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视频课题：选修实验化学专题5基于模型认知与手持技术的《原电池》教学案例-广州市第七中学
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苏教版高中化学选修实验化学专题5基于模型认知与手持技术的《原电池》教学案例-广州市第七中学
一、项目背景
本案例为基于模型认知的 “不同类型原电池设计”项目式学习，课题源于生活，有助于学生开展深度合作学习，以开放性实验活动进行有效探究。 【原电池内容的选取】电化学是高中化学的核心知识之一，其概念集中、原理抽象；学生在整个电化学的学习过程中总是存在一些困难。而电化学知识一直是高考重点，常以陌生化学电池分析的形式出现，对学生化学学科能力要求较高。原电池是电化学知识的重要组成部分，学好原电池知识，包括认识原电池本质、理解原电池各部分关联、建立原电池认识模型，对培养学生化学核心素养、日后解决生产生活中的实际问题等都有积极意义[1]。
【基于模型认知的教学】学生在电化学学习中的困难主要反映在两个方面：一是存在关于电化学的偏差或错误认识；二是分析和解决电化学问题时缺少认识角度与合理思路，系统性差[2]。因此原电池教学需要帮助学生构建原电池系统认知模型，包括对原电池明确的认识角度、合理系统的分析思路，该模型应体现电化学学科本质，利于知识结构化、问题解决思路化。
【项目式学习形式的选择】项目式学习（Project-based learning）是以学科的概念和原理为中心，由学生设计、计划、执行一个项目的学习过程，并且最终产生一个面向公众的结果（如产品、展示等）。其特点是：经历真实问题解决、涵盖多种多样的活动、结束时会获得产品、持续时间长等；处理好项目的设计及实施，有助于落实学生学科核心素养发展[3]。
【手持技术的运用】手持技术具有定量精确测量、数据曲线即时呈现等特点。学生基于电流传感器测量其化学电源，切实感受电池电流大小及稳定性，体现信息技术与学科教学的有效融合。
二、内容分析
【现行教材分析】 苏教版选修《实验化学》专题五为电化学问题研究，其中的原电池课题，旨在让学生通过实验课题，结合实际应用探索怎样利用化学反应获得电能，包括了解不同电池工作原理，通过实验设计制造简单的电池。学生在学习原电池相关知识时，容易产生“电极反应物就应该是电极材料”“反应物必须接触才能产生电流”等迷思概念；易忽略对于溶液内部微粒运动过程的分析，对原电池的动力问题认识不清。为避免学生出现认知偏差，案例在教学开始，就突出原电池微观工作原理，构建学生对原电池的认知模型，注重证据推理、宏微结合、模型认知等素养培养。
【2017版课标分析】 课标对必修阶段化学能与电能内容要求为：以原电池为例认识化学能可以转化为电能，从氧化还原反应的角度初步认识原电池的工作
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原理[4];体会提高燃料的燃烧效率、开发高能清洁燃料和研制新型电池的重要性。将化学能转化为电能定为学生必做实验。建议开展如下活动：用生活中的材料制作简易电池；探究干电池的构成；讨论原电池的工作原理，查阅不同种类电池的特点、性能与用途，调查新型能源的种类、来源和利用。
对于选修课程的实验化学系列，建议在化学原理探究主题部分，开展燃料电池、干电池、浓差电池等模拟实验。教学中鼓励教师将实验活动转化为探究性（或研究性）实验任务，包括综合性、长周期的研究项目，突出对学生实验探究能力的培养，引导学生掌握科学探究一般方法和过程，建立解决某类化学实验问题的特定思路和方法，发展动手能力和高级思维能力。同时课标中建议，可以将选修课程与校本选修课程、综合实验活动课程等统筹安排，多形式开展教学，包括项目式教学[4] 。
【电池四要素模型】 新课标优化了电化学分析模型，将以往教学中常用的三要素模型修正为四要素模型（电极反应、电极材料、离子导体、电子导体），更反映原电池工作原理的本质，同时适用于电解工作原理，通用性强[5]。
三、学生分析
在项目式学习开始前发放问卷，时间为高一上学期期末考后，学生已完成必修一的学习。从前测结果看，大部分学生能够明确氧化还原反应本质，能够分析并用双线桥法表示电子转移情况；对日常生活中电池性能参数有一定了解，如日常使用的5号电池电压，汽车电瓶种类等。对于电池的组成结构，大部分学生知道电池有正负极，部分能回答出电解液、隔膜、绝缘保护壳等，对电池的结构认知多局限于干电池的层面。较多学生未能根据信息提示，将电池和氧化还原反应联系在一起，从氧化还原的角度分析电池工作原理。
利用寒假用任务单导引学生自学，在本学期3月5日第一课时帮助学生形成初步的认知模型后，发放中测卷。绝大部分学生能够判断氧化还原与原电池的联系；部分学生头脑中已建立较完整认知模型，并能基于该模型设计分析电池；仍有部分学生遗忘了认知模型的某些要素，需要进一步加强巩固。大部分学生表示喜欢实验探究环节，喜欢小组一起互动讨论，希望自己动手制作电池，以及进一步了解更多电池的知识。
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四、教学目标 如下表 时间
情境任务
知识目标
学科能力 学科素养 课外 阅读电池资料（教师编），根据已有知识，分组设计简单电池，以视频、照片、海报形式记录 ①自主学习了解
电池的基本知识
②制作简单电池
A1辨识记忆 A2概括关联 B3简单设计
科学态度 与社会责任 科学探究 与创新意识
第一
课时 ①分析学生小组寒假制作电池 ①了解电池工作
原理，理清电池组成要素，在此基础上，建立原电池的认知模型 ②运用模型分析给定的原电池
A1辨识记忆
A2概括关联
A3说明论证
B1分析解释
宏观辨识 与微观探析 模型认知
②了解原电池基本理论
③从装置及原理两维度建立原电池的认知模型
④思考自制电池的优化方向
⑤分组认领项目计划书 课外
①分组进行不同类型电池的设计及影响因素探究
①分组深入了解不同种类电池的结构和性能
②通过自制优化电池，经历较完整的科学探究过程
B1分析解释 B2推论预测 B3简单设计
证据推理 与模型认知 科学探究 与创新意识
②基于电流表和电流传感器检测电池性能
③通过视频海报PPT形式记录电池制作探究过程记成果
第二课时 分组展示、讲解不同类型电池的
设计及优化探究结果（基于认知
模型分析电池工作过程）
①运用原电池认知模型分析解说
电池，巩固对认知
模型的理解
②通过汇报展示了解不同种类电池 B1分析解释 模型认知
课外 根据学生意愿及制作的作品，挑
选部分成果再优化创新，参加广
州市中学生“我与化学”比赛
基于电池设计提
升学生创新能力
C2系统探究 C3创新意识 科学探究 与创新意识
五、教学过程
【任务一】化学科环保作业之“生活中的化学电源设计” （时间：寒假） 依托广州七中假期经典活动——各科环保作业，化学科的作业为“生活中的化学电源设计”，为学生提供活动指引（见附录），其中详细罗列任务要求及视频素材。寒假活动包括①阅读教材，了解电池原理；②观看视频，了解电池发展构造；③拆解干电池，了解电池内部组成；④自制电池，启动供电设备。利用寒假较长时间，学生分组自主学习研究，在初中物理相关知识基础上，实践中学习。
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【任务二】了解电池的发展史（时间：第一课时前）
观看视频及文字材料，了解电池的历史沿革和类型，并用思维导图呈现。 自主学习材料包括:①电池发展史文字资料(自编)；②动画类视频——仟问学堂之电池起源：莱顿瓶&伏打电堆；③动画类视频——TED-Ed 之电池发现史；④情景剧类视频——MIT-K12之电池的发现；⑤情景剧类视频——台湾自然系列-化学-电化学 蛙腿战争。
【任务三】认识电池的重要性，分析寒假电池作品（时间：第一课时） 通过生活实例，说明“电能是现代社会应用最广泛、使用最方便、污染最小的二次能源”，在日常生活中随处可见。创设情境“身处野外，手机没电，没有电源，如何自救？——自制电池”。展示学生寒假制作的电池，分析其优缺点，引出本节课任务“了解电池基本理论、了解电池组成结构、思考自制电池的优化方向——即建立完善原电池认知模型”，为后续探究优化展示环节打下基础。
【任务四】掌握原电池基本理论并实验探究其组成结构（时间：第一课时） 阅读课本，提取信息了解电池的基本理论：化学能转化为电能的关键是氧化还原反应，其本质是氧化剂和还原剂之间发生电子转移的过程；要使其释放的能量直接转变为电能，就要设计一种装置，使氧化反应和还原反应在不同的区域进行，并使电子从还原剂区域流向氧化剂区域。
针对右边图像，小组讨论，回答下列问题： Q1：反应中哪种物质失去电子？哪种物质得到电子？ Q2：Zn通过什么途径将电子转移给溶液中的H＋？ Q3：H＋得到的电子不是Cu失去的，Cu起什么作用？ Q4：想办法让这种电子的转移变成电流，并且观察到呢？
在辨析完上述问题的基础上，分组完成如下表小组探究实验1，记录现象
【任务五】原电池微观分析及认知模型建构（时间：第一课时）
师生共同分析Cu-Zn-H2SO4原电池工作过程微粒的移动，借助动画直观感受。 小组活动：画出下图装置中，反应过程各种微粒的移动方向和变化，归纳电池基本组成，并借助智慧课堂系统拍照上传，学生可以即时看到其他组的作品，教师挑选典型案例进行分析。在微观图分析的基础上，从装置及原理维度，归纳原电池基本要素及工过程微粒变化，引导学生初步建构原电池认知模型，明确各要素的作用和关联，理解原电池和氧化还原反应的关系。
Zn
Cu
H2SO4
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【任务六】不同种类原电池微观分析暨认知模型应用（时间：第一课时） 完成如下小组探究实验2，填写小组活动清单，利用智慧课堂系统拍照上传，典例分析。实验2——下列材料能够构成原电池？实验验证，运用模型分析能够形成原电池的装置。 类型 Zn-Zn-H2SO4 Zn-Cu-CuSO4
Zn-石墨棒-CuSO4
Zn-Cu-乙醇
电流
【任务七】探索电池优化方向，分配小组电池制作任务（时间：第一课时） 基于铜锌原电池，从电流计算公式及之前的实验探究过程，分析电流的影响因素(如极板距离、极板浸入溶液的面溶液浓度)等，引发思考后续优化角度。 学生小组认领“不同种类化学电源设计”项目计划书及资料包，探究电池类型包括单液电池、双液电池、燃料电池、Al-空气电池。根据学生人数（46人）及寒假自行组队情况，将全班分为10个小组，每2个小组制作探究一种类型电池。
【任务八】分组进行不同类型电池的设计及优化探究（时间：课外,2周） 学生自行选取探究要素，进行电池制作、性能探究、外观美化，如实记录实验过程，用电流表和手持技术测试电池性能，教师全程跟踪，对学生的困惑及时指引。最后，用海报、视频、PPT呈现实验成果，具体内容要求如下。
①【视频】（电池制作及效果解说）
内容：小组电池制作过程展示+电池效果演示 ②【海报】（电池说明书，发挥创意，可粘贴照片等） 内容：实验原理 、仪器与试剂 、实验步骤 、结果与讨论 ③【汇报PPT】（科学用语表达+理顺逻辑关系）
内容：电池原理讲解，运用认知模型分析、探究优化的过程及数据结果分析、听众互动问题
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【任务九】分组展示不同类型电池的设计及探究结果（第二课时） 分组介绍实验成果，每个汇报小组6min内，分组情况及展示内容如下。 汇报1 水果电池 小组1 陈书源 林弋森 高扬 胡文彬 水果电池 小组2 罗森杰 钟茵棠 唐梓丹 王紫怡 黄立文 汇报2 硬币电池 小组3 苏楚扉 胡韵熙 黄毓淇 许无恙 陈彦旭
硬币电池 小组4 冯析健 赵承恩 麦宏熙 梁蔚林 汇组3 双液电池 小组5 伍嘉慧 、张紫玥、李笑然、时静仪，郑雅蓝
双液电池 小组6 罗祎旻 李嘉阳 朱芷萱 罗玥 汇报4 燃料电池 小组7 林楚焜 钟煜恒 杜珏璋
燃料电池 小组8 黄梓栋 文昊 张芷瑜 谢宛彤 祝佳文 汇报5
Al-空气电池 小组9 吴奇融，卢奇励，叶铭扬，何炯乐 Al-空气电池
小组10
黄凯欣 黄炜珺 黄牧子 韦乐欣 赵德贤
汇报内容包括：①小组制作电池概况（视频及海报展示）；②运用认知模型分析小组电池（将电池模型分析图贴在黑板上，边讲边画）；③汇报电池探究或优化过程（呈现数据），探讨分析原因；④电池实物展示。根据评分表，每个同学给各小组表现打分，教师适当做点评引导。
【任务十】学习效果检测（第二课时/课后） 题目检测，了解学生对本课题掌握情况，巩固学习。 测一测
我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na-CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，电池示意图如下，放电时电池总反应为3CO2+4Na==2Na2CO3+C，请回答下列问题。
负载碳纳米管的镍网 分析该电池，选择相应的序号填到空格中
(1)正极材料是 ，(2)负极材料是 ；(3)正极反应物是 ，(4)负极反应物是 ；(5)离子导体是 ；(6)电子导体是 ；放电时，该电池正极(5) 电子，(6)发生的反应为 ；负极(7) 电子，(8)发生的反应为 ；
[A] Na [B]CO2 [C] 负载碳纳米管的镍网 [D] Na2CO3 [E] NaClO4 [F]有机溶剂 [G] 3CO2+4e- == 2CO32- + C
[H]导线 [I]失 [J]得
[K] Na++e- == Na [L]电解液
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六、教学反思
①【项目式教学对学生发展的促进作用】 项目式教学有助于学生关键能力和学科核心素养的发展。在“不同类型化学电源设计及优化”的任务驱动下，学生不断深化对相关知识的深入理解，小组合作，设计探究实验方案、主动检索资料，耐心解决问题......力争让产品更出色。
②【项目式教学对教师发展的促进作用】 项目式教学促进教师专业发展，也增强了职业幸福感。项目开展过程中，教师必须不断完善增加相关知识储备，进而指导或与同学共同解决问题，真正实现教学相长。
③【模型认知素养对化学学习的重要性】 原电池四要素认知模型的引入，帮助学生认识原电池的本质特征、构成要素及相互联系，建构了原电池的认识角度、分析思路，遇到陌生情境下的原电池，不畏难而能够有序分析。
④【信息技术与学科教学融合的有效性】 手持技术的引入，使学生能够定量、即时、连续地观测电流曲线变化趋势，直观感知电池的电流稳定性；智慧课堂的使用进一步增强了课堂互动性；学生对化学学科的热爱也因此加深；信息技术与科学教学有效融合值得进一步探索。
⑤【项目式教学与课外活动结合的可行性】 部分项目耗时长，可作为选修课或比赛的项目，将两者有机整合；平时教师可开展微项目教学，既发挥项目式教学的优势，也考虑了教学时间的有限性。
⑥【项目式教学资源整合开发的必要性】 项目式教学在发展学生核心素养方面具有优越性，逐渐受到关注，越来越多的优质案例以论文、书籍等形式涌现。希望学校在相关资源，如仪器试剂、配套实验室等方面提供支持；教师及相关教育团体关注项目学习资源的开发整合，共同助力学生发展。
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
