培養學科核心素養的教學實踐研究
——以“原電池工作原理”教學為例

朱將娥 南俊民

(1.華南師范大學化學與環境學院 510006;2.廣東省惠州市第八中學 516001)

一、教學思路

1.設計理念

原電池工作原理是高中階段學習化學反應原理的典型代表.在本節的教學中，原電池構成條件判斷、正負極判斷、電極式書寫、設計原電池和雙液電池是學習的要點.

2.教材分析

“原電池工作原理”是魯科版化學選修4《化學反應原理》第1章第3節內容，前兩節依次為“化學反應的熱效應”和“電能轉化為化學能——電解”.教材以“能量轉化”為主線，先定量描述化學反應的熱效應，再通過電解和電池介紹電能與化學能相互轉化的具體形式.第3節 “化學能轉化為電能——電池”包含3個部分：原電池工作原理、化學電源和金屬的腐蝕與防護.其中，“原電池工作原理”是本節教學的重點.

二、教學設計和實踐

1. 回顧化學反應與能量變化知識判斷原電池，培養變化觀念與平衡思想

學生在必修課階段學習能量變化，主要是了解化學能與其他能量(熱能、電能和光能)的轉化，并且遵循能量守恒定律.其中原電池是將化學能轉化為電能的裝置.這些知識因只作過簡單介紹，往往使學生對這些內容印象不深，再加上前一節剛學習了電能轉化為化學能的裝置——電解池，對本節知識學習容易造成混淆，為此設計了如下的學習任務1.

學習任務1 ：原電池中涉及的能量變化及其構成條件

師：(演示實驗)①將鋅片插入硫酸銅溶液；②將鋅片與銅片一起插入硫酸銅溶液；③將鋅片與銅片用導線連接后插入硫酸銅溶液.問：請描述這三個實驗的現象，分別涉及哪些能量的轉化？生：①鋅片表面有紅色固體附著，化學能轉化為熱能；②鋅片表面有紅色固體附著，銅片表面無明顯變化，化學能轉化為熱能；③鋅片逐漸溶解，銅片變厚，化學能轉化為電能.師：實驗③中化學能轉化為電能，它通過定量的一個反應源源不斷地提供電能嗎？為什么？生：不能.這不符合能量守恒原理.師：根據實驗回顧，構成原電池的條件有哪些？ 生：(多個學生回答綜合)構成條件包括閉合回路、活潑性不同的兩個電極、電解質溶液和能自發進行的氧化還原反應.師：呈現熱化學方程式：

ΔH=-216.81 KJ·mol-1

ΔH=216.81KJ·mol-1

提出問題：為什么在這個原電池中，Zn與CuSO4溶液能反應放電，而逆向反應不能放電呢？

生：通常情況下，Zn與CuSO4溶液反應是化學能轉化為熱能，在原電池中是化學能轉化為電能，而逆向反應在能量變化中不能自發進行.

設計意圖：演示實驗能激發學習欲望，學生感知實驗中同一個化學反應既能由化學能轉化為熱能，又能由化學能轉化為電能，培養學生變化觀念.在原電池形成條件中通過補充熱化學方程式，從理論上提供了能量轉化的依據；實驗③說明一個定量的化學反應不能源源不斷提供能量，熱化學方程式中焓變數據為定值都能讓快速回顧能量守恒定律相關知識，培養平衡思想.

2.巧設問題鏈判斷原電池正負極，培養宏觀辨識與微觀探析能力

學習任務2：從宏觀、微觀角度判斷原電池正負極

師：將剛才演示實驗③中的銅-鋅-硫酸銅原電池接上檢流計，問：電流流向？哪一極為正極、哪一極為負極？生：從銅電極流向鋅電極；銅電極為正極，鋅電極為負極.師：我們一起觀察分析該原電池，從宏觀上可以通過哪些直觀現象判斷原電池的正負極呢？生：(多個學生回答綜合)化學反應類型方面，發生氧化反應的一極為負極；電極材料方面，通常較活潑的一極為負極；電極質量方面，質量會減少的一極為負極.師：將該原電池的電解液硫酸銅溶液換成稀硫酸，引導學生找出與上述不同的現象并判斷正負極.生：該原電池中銅電極表面有氣泡產生，所以電極反應中若有氣泡冒出的一極為正極.師：投影出鎂-鋁-氫氧化鈉溶液原電池，請同學們繼續分析該原電池的正負極.生1：鎂較活潑，鎂電極為負極.生2：鎂電極表面有氣泡產生，故鎂電極為正極.師：以上兩位同學的說法都有依據，究竟個答案是正確的呢？請同學們從微觀角度分析.生：在這個原電池中，事實上是鋁與氫氧化鈉發生反應，鋁元素失電子發生氧化反應，故鋁電極為負極，鎂電極為正極.師：原電池的正負極判斷中，哪種判斷依據是適用于各類型原電池的呢？生：從宏觀上發生氧化反應或還原反應的電極判斷，或從微觀上得失電子角度判斷正負極是適用于各類型原電池的.

設計意圖：宏觀上辨識原電池正負極有多種方法，引導學生從多角度辨識原電池正負極，培養學生的宏觀辨識能力.通過鎂-鋁-氫氧化鈉溶液原電池正負極的分析，讓學生自相矛盾，自己區分正負極判斷依據并非全部適用于各類原電池，能培養學生辨證能力，再從微觀(得失電子)角度探析原電池正負極，并歸納出適用各類原電池正負極判斷依據，培養學生宏觀辨識與微觀探析能力.

3.書寫電極反應式，培養證據推理與模型認知能力

在 “電解池”一節中，學生已經學習過電極反應式的書寫，聯系兩者，均是形成閉合回路，通過電子、離子移向模型推斷電極反應式的書寫.但是“電解池”中有電源，電源的正負極對應陰陽極，電極反應式相對較易推導出；原電池得先判斷正負極，并判斷得失電子的物質，才有可能書寫電極反應式.因此，設計了如下的學習任務3.

學習任務3：通過原電池模型，推斷電極反應式的書寫

師：投影銅鋅硫酸銅原電池實驗裝置模型圖(圖1).

我們已經知道：宏觀上，該原電池的現象是鋅片逐漸溶解，銅片變厚；微觀上，Zn失電子， Cu2+得電子.那么，該如何書寫該原電池兩極的電極反應式呢？

生：書寫負、正極電極反應式.

生：從氧化還原反應的角度拆分，若書寫電極反應式，可以將電池反應式畫出雙線橋，然后將雙線橋分成兩部分，每一條橋寫成一個半反應，就是電極反應式了.

設計意圖：化學學習最重要的是需要將知識運用化學符號表達出來.在原電池電極反應式書寫過程中，通過建立宏觀的原電池模型，引領學生對原電池電子流向的微觀探析，便于形成立體思路，能幫助學生提取有效信息，以電極反應式的形式進行化學符號表達.引導學生依據氧化還原反應雙線橋分析元素得、失電子，從已知的知識推理出正、負極電極反應式，培養學生證據推理能力，同時解決本節難點.

4.設計原電池分組實驗，培養實驗探究與創新意識

在學習了原電池構成條件、正負極判斷、電極反應式書寫后，學生有能力進行相關原電池的設計和分組實驗.為此，把設計原電池并進行分組實驗作為本次教學的學習任務4.

學習任務4：設計原電池并進行分組實驗

師：提供實驗儀器和藥品：鐵片、銅片、石墨棒、檢流計(G)、導線、大燒杯、FeCl3溶液，請學生按小組選擇上述儀器和藥品設計成一個原電池并進行實驗.

生：設計原電池，書寫正負極電極反應式.

設計意圖：設計兩組實驗，其中第一組是提供儀器和藥品，讓學生設計原電池，培養學生實驗探究能力.第二組是只給出原電池總反應式，要求學生設計電極材料及電解質溶液，不同的學生會選取不同的電極材料，給學生創新的空間，培養創新意識.

5.從能量轉換效率出發學習雙液電池，培養科學精神與社會責任

理論只有聯系了實際才能為我們所用.簡單的單液原電池不能提供穩定電流，只有將實際應用中遇到的問題解決，才能掌握原電池的原理，這將通過如下的學習任務5來實現.

學習任務5：了解鹽橋，學習雙液電池

師：我們前面所進行的是簡單的單液原電池設計和實驗，事實上，這類原電池不能長時穩定供電.細心的同學會發現，演示實驗③的原電池中負極鋅片上也有紅色物質附著，這是為什么？請小組討論并代表發表觀點.生：我們小組認為，鋅直接置換出單質銅并附著于表面.師：怎么證明你們的觀點？生：思考、討論、回答.首先鋅與硫酸銅溶液直接接觸，部分鋅失去電子可能不經外電路而直接傳遞給溶液中的Cu2+，生成單質銅.這里的能量變化主要是化學能轉化為熱能，可以使用溫度計測量溶液中的溫度變化確定.所以這部分本來可以轉化為電能的化學能卻轉化成了熱能，造成能源浪費.師：要避免這種情況發生，只能將鋅片與硫酸銅溶液分離，這樣原電池就會斷路，解決此問題的方式就是使用鹽橋.生：了解鹽橋的制備方法和使用說明，學習雙液電池.

設計意圖：學生自行觀察實驗發現單液電池的弊端，思考并尋找解決該弊端的方法，培養將化學成果應用于生產生活的意識，依據實際條件運用化學知識解決生產生活中的化學問題.通過單液電池部分化學能轉化成熱能造成浪費的角度，讓學生明白化學服務于社會過程中要盡量避免浪費.這是培養學生科學精神和社會責任感的良好契機.

三、實踐教學反思與討論

本教學過程是“原電池工作原理”完整一課時的課堂實錄.教學設計主要有原電池構成條件判斷、正負極判斷、電極式書寫、設計原電池以及雙液電池的學習五個部分.對比教學設計與教學實踐，以下幾個方面需要引起特別關注.

首先，在原電池構成條件判斷中，可添加熱化學方程式說明電勢差是原電池構成條件.學生判斷Zn與CuSO4溶液反應是化學能轉化為熱能，同時，推理該反應也能是化學能轉化為電能的過程，是培養學生“證據推理”能力的好方式.

其次，電極反應式是原電池工作原理的重點，在書寫電極反應式教學過程中，可采用“宏-微-符”表征的方式.電極反應式作為一種化學符號，能夠通過原電池的宏觀現象揭示微粒的微妙變化，結合實驗裝置模型，聯系氧化還原反應雙線橋法，達到培養證據推理與模型認知能力的目標.

再者，在雙液電池的學習中，關于培養科學精神與社會責任方面體現的不夠明顯，需要引起特別注意.教師可以設計拓展實驗，讓學生課余時間使用水果、銅絲、鐵絲、棉布等常見材料設計雙液電池.另外，課后可以收集一些廢舊電池帶到學校，分析廢舊電池工作原理，同時引導學生不亂丟廢電池，保護環境，這樣讓學生在課外也能培養社會責任.

發展學生核心素養的“核心”是促進人的全面發展，根本目的是“使教育轉向人、聚焦人、發展人”.我國還主要處于對核心素養的理論研究上，對學生發展核心素養研究的實踐很少，對化學學科核心素養的研究更少.一線教師多學習理論，將理論聯系教學實踐促進學生發展核心素養顯得尤為迫切.