黃清輝　張賢金　吳新建

摘要：基于化學(xué)深度學(xué)習(xí)的已有研究和觀點的分析，以高中化學(xué)魯科版《化學(xué)2（必修）》“原電池的工作原理”為例，進行基于實驗探究促進學(xué)生化學(xué)深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計及實施，最后對該教學(xué)設(shè)計及實施進行反思。

關(guān)鍵詞：實驗探究；原電池；概念原理；問題串；深度學(xué)習(xí)

文章編號：1008-0546（2016）06-0017-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.06.005

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)非常注重知識的傳授，而忽視學(xué)生親身體驗及感受實驗所獲得的經(jīng)驗，這一方面導(dǎo)致學(xué)生缺乏實踐和探究的機會，另一方面導(dǎo)致學(xué)生的分析解決問題和合作交流的能力得不到提升。新課程非常注重對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，而新課程理念的有效落實離不開實驗探究[1]。為此，教師應(yīng)該充分利用探究實驗讓學(xué)生完成“猜想——實驗——發(fā)現(xiàn)——發(fā)展”的過程，有利于培養(yǎng)創(chuàng)造型人才并形成終身學(xué)習(xí)的意識和能力。本文擬以高中化學(xué)魯科版《化學(xué)2（必修）》“原電池的工作原理”為例，探討如何在實驗探究中幫助學(xué)生去發(fā)現(xiàn)、體驗、感知化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生電能，最終對原電池的工作原理有深刻的理解，從而幫助學(xué)生實現(xiàn)化學(xué)深度學(xué)習(xí)。

一、化學(xué)深度學(xué)習(xí)的已有研究

深度學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)科學(xué)提出的一個重要的概念和理論。1976年，美國學(xué)者Ference MArton和Roger Salio首先提出了深度學(xué)習(xí) （Deep Learning） 和淺層學(xué)習(xí)（Surface Learning）這兩個相對應(yīng)的有關(guān)學(xué)習(xí)的概念[2]。之后，國外的學(xué)者們對深度學(xué)習(xí)進行了大量的理論和實證研究。近年來，國內(nèi)學(xué)者將深度學(xué)習(xí)理論引入國內(nèi)，并進行了研究。然而，具體到化學(xué)學(xué)科目前有關(guān)化學(xué)深度學(xué)習(xí)的研究成果并不多見。張發(fā)新基于國內(nèi)外學(xué)者對深度學(xué)習(xí)概念的界定的分析，認為深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵包括幾個方面：一是深入理解學(xué)科基本思想、學(xué)科基本思維及其結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)；二是深刻領(lǐng)會并掌握學(xué)科知識的符號意義、邏輯意義的學(xué)習(xí)；三是促進學(xué)生深化認識知識價值意義的學(xué)習(xí)[3]。劉巖和張發(fā)新認為化學(xué)教學(xué)中的深度學(xué)習(xí)具有五個主要特征：注重批判理解、強調(diào)知識整合、關(guān)注知識的建構(gòu)、著意遷移運用、強調(diào)面向?qū)嵺`應(yīng)用。他們認為，要實現(xiàn)化學(xué)教學(xué)中的深度學(xué)習(xí)要著重落實三個操作性核心要素，即真實、反思和遷移[4]。按照化學(xué)深度學(xué)習(xí)的已有研究和觀點，我們以高中化學(xué)魯科版《化學(xué)2（必修）》“原電池的工作原理”為例，進行教學(xué)設(shè)計并實施。

二、教學(xué)設(shè)計思路

簡要的教學(xué)設(shè)計思路如下：創(chuàng)設(shè)情境（伏打電池的發(fā)明）——視頻投影（世界首架干電池動力飛機）——分組實驗（鋅粉與稀硫酸反應(yīng)）——利用氧化還原反應(yīng)的知識分析該反應(yīng)——引發(fā)“化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能”的猜想——實驗探究原電池的工作原理——引導(dǎo)學(xué)生分析原電池的工作原理——水果電池的設(shè)計——解決問題（為格林太太開藥方）。該教學(xué)設(shè)計在學(xué)生已有經(jīng)驗和認知基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)設(shè)真實的情境，并通過分組實驗探究的方式，在一系列的實驗問題串的啟發(fā)下促進學(xué)生思考和探究，讓學(xué)生進行自我反思體悟建構(gòu)原電池的工作原理，最后將原電池的工作原理應(yīng)用于水果電池的設(shè)計和為格林太太開藥方，從而實現(xiàn)知識和方法的遷移應(yīng)用。整個教學(xué)設(shè)計過程符合已有的對化學(xué)深度學(xué)習(xí)的認識。

三、教學(xué)目標

1. 理解原電池的工作原理，能判斷正負極，了解電極反應(yīng)式。

2. 通過學(xué)生經(jīng)歷假設(shè)與猜想、設(shè)計方案、進行實驗、觀察分析實驗現(xiàn)象、得出結(jié)論、應(yīng)用結(jié)論解決問題的過程，逐步探究出原電池的工作原理，并學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。

3. 通過實驗探究，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，感受化學(xué)世界的奇妙，培養(yǎng)學(xué)生勤于思考、探索求實的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)品質(zhì)。

四、教學(xué)難點及其突破策略

教學(xué)難點是通過實驗探究，逐步引導(dǎo)學(xué)生從氧化還原反應(yīng)本質(zhì)理解原電池的工作原理及其應(yīng)用。采用情境創(chuàng)設(shè)、問題探究、圖像輔助等教學(xué)方式，由淺入深，循序漸進，逐步突破的辦法引領(lǐng)學(xué)生理解和突破本節(jié)課的難點。

五、教學(xué)主要過程

[創(chuàng)設(shè)情境]1786年，意大利著名生物學(xué)家伽伐尼通過蛙腿收縮實驗發(fā)現(xiàn)“生物電”。1799年，意大利著名的物理學(xué)家伏打通過對伽伐尼的發(fā)現(xiàn)做了研究，發(fā)明了第一個化學(xué)電池“伏打電池”。科學(xué)家對原電池進行大量的實驗研究和改進，現(xiàn)在同學(xué)們比較熟悉的電池有干電池、鉛蓄電池、鋰電池、燃料電池等。

[師]同學(xué)們，干電池的作用大家肯定比較了解，但160個干電池作為動力可以讓一架飛機起飛，你們信嗎？

[投影] 播放視頻——世界首架有人駕駛的干電池動力飛機試飛成功。

設(shè)計意圖：通過蛙腿實驗、伏打電池的介紹、干電池動力飛機的投影及常見電池的介紹，讓學(xué)生了解原電池發(fā)展史的同時，也讓學(xué)生們感受到化學(xué)實驗的巨大魅力及作用，極大地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提升學(xué)生的求知欲望。

[過渡]電池是我們非常熟悉的東西，那么你們知道干電池內(nèi)部的工作原理嗎？

[學(xué)生分組實驗]取適量0.5mol·L-1稀硫酸滴入盛有鋅粉的試管中，然后將溫度計插入溶液中，過一段時間再測溶液的pH，并記錄實驗現(xiàn)象。

[現(xiàn)象] 溫度計示數(shù)上升，溶液中產(chǎn)生大量的氣泡，溶液的pH變大。

[設(shè)計問題串，引發(fā)學(xué)生創(chuàng)造思維]

問題1：從化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)分析：鋅粉與稀硫酸反應(yīng)屬于哪類反應(yīng)；從化合價變化的角度分析：該反應(yīng)又屬于什么反應(yīng)，此類反應(yīng)的實質(zhì)是什么？

問題2：鋅粉失去電子，硫酸電離出的氫離子在鋅的表面得到電子生成氫氣，并放出熱量。那么，能否利用該反應(yīng)產(chǎn)生其他形式的能，如電能？

問題3：如果可以產(chǎn)生電能，那么怎樣才能檢測到反應(yīng)產(chǎn)生電能？請設(shè)計實驗方案。

實驗用品：鋅片、銅片、電流計、導(dǎo)線、稀硫酸、燒杯等。

設(shè)計意圖：問題1與問題2讓學(xué)生意識到鋅粉與稀硫酸的反應(yīng)既是放熱反應(yīng)又是氧化還原反應(yīng)；回顧氧化還原反應(yīng)的特征（元素化合價的變化）及實質(zhì)（電子的轉(zhuǎn)移），并結(jié)合物理電學(xué)的相關(guān)知識（電子的定向移動形成電流），引導(dǎo)學(xué)生大膽假設(shè)利用該反應(yīng)可以產(chǎn)生電能，培養(yǎng)學(xué)生的想象力與創(chuàng)造力。問題3主要引導(dǎo)學(xué)生從閉合回路的角度設(shè)計實驗，并用電流計檢測電流。

[學(xué)生活動] 探究利用化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能

[實驗1]將鋅片插入盛有稀硫酸的燒杯中，觀察現(xiàn)象并做好記錄。

[實驗2]將鋅片與銅片平行的插入盛有稀硫酸的燒杯中。一段時間后，將鋅片與銅片接觸，觀察現(xiàn)象并做好記錄。

[實驗3]將鋅片與銅片用導(dǎo)線連接，平行插入盛有稀硫酸的燒杯中，并將電流計接在導(dǎo)線的中間，觀察現(xiàn)象并做好記錄。

[學(xué)生]實驗1鋅片表面上產(chǎn)生氣泡，銅片上無明顯現(xiàn)象；實驗2接觸前鋅片有氣泡，銅片無氣泡，而接觸后銅片表面也產(chǎn)生氣泡且更劇烈（此時鋅片也能觀察到少量氣泡）；實驗3銅片產(chǎn)生氣泡，電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

設(shè)計意圖：通過實驗教學(xué)使學(xué)生意識到只有釋放能量的氧化還原反應(yīng)才能實現(xiàn)化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化，而非所有釋放能量的化學(xué)反應(yīng)都能轉(zhuǎn)化為電能。引導(dǎo)學(xué)生體驗類似科學(xué)家進行科學(xué)實驗探究的一般過程，在探究過程中完成知識的自主建構(gòu)，同時培養(yǎng)學(xué)生的動手、觀察、合作交流、解決問題的能力，提高學(xué)生的主體地位，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。

[設(shè)計3個問題，引導(dǎo)學(xué)生分析原電池的工作原理]

問題1：實驗3產(chǎn)生電流的原因？

問題2：銅片上產(chǎn)生什么氣體？怎樣證明？

問題3：銅片上的氫氣是如何產(chǎn)生？H+獲得的電子是鋅片還是由銅片提供？

設(shè)計意圖：問題1讓學(xué)生回顧初中物理有關(guān)電學(xué)知識；問題2主要讓學(xué)生學(xué)會從微粒觀角度去分析產(chǎn)生氫氣的原因（硫酸在水中電離產(chǎn)生H+，同時也讓學(xué)生意識到不是銅電極發(fā)生反應(yīng)）；問題3引導(dǎo)學(xué)生從溶液的顏色（銅若失電子，溶液會變藍）分析提供電子的物質(zhì)。三個問題環(huán)環(huán)相扣，一步步引導(dǎo)學(xué)生去思考問題，最終揭示原電池的工作原理。

[結(jié)論一]化學(xué)反應(yīng)能產(chǎn)生電能，原電池就是利用氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。

[多媒體動畫展示]鋅-銅原電池中的電子得失及電子、燒杯中離子移動的方向。

設(shè)計意圖：Flash動畫展示既能吸引學(xué)生的注意力，又能更加直觀、清晰地展現(xiàn)離子、電子、電流流動方向及實驗現(xiàn)象，這避免學(xué)生錯誤地認為在化學(xué)電池中電流是電子的連續(xù)運動形成的，同時便于學(xué)生從微粒觀的角度去理解原電池工作原理。

[結(jié)論二]原電池的工作原理：是利用鋅、銅兩個電極的電極電勢的不同（鋅比銅的低），產(chǎn)生電勢差，鋅失去電子沿著導(dǎo)線向銅電極發(fā)生定向移動，產(chǎn)生電流。

[提出問題]鋅片與銅片分別發(fā)生哪種類型反應(yīng)，并用式子表示出來。

[教師引導(dǎo)共同得出結(jié)論三]電極及電極反應(yīng)式：

鋅片（負極：電子流出的一極）：Zn - 2e-Zn2+（氧化反應(yīng)）；

銅片（正極：電子流入的一極）：2H+ + 2e- H2↑（還原反應(yīng)）。

設(shè)計意圖：部分學(xué)生在寫正極反應(yīng)式時，往往寫成銅得電子，其根本原因是沒能弄清金屬只能失電子及沒能弄清銅片有大量電子。通過書寫電極反應(yīng)方程式，結(jié)合原電池工作原理圖，再次引導(dǎo)學(xué)生從微粒觀角度分析理解原電池工作原理，實現(xiàn)從感性到理性、現(xiàn)象到本質(zhì)的突破，解決本節(jié)課的難點。

[學(xué)生活動] 請根據(jù)剛才所學(xué)知識，制作蘋果電池。

設(shè)計意圖：即學(xué)即用，既能鞏固所學(xué)知識，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，讓學(xué)生體會化學(xué)來源于生活，又應(yīng)用于生活。

[交流討論]《格林太太的假牙》的故事。

六、基于實驗探究促進學(xué)生化學(xué)深度學(xué)習(xí)的教學(xué)反思

本節(jié)課的特點是利用學(xué)生已有的認知水平，通過實驗探究來解決化學(xué)重要知識，同時設(shè)計一系列為教學(xué)服務(wù)的問題串，培養(yǎng)學(xué)生自主探究的能力，從而幫助學(xué)生深刻理解原電池的工作原理，最終幫助學(xué)生實現(xiàn)化學(xué)深度學(xué)習(xí)。

1. 利用化學(xué)實驗及學(xué)生的已有認知，創(chuàng)設(shè)一系列的問題情境

教師在教學(xué)活動中，要善于借助化學(xué)實驗，并通過實驗挖掘新舊知識間的內(nèi)在聯(lián)系，并利用學(xué)生已有的知識體系去設(shè)計問題情境，并進行有針對性的分組討論，提出解決問題思路，逐步提升學(xué)生的認知水平。學(xué)生在實驗及問題探究中，化學(xué)的學(xué)科素養(yǎng)也得到了提升。

2. 發(fā)揮教師在實驗探究中的組織和引導(dǎo)作用，培養(yǎng)學(xué)生自主探究的能力

在實驗探究過程中，教師的組織和引導(dǎo)是非常重要的。在原電池的工作原理教學(xué)中，涉及金屬與溶液的導(dǎo)電性、電解質(zhì)的電離及氧化還原反應(yīng)等相關(guān)知識，學(xué)生已有的認知有限，教師如果不對實驗加以引導(dǎo)、啟發(fā)的話，學(xué)生可能無法著手進行實驗探究，達不到良好的教學(xué)效果。反之，教師有目的性地設(shè)置一系列遞進式的問題串后，組織學(xué)生依據(jù)問題進行分組討論后設(shè)計實驗方案，然后組織學(xué)生再對各種方案加以對比、分析、評價后，最后形成較為科學(xué)嚴密的實驗裝置和實驗方案，學(xué)生也就很快依據(jù)實驗探究得到正確的結(jié)論。

3. 利用化學(xué)實驗，培養(yǎng)學(xué)生用微粒觀分析問題的能力

教師在教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生從微粒觀的角度對化學(xué)實驗中的宏觀現(xiàn)象（沉淀、氣泡、顏色變化、溫度變化等） 進行分析，組織學(xué)生大膽假設(shè)并進行實驗驗證，最終讓學(xué)生明白問題的本質(zhì)。本節(jié)教學(xué)中，電子是鋅片還是由銅片提供，通過引導(dǎo)學(xué)生觀察溶液顏色及離子的特征去分析實驗的本質(zhì)，這樣處理有利于引導(dǎo)學(xué)生在今后遇到類似問題，知道問題解決的切入點，促進學(xué)生分析、探究問題的習(xí)慣養(yǎng)成，提升解決問題能力。

總之，通過探究性實驗使學(xué)生從被動地接受知識轉(zhuǎn)化為主動去探索新知，有利于學(xué)生動手實驗、動眼觀察、動腦思維、動口表達，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)過程成為發(fā)現(xiàn)認知的過程，學(xué)生在認知的同時，邏輯思維、探究思維、創(chuàng)造思維得到全面發(fā)展，最終實現(xiàn)了化學(xué)深度學(xué)習(xí)的目標。

參考文獻

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