分析电池的发展前景，进而提升自己的科学态度和社会责任的核心素养。通过与同学分享回收废旧电池的意义加强化学与生活的联系，养成用所学的化学知识指导生活的习惯，感受化学对社会的贡献。

五、教学效果分析与反思

本节课通过“制作属于自己的简单原电池”为目的展开了化学能如何转化成电能的探究，刚开始用教师自制苹果电池导入，提高了课堂的趣味性，可以充分调动学生的学习积极性。与以往的设计比较，本设计更加注重对学生探究过程的设计，通过教师对教材的深入挖掘从学生实际情况出发设计了五组探究实验，通过探究得出了原电池的四点构成要素，同时通过在实验过程中观察到的在铜片上产生气泡的异常现象分析了原电池的工作原理，并通过虚拟仿真实验巩固了原电池中微粒的移动，让学生建构了原电池的装置模型和原理分析模型，提升了学生“证据推理与模型认知”“宏观辨析与微观探析”等核心素养。

通过设置“制作属于自己的原电池”这一活动，提升了学生的动手操作能力，进一步完善和巩固了原电池的模型认知，学生通过展示自己制作的原电池体验了成功的喜悦，同时通过思考对自己制作的原电池装置的改进方法促进“科学探究与创新意识”素养的发展。最后通过课后查阅“电池的发展史”“废旧电池回收的意义”等资料，让学生感受到化学对人类生活的改变，使学生更加深刻地认识到化学对创造创新、推动社会的进步发展做出的重大贡献，进而促进“科学态度与社会责任”核心素养的提升。