注重滲透化學學科核心素養的教學設計及課堂實錄
——以“原電池”教學為例

王美季 劉紅梅

（新疆庫爾勒市實驗中學 新疆 庫爾勒 841000）

一、教學設計思路

本節課的教學設計以培養學生化學學科核心素養為目標，希望學生在回顧舊知識的基礎上發現問題，教師引導學生利用化學實驗，驗證猜想。在不斷地設計、探究、評價、反思和實驗總結中，培養學生證據推理及模型認知能力，從而完善對原電池構成條件的再認知。在書寫電極反應式的練習中，培養學生化學表征思維。分析單、雙液原電池離子移動方向問題的教學環節，對學生樹立變化觀念與平衡思想起到積極的作用。另外，整個教學設計指向培養和拓展學生的化學高階思維及提高團隊合作意識。旨在通過實驗，讓學生體驗到科學探究和創新的樂趣，更好地培養學生科學探究和創新意識。為此，本教學從教學線、活動線、認知線、素養線四大線路，從初識原電池、再識原電池、原電池變形記三大環節出發進行設計，教學流程設計如圖1所示。

圖1 教學設計流程圖

二、教學分析

“原電池”是化學學科理論性知識內容中的重要部分，是學生學習和理解化學反應與能量轉化的基礎案例，對于學生學習電化學的相關知識以及樹立和強化學生的化學價值觀念有著重要的意義。［1］教學分析見表1。

表1 “原電池”教學分析和教學目標分析

三、課堂實錄

1.任務一：初識原電池

【教師】PPT 展示2019年榮獲諾貝爾化學獎的三位科學家及其獲獎成就。大家可以猜測一下三位科學家的年齡嗎？

【學生】50歲、60歲左右。

【教師】在2019年，其中一位科學家的年齡為97歲。

【過渡】聽到老師的答案，學生驚訝不已。

【教師】同學們當你聽到他們的年齡，你有何感觸呢？

【學生】他們都已很大的年紀，但卻依然在做科研工作，這種鍥而不舍的工作精神讓我佩服。

【學生】人要活到老學到老，終身學習。

【教師】總結：這三位科學家為了他們的理想，在不斷地努力、探索、前行，為科研事業奮斗終生。我相信每位同學都有自己的理想和目標，為了實現理想目標，我們要有持之以恒的精神和腳踏實地的行動。

【教師】引出課題：今天我們要學習的是與鋰離子電池相關的電化學問題——原電池。在必修二中我們已經簡單地學習過原電池，它是一種將化學能轉化為電能的裝置。請同學們回憶構成原電池的條件。

【學生】活潑性不同的兩極；電解質溶液；形成閉合回路；自發進行的氧化還原反應。

【板書】原電池構成條件：兩極、一液、成回路、自發氧化還原反應

2.任務二：再識原電池

【教師】自發進行的氧化還原反應指的是誰跟誰的反應？

【學生】負極材料與電解質溶液自發進行的氧化還原反應。

【教師】你認為圖2裝置能否構成原電池？

圖2 鐵—碳—氯化鈉溶液裝置圖

【學生】我認為不可以構成原電池，因為鐵與氯化鈉溶液不能發生氧化還原反應。

【教師】到底能否構成原電池，我們用實驗驗證。請根據所提供的實驗用品，組裝實驗，驗證你的猜想。

實驗儀器：原電池單液槽、原電池雙液槽、濾紙、燒杯、電流表、導線；

電極材料：鐵片、石墨棒；介質：氯化鈉溶液；

【過渡】學生以6人為一小組，開始實驗。

【學生】匯報實驗：鐵—碳—氯化鈉溶液能夠形成原電池。利用單液池，電流表的兩端接上導線，導線上一端連接鐵片，一端連接碳棒，將鐵片與碳棒同時插入氯化鈉溶液中，會發現電流表指針發生了偏轉，說明產生了電流，形成了原電池。另外我們小組也利用了雙液槽，但在兩個槽中都盛放的是氯化鈉溶液，在隔板上方加了一個浸有氯化鈉溶液的濕潤濾紙條，發現也產生了電流。

【過渡】通過實驗驗證，鐵—碳—氯化鈉溶液能夠形成原電池。

【教師】同學們能否寫出該電池的電極反應式？

【過渡】小組討論，但對正極是什么物質得到電子還是有些迷惑。有些同學猜測是碳在得電子，但該答案很快被否定。因為碳相對來說較穩定，在原電池中一般不參與電極反應，只起到導電的作用。另外有學生猜測是溶液中的鈉離子。經過分析，我們知道鈉單質的還原性很強，因而鈉離子的氧化性較弱，得電子能力較弱。

【教師】引導學生從溶解在電解質溶液中的成分，思考較易得到電子的物質。

【學生】經過討論分析，原來是空氣中的氧氣溶解其中得到了電子。

【學生板書】負極：Fe-2e-Fe2+

正極：2H2O+O2+4e-4OH-

總反應式：2Fe+O2+2H2O2Fe（OH）2

【教師】通過該實驗，你對原電池的構成條件是否有新的認識？

【學生總結】只要有還原劑能夠失去電子，有氧化劑能夠得到電子，有電解質溶液，形成閉合回路就可以形成原電池。得電子的物質不一定是溶液中的陽離子，也有可能是吸附在電極表面或溶解在電解質溶液中的物質。

【教師】PPT 展示一張生銹的鐵鍋圖片，請同學們思考并利用所學電化學知識解釋該生活現象。

【學生】通過小組討論，發現該原理的本質與上述實驗的原理相同。

【教師】請同學們思考，鐵—碳—氯化鈉溶液實驗，有沒有相對來說實驗裝置簡易、方便操作而且還能夠達到相同實驗效果的裝置？

【學生】我們組用原電池雙液槽進行實驗，若讓它的內電路形成通路，我們想到用浸透氯化鈉溶液的濾紙條搭在雙液槽的隔板上端，發現電流表指針發生了偏轉。

【教師】對小組同學的方案給予肯定，并引導學生積極思考并探究其他更優的實驗方案。此時，教師給學生提供了思路并演示了微型實驗，即：在浸有飽和氯化鈉溶液的濾紙上分別放置鐵粉和碳粉，將電流表兩端的導線同時接觸鐵粉和碳粉，發現電流表指針發生了偏轉。如圖3所示：

圖3 鐵—碳—氯化鈉原電池微型實驗

【過渡】引導學生可以從既操作簡便、節約藥品，又現象明顯、綠色環保的角度選擇實驗藥品和裝置。

【建構模型】由學生對原電池原理的認知做一個系統化的理解和總結，建構原電池知識模型見圖4。

圖4 原電池知識模型

3.任務三、原電池變形記

【教師】剛才有小組做實驗利用的是原電池雙液槽裝置，兩槽中都盛裝的是氯化鈉溶液，兩槽中間搭了一個浸透氯化鈉溶液的濾紙條。這個濾紙條的作用是什么呢？

【學生】起到溝通內電路的作用。

【教師】今天我們來認識一個可以用來專門溝通內電路的介質——鹽橋。

【PPT 展示并板書】鹽橋組成成分：含飽和氯化鉀或硝酸鉀的瓊脂凝膠。作用：溝通內電路；平衡電荷。

【教師】請同學們利用Zn+Cu2+Zn2++Cu，設計帶鹽橋的原電池。畫出裝置圖，并注明電極材料和電解質溶液。

【學生】以小組進行探究討論。畫出的裝置圖主要有兩種，見圖5。

圖5 雙液原電池裝置圖

【過渡】引出在兩個半池中分別用不同電解質溶液的裝置叫做雙液原電池。

【教師】同學們認為這兩種裝置哪一種更好？請同學們再次根據提供的實驗用品展開實驗。

實驗儀器：原電池雙液槽、燒杯、電流表、導線；電極材料：鋅片、銅片；介質：硫酸鋅溶液、硫酸銅溶液。

【小組匯報】組裝圖5左側裝置實驗時，我們發現鋅片表面有紅色物質附著，我們猜測是銅單質析出。與圖5右側裝置相比，左側裝置的電流表剛開始有偏轉，但沒過一會電流表指針的讀數越來越小，最后讀數基本為零。而右側裝置的電流表的讀數相對比較穩定。

【過渡】為了能夠更加直觀科學論證雙液原電池能夠提供相對較穩定的電流，教師找到了數字化實驗的視頻。

【教師】播放數字化實驗視頻，視頻中的截圖是利用數字采集器對單、雙液原電池產生電流情況的圖像表征，見圖6。

圖6 單、雙液原電池數字采集器電流圖像

【學生總結】雙液原電池能夠產生更加持續、穩定的電流。

【教師】幫助學生共同分析單液原電池不能產生持續穩定電流的原因。單液原電池中負極鋅片與電解質溶液直接接觸，部分電子未經導線轉移而直接在鋅片電極表面被銅離子得到，導致電能轉化率低。從電流角度看，鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，在鋅表面析出銅單質，也形成了原電池，進一步加速銅在鋅表面析出，致使向外輸出的電流強度減弱。而雙液原電池很好地避免了這些情況，鹽橋不僅起到溝通內電路的作用同時起到保持兩溶液電中性的作用，保障了電子從鋅向銅的不斷轉移，因此在外電路可形成持續穩定的電流。［2］

【過渡】鞏固練習：利用Cu+2Ag+Cu2++2Ag，Cu+2Fe3+Cu2++2Fe2+這兩個離子方程式，設計帶鹽橋的原電池。

【學生】小組內分工合作，一個學生上黑板展示所畫出的雙液原電池裝置圖，另一個同學負責書寫正負極的電極反應式。之后小組與小組之間相互進行評價。

【教師】梳理總結：設計雙液原電池的關鍵——負極材料不與電解質溶液直接接觸發生氧化還原反應，所以負極材料一般插入與之含有相同元素陽離子的鹽溶液。

【教師】對原電池進行總結，再次幫助學生從原理維度和裝置維度構建原電池的認知模型，見圖7。

圖7 原電池認知模型

四、本教學設計特色

本教學設計主要有以下特色：

（1）本教學設計符合素養型課堂。以實驗事實設疑，又以實驗釋疑，整個教學過程中在不斷滲透和培養學生宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、科學探究與創新意識及社會責任等化學核心素養。另外在單、雙液原電池的原理探究、實驗裝置設計、優缺點的對比等教學活動中，教師幫助學生建構原電池知識模型，培養了學生化學實驗思維。電極方程式的書寫訓練環節，培養了學生的化學表征思維，讓學生能夠從宏觀、微觀及符號的三個視角對原電池問題進行分析和表征。［3］

（2）教學設計和上課過程都注重學生由低階思維向高階思維的培養。在實驗裝置的選擇、比較、現象分析、質疑、診斷、評價、反思的小組合作探究中，屬于學生自己的化學思維模型再得到有效地構建。同時，通過實驗探究活動，可提高學生的實驗操作能力與小組協作能力。

（3）注重“教、學、評”一體化。［4］以教師的教學線、學生的活動線、認知線和素養線為依托，對學生的評價方式多樣，有課前知識檢測，課中教師提問，小組同學之間對每一次實驗操作的規范性、實驗裝置圖設計的合理性以及電極反應式書寫的正確性等進行評價。在學生相互評價中，學生能夠更加意識到知識或思維漏洞，促進學生積極思考并解決問題，進而也就加深了學生對于知識的理解和應用。