数字化实验在化学概念教学中的应用

何翔

摘要：基于相关理念确立核心概念及反应原理的教学目标，结合数字化实验技术进行“化学能转化为电能”的教学设计。教學实践中，设计可视化实验将电子、离子的定向移动变得“可见”，提高学习的趣味性，激发学生的学习热情和创新意识。开放式情境下的原电池概念及构成条件的深层次实验探究，注重知识学习的批判性理解，帮助学生形成发散思维，促进其深度学习，提升化学学科核心素养。

关键词：数字化实验; 核心概念; 深度学习; 核心素养; 原电池

文章编号：1005-6629（2020）07-0049-07

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1  问题的提出

化学能和电能的相互转化是高中化学的重要内容，是目前人类能源利用的重要形式，与生活实际和社会发展联系紧密。在实际教学中学生掌握比较困难，特别是溶液中阴、阳离子的移动方向一直是学生理解的难点，学科核心素养难以得到有效的提升。

本文以“化学能转化为电能”的教学为例，利用数字化实验技术，准确获取化学实验过程中原本难以测量的数据，结合开放式的自主实验探究，实现学生对原电池核心概念、原理及形成条件等教学重、难点的深入理解，在培养学生高阶思维的同时发展学生的学科核心素养。2  教学设计思路

本节课选自苏教版化学2专题2第三单元“化学能与电能的转化”第1课时[1]，内容在高中化学中具有承上启下的作用，学生对这节课的掌握情况直接影响他们在电化学领域的学习。面对第一次接触抽象的电化学概念，且需要将之前所学知识提升到应用层面，对学生来说是不小的挑战。为了使学生在探究性课堂中建立起分析原电池的思路和方法，促进学生思维能力和核心素养的培养[2]，通过分析学生知识结构，形成了如下教学思路（见图1）。本节课融合了氧化还原反应、金属的性质、电解质溶液等知识，还与物理学科的电学基本知识相联系，综合性较强。在已有知识下使学生成功实现能量观、转换观、微粒观等相关化学基本观念的构建，并在此基础上借助数字化实验技术，达到理解原电池概念及工作原理的目标。

本节课的素养目标为：通过数字化技术，设计一系列实验探究，从装置、原理及能量的角度深度剖析电池是如何工作的，使学生从微观视角深层次理解原电池核心概念、原理及构成要素，发展通用原电池的模型认知，使学生的思维在较高的层次上发散，以提升学生“宏观辨识与微观探析”“科学探究与创新意识”以及“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养。通过了解原电池原理在生产、生活中的广泛应用，感受其应用价值，培养学生对化学的求知欲望和学习热情，感悟科学精神和社会责任，使课堂教学目标从“教会知识”向“发展素养”转变。

3  教学实录

3.1  借助实验帮助学生认识氧化还原反应中的能量变化

[实验探究1]用温度传感器测定盐酸的初始温度，加入少许锌粉后继续测量，观察到体系温度从14.3℃升高到18.6℃，同时有大量的气泡产生。

教师：有气泡产生，温度升高，说明化学能转化为热能，此过程中有电子转移吗？请写出反应的离子方程式，标出电子转移的方向。

学生：

提问：这个反应中有电流产生吗？

学生：没有。

教师：有电流产生，电子不光要转移，还要定向移动。请同学们设计实验，让电子“乖乖”地定向移动。

设计意图：从学生已有的化学能转化为热能知识的引入，再由氧化还原反应中虽有电子转移但未形成电流，帮助学生认识到电流的形成需要电子的定向移动，激发其对后续探究实验的期待。同时，科学概念的形成是循序渐进的，在学习“原电池”之前，学生对“化学能和热能、氧化还原反应”等概念已有一定的认识，这些已有概念是“原电池”的教学基础。

3.2  借助于数字化实验技术帮助学生理解原电池概念及工作原理

[实验探究2]将一小粒锌置于培养皿中，向培养皿中加入少量稀硫酸，使其浸没锌粒。将弯曲的铜丝一端（A端）浸在稀硫酸中，然后另一端（B端）接触在锌粒表面，观察现象。

学生：铜丝A端有气泡。

提问：生成什么气体？

学生：氢气。

追问1：氢气如何生成的？

学生：氢离子得到电子。

追问2：铜丝A端是怎么有电子的呢？

学生：锌失去的电子定向移动到铜丝的A端。

教师：这说明该装置应该形成了电流，你们看到有电流产生吗？

学生：没有看到。

教师：大家刚才所做的实验就相当于我们教材的实验1、2、3，接下来我们“放大”刚才所做的微型实验。

设计意图：学生通过实验探究，设计出简易的单液锌铜微型原电池，使学生初步构建了原电池概念，完成了对原电池装置的初步认识，意识到在锌与稀硫酸中用铜丝“搭桥”即可实现电子的定向移动，体会到在原电池实现化学能到电能的直接转化过程中形成闭合回路的重要性，为原电池概念及工作原理的理解奠定基础。

[实验探究3-1]把一块锌片和一块铜片插入盛有稀硫酸的电解槽中，在锌铜之间用导线连接，且在导线中间连接灵敏电流计（见图2），观察并记录电流计指针偏转方向。

学生：指针向铜片偏转。

[实验探究3-2]把一节干电池和灵敏电流计串联起来（见图3）。观察并记录电流计指针偏转方向。

学生：指针向正极偏转。

教师：实验探究3-1的装置等效于一个干电池，我们把这个由化学能转化为电能的装置称为原电池。请大家注意电流的方向是由正极流向负极，而电子的移动方向与电流的方向相反，即电子的移动方向是负极移向正极，通过上述对比实验中电流计指针的偏转说明锌是负极，铜是正极。锌片是负极材料，失电子发生氧化反应;而正极材料是铜片，得电子发生还原反应。下面我们来书写它们的电极反应式。

负极  Zn-2e-Zn2+，负极发生氧化反应

正极  2H++2e-H2，正極发生还原反应

教师：锌失去电子变成锌离子，生成的锌离子是向哪一极移动？

过渡：锌离子向正极移动，这样就可以让电极和溶液之间形成闭合回路。我们借助氯离子传感器进行实验探究，来验证阴离子是否是向负极移动、阳离子是否向正极移动。

设计意图：将该原电池电流计指针的偏向和生活中干电池电流计指针的偏向相联系，让学生能够意识到铜片就相当于干电池的正极，在这一基础上“原电池”的概念形成便水到渠成。课堂内容与生活实际相联系，既提高了学习兴趣，又降低了学习难度，还能让学生了解化学学科的重要性，增强他们的社会责任感。

[实验探究4]把一块锌片和一块石墨棒插入盛有氯化铜溶液的烧杯中，在锌、石墨之间用导线连接，在石墨电极附近用氯离子传感器测氯离子浓度的变化，观察并记录实验现象。

实验说明：氯离子传感器使用前要预热4小时以上，所以教师提前做了实验。

提问：在此实验中电极从铜片换成了石墨棒，刚才锌片是负极，锌片失电子变成锌离子，正极是氢离子得到电子生成氢气，现在溶液换成氯化铜，那这里的正极反应式该怎么写呢？

学生：铜离子得电子生成铜。

教师：我将氯离子传感器放在石墨端，采集的图像（见图4）：纵坐标是氯离子的浓度，横坐标是时间。观察图像可以发现，正极的氯离子浓度在减小，说明氯离子移向了负极。

设计意图：借助氯离子传感器解决了电解质溶液中阴、阳离子的移动方向这一原电池教学中的难点，通过客观的数据分析，进行证据推理，帮助学生理解离子的移动方向，明确原电池概念中“宏观和微观”的关联性。此教学环节中的设计都是将微粒的移动通过直观的手段展示出来，使原电池概念中“宏观”和“微观”内涵自然统一，能够让学生更加明晰微观粒子和宏观世界的联系，增强他们的“宏观辨识与微观探析”能力。

教师：通过动画演示（见图5）简单地总结一下原电池的工作原理。

设计意图：进行适时总结，有利于将知识从点到面、从零散到整合构建知识网络，使原电池概念不再抽象，全面认知原电池的工作原理;利用动画模拟，构建原电池的基础模型（见图6），通过模型认知深入理解原电池的工作原理;再次将微观粒子的移动和宏观的感受相联系，从本质上掌握不同电极材料所组成的原电

池的工作原理。

3.3  开放式实验探究原电池的形成条件

教师：我们刚才研究的两种原电池，其能量的转化形式都是化学能转变为电能，接下来请同学们讨论一下，要想让电子定向移动形成电流，或者说构成原电池要具备哪些条件呢？

学生：溶液要能导电。

提示1：我们刚才的原电池用的是硫酸溶液、氯化铜溶液。

学生：正负极的氧化性、还原性要不一致，负极的还原性要强。

提示2：我们的两种原电池，两极分别是锌、铜和锌、石墨棒，正极的材料没有参与反应。

学生：要形成闭合回路。

教师：这位同学讲了他所理解的构成原电池的条件，我们暂且不作评论。我们通过实验来深入探讨形成原电池的条件。实验桌上有锌片、铜片、石墨棒，还有三种溶液，稀硫酸、硫酸铜、乙醇。刚才同学说构成原电池要有电极材料，这里的电极材料有三种，请大家讨论一下，这三种电极材料组成负极、正极，有几种组合方式？

提示1：刚才的原电池负极用锌片，正极用铜片，或者负极用锌片，正极用石墨棒，仅仅从电极材料的角度来看，还有什么样的组合方式？

学生：铜、石墨。

提示2：前面学了氢有三种核素，根据它们能形成多少种氢分子推断现在的组合方式？

学生：6种。

教师：我们有3种溶液，那么从理论上讲一共有多少种组合呢？

学生：18种。

教师：溶液要导电，就排除了乙醇，这样就少了6种情况。除了刚才我们讲的锌铜、锌石墨以及铜石墨，我建议大家还可以试试锌锌、铜铜、石墨石墨这些组合。我们每组只有三种电极材料，有些组合单组完成不了，所以两个小组之间可以合作进行。

实验说明：桌上有低频的电流表，用电解槽进行实验，完成一个实验后，需将电极材料清洗后再进行下一个。注意观察电流计的指针是否有偏转，有偏转说明有电流产生，现在开始实验。

[学生实验探究]探究原电池的形成条件所需材料：灵敏电流计、铜棒、 稀硫酸、锌棒、硫酸铜溶液、石墨棒、乙醇。将相应的实验记录填写在表1中。

学生：探究实验，对不同的组合进行尝试。

教师：请同学回答做了什么实验，分别有什么现象？

学生1：我们先试了石墨和铜，铜片做负极，当硫酸铜是电解质溶液时，指针偏转;用稀硫酸，指针也偏转;但使用乙醇时，指针无偏转。

教师：还有其他组合的吗？

学生2：我们正负电极都选择锌片时，指针有一点点偏转。

教师：还有呢？有正负电极都选择石墨的吗？

学生3：我们电极都选择的是石墨，电解质选择的是硫酸铜溶液，因为有杂质，所以也出现了一点点偏转。

教师：石墨和石墨做电极材料，电流计的指针真的不偏转或者只是有一点点偏转吗？下面来看一个实验。

[演示实验]电解槽中盛有氢氧化钾溶液，连接电源，将石墨棒插入电解液中，请同学观察现象（见图7）。

学生：两个石墨棒上都有气体产生。

教师：接下来我将电源关闭，借助电流传感器，将石墨棒连上电流传感器，可以看到电流由0.00A上升到0.14A，这说明什么问题呢？

教师：说明石墨和石墨作为电极材料，也能形成原电池。我们电解的是氢氧化钾溶液，实质上是电解水。所以两极的石墨棒一边产生氢气，一边产生氧气。并且石墨棒的吸附能力很强，两极的石墨棒分别吸附了氢气和氧气，导致上述装置在断开电源连接上电流传感器后构成了氢氧燃料电池，从而产生了电流。

教师：在刚才的探究实验中，有同学选择铜和石墨作为电极材料，分别用硫酸溶液和硫酸铜溶液作为电解质溶液，发现指针的偏转幅度都很大。上述情况与同学认为的铜活动性比较弱，不会有电流产生的观点有出入。原因是这两种原电池的正极吸附的氧气得电子，发生还原反应，负极是铜失电子，变成铜离子。为了验证铜离子的存在，在负极加入了黄血盐，发现有黄棕色的沉淀产生，说明负极有铜离子，证实了负极发生氧化反应，铜失电子，电子沿导线传递，形成电流。因此，原电池的构成其实是受较多因素影响的。综上所述，从原理、装置与能量三个维度可建立通用的原电池认知模型（见图8）。

设计意图：通过开放式课堂实验探究对传统原电池形成条件的知识内容展开了批判性理解，由实验事实引发深层次探讨，激活了学生的思维，培养了学生的科学精神。电极材料都是石墨也可构成原电池，活泼性不强的铜也可作铜、石墨、硫酸原电池的负极，说明原电池的构成是受较多因素影响的，除了电极材料、电解质溶液，体系接触的气体也会有影响。这既是对前面实验中所学原电池构成条件的总结，也是对现实生活中水果电池及各种性能电池的铺垫，为学生电化学的学习打开了一扇五彩斑斓的窗。通过对“特例”原電池工作原理的分析与推测，纠正了对原电池相关知识的片面认识，将学生对原电池基础模型的刻板认识转变为通用的原电池认知模型的深度理解，梳理原电池关键要素之间的内在关系，促进和发展了学生的模型认知。

3.4  走进生活——原电池的实际应用

教师：形成原电池，我们用水果也可以，同学们可以查阅资料，进行自主探究。在生活实际中应用广泛的电池有太阳能电池、纽扣电池、锂电池等等。

设计意图：自制水果电池及介绍电池的广泛应用，建立了生活事实与原电池概念本质间的迁移联系，可激发学生的学习兴趣;将课堂与生活相融合，让学生进一步理解化学学科的重要性，增强他们的社会责任感。

4  教学效果、反思与建议

4.1  教学效果

将传统的探究性教学与化学学科核心素养的培养相结合，既能发挥问题情境在探究性教学中的引导作用，又能树立学生在探究活动中的独立分析意识[3]。在学生现有的认知水平上，利用数字化技术，精心设计一系列的探究实验，创设接近真实的实验情境，通过对原电池实验的持续探究攻克教学重难点，使学生直观地感受到化学能向电能的转化过程，掌握电化学反应的本质以及相应的能量变化，深刻理解原电池概念及工作原理，构建通用的原电池认知模型。随着知识的层层递进、思维框架越发清晰，学生运用化学知识与方法解决问题的能力得到发展，同时又促进学生在解决问题的过程中获取新的知识与方法。这种“分析”“评价”和“应用”等“高阶思维”的形成，使以发展化学学科核心素养为目标的深度学习得到了“完美落地”。

4.2  教学反思

在传统教学内容的教授过程中结合现代教学工具手段，把温度传感器、氯离子浓度传感器、电流传感器等引进课堂，将现代教学理念渗透于实际教学环节中，提高了实验探究的可信度与直观感，变不可见的温度、浓度、电流为“可见”的数据。不断发展的科学技术实现了不断精进的研究手段，带来了不断精确的实验结果。借助与原电池核心概念相关的基础知识，引入氧化还原反应中的能量变化，设置问题情境：氧化还原反应中有电流的产生吗？经历了“能量探知→微型电池→对比实验→动画模拟→开放性探究”构成的实验过程，从宏观现象到微观世界，可视化地体验原电池装置实现化学能转换为电能的全过程，从而直观地建立起电极反应物、电极材料、离子导体、电子导体这样更本质的原电池构成四要素。利用电流计指针偏转以及传感器探测氯离子的浓度变化，将电化学和物理电学相结合，推理出电子移动和离子移动的回路，找到化学能转换为电能的证据支持，将四要素模拟成完整的通用原电池的认知模型。长期以来，原电池的教学都是以知识传授为主，由于追求知识结构的完整性，在实验探究过程中往往会忽略对学生深度学习的引导。例如参考书中总结的原电池的构成要有活动性存在差异的两个电极，但通过自主探究某些实验现象明显否定了这一说法。因此在实际教学中，我们不应为了得到固有结论而流于形式设计成“伪探究”。教学是一个引发师生思考的过程，应重视探究时出现的“意外”和探究过程本身，充分利用实验现象进行合理分析，获得解决问题的方法，探索科学原理的本质。

4.3  教学建议

首先，把握好浅层学习与深度学习的关系，由浅层

到深层的学习是一种过渡性、交互性的学习，对知识展开批判性理解，进行整合建构，实现迁移应用。教师要提醒学生不要固化学习思维与风格，要学会在遇到不同类型的学习任务时，灵活运用不同的学习方式，将浅层学习与深度学习有机结合。

其次，综合利用各种手段，在实验探究、问题情境、思维导图、模型构建、观念构建、三重表征等教学手段改进过程中，教师需要不断发现问题、解决问题、提炼经验、总结反思。特别是要善于借助现代化教学技术开展数字化实验，深挖新旧知识体系间的内在联系，以此来设计问题情境，有针对性地进行小组合作讨论，分析问题，提出解决思路，逐步发展学生的思维能力和认知水平。这就要求教师了解每个学生智能存在的差异性，有目的性地设置一系列递进式的问题串，组织学生根据问题导向设计实验方案，并对方案进行分析、对比与评价，形成严谨、科学的实验设计，最后通过探究得到相应的结论。

最后，通过学习达到培养学生核心素养的最终目标。我们的课堂不仅是为了追求效率、发展高阶思维，更是为了落实核心素养。因此教师对课堂教学的研究必须始终围绕化学学科核心素养，深刻变革教师教学方式、学生学习方式以及师生互动方式，不断提升教学品质，为学生的终生学习夯实基础，最终落实“立德树人”的根本任务。

参考文献：

[1]王祖浩主编. 普通高中化学课程标准实验教科书·化学2[M]. 南京：江苏凤凰教育出版社， 2014.

[2]邹国华. 学习进阶视域下电化学核心概念的认识功能分析[J]. 化学教学， 2017， （10）：22～36.

[3]单世乾， 耿秀梅. 基于批判性思维能力培养的化学教学研究[J]. 化学教学， 2019， （9）：61～65.