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公告：《化学教育》官网启用新网址http://www.hxjy.，建议大家认准网址及网站模样，以免被假网站欺骗！ 【请读者和作者通过电子邮件与编辑联系，不建议拨打电话！】 大概念视域下高中化学项目式教学设计与实践
——以“化学反应与电能”为例
张晓莉 徐佳 李玲 郝丽贤
（中山市华侨中学 广东中山 528400 ）
稿件编号：2023-01-0059
大概念是指学科内具体知识背后的更为本质、更为核心的概念或思想[1]。学生在基于大概念的单元学习中，建立具体学科知识和大概念之间的关联，把学科内零散的知识形成结构化的体系，实现学科素养的提升。新课标强调了化学基本观念（大概念）的统领作用，倡导一线教师“以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实”[2]5。知识结构化要求教师能够在大概念引领下进行单元整体教学设计，内容情境化要求教师结合真实的生活情境提炼项目学习任务，落实课程教学内容。 “原电池”在高中化学人教版教材《必修第二册》第6章“化学反应与能量”第二节及《选择性必修1》第4章“化学反应与电能”第一节均有涉及，主要包括原电池装置、原电池原理及常见化学电源的工作原理及其重要应用。作为新授课，教学重点应定位于原电池模型的建构及拓展应用。新课标不仅明确要求“化学能转化成电能”、“制作简单的燃料电池”为学生必做实验[2]19,28，也建议教师根据实际情况开展“制作简易电池、燃料电池、探究干电池、暖贴的设计”等活动[2]29。随着新课标的推行，越来越多一线教师[3-7]尝试开展项目教学，一定程度上提升了学生的化学学科核心素养，但鲜有教师在大概念引领下进行单元整体项目教学设计，也缺少教学评一体化的项目评价方案。 团队依据新教材、新课标及科学教育大概念[8]，提炼学科大概念为“能量守恒，不同能量可以互相转化”。基于真实问题情境，选取项目总任务“让小车跑起来”，参考何彩霞学科大概念模型[9]，确定了“化学反应与电能”的次级概念及其知识层级结构如图1。参照高中化学课程标准和学业质量要求，结合授课班级的基本学情，制订教学目标如下：（1）通过Zn-Cu（稀硫酸)能带动小车跑起来实验活动，认识到化学反应可以实现化学能与电能的转化，初步认识原电池装置，能从氧化还原反应的角度分析原电池的工作原理。（2）通过“小车能否跑起来”实验探究活动，总结原电池构成要素，逐步建立原电池认知模型；培养学生提出假设、设计实验、实验探究、总结归纳的科学研究程序，加强对控制变量科学研究方法的运用。（3）通过设计系列“小车如何才能跑得更快”实验探究活动，从能量守恒视角，自主运用原电池模型，总结影响原电池电流大小的因素；调用物理学科相关知识，借助手持技术数字化实验呈现化学反应与能量的转化关系，启迪高阶思维，发展解决复杂问题的能力。（4）通过“绘制化学电池手抄报”、“自制化学电池，让小车跑起来”项目展示活动，进一步拓展原电池模型，激发学生学习化学的热情，感受化学电源的社会价值，逐渐形成绿色化学观念，发展学生科学态度与社会责任化学学科核心素养。
本节课基于“让小车跑起来”为总项目，将整个单元分成4个任务，包括3个课堂教学探究任务和1个课外探究展示活动，具体教学实录如下：[课前准备阶段]学生3人为一组，利用教师提供材料，组装并用干电池测试电动小车。[学生记录]小车向前跑，需红线接干电池正极；黑线接干电池负极。2.1 小车为什么能跑起来（建构原电池的认知模型）[创设情境]教师展示魔术实验（无色透明的盐水和镁片、石墨片），不用干电池也能让小车跑起来，学生观看、思考、猜想。[教师]请同学们根据提供实验用品，按照实验步骤完成实验，记录实验现象(如表2)。[教师]请同学们根据已具备的氧化还原反应知识和电化学知识，利用提供的实验用品，设计一套电池装置探究原电池的构成要素。小组合作实验并汇报实验结果如图4。[教师总结]原电池的基本模型为电子导体、离子导体、电极材料、闭合回路。通过学生表达展示实验结果，将其设计原电池的思维外显，完成原电池模型的建立。本环节教学实践中出现“Mg-Mg（稀硫酸）”组合带动小车跑起来的“异常现象”，是非常好的教学资源，教师根据学生层次用电极电势差解惑。2.2 小车如何才能跑得更快（应用原电池基本模型）[教师引导]是什么原因导致有的小车跑得快，有的小车跑得慢呢？[学生猜想1]与电极材料、电解质溶液类型、电极表面积、电极间距等因素有关。[教师引导]请同学们根据原电池的构成要素，利用提供的实验用品，设计一套电池装置探究影响原电池电流大小的因素。[学生实验]实验用品：镁条、小锌片（1cm×2cm）、大锌片（2cm×2cm）、小铜片（1cm×2cm）、大铜片（2cm×2cm）、大小石墨片、0.2 mol/L H2SO4溶液、1mol/L
H2SO4溶液、金属夹、导线、小车、塑料盒等。[师生总结]一般情况下，电极活泼性差别越大，电解质溶液溶度越大，电极与电解质溶液的接触面积越大，电极间距越小，电流越大。[学生猜想2]电池效率不高，化学能未完全转化为电能。[学生1]负极的锌表面也有气泡，有部分化学能直接转化为热能。 [学生2]锌与硫酸铜直接接触反应，硫酸铜溶液中的锌片表面变黑了！[教师演示实验]手持技术数字化实验展示单液原电池和双液原电池工作过程中电流、温度变化图6，引发学生思考。[教师总结]原电池中确实存在化学能转化为了热能，热量损失导致小车跑得慢，但是图中双液原电池的电流非常小，什么原因呢？[学生]盐桥又长又大，阻力太大了！可否改成轻薄的材料？[教师]这个留给大家课下搜集文献资料，自主设计轻薄的盐桥（膜），让小车跑起来，期待大家在项目成果展示中的精彩表现！2.3 自制化学电池让小车跑起来（拓展原电池模型）本部分学生化身为电池研发人员，在资料卡片的引导下，不断对化学电池进行升级改造，从模仿制作勒克朗谢改进的1.0版伏打电池，解决电解质溶液易泄漏的2.0版电池，到如何制作生活中常用的3.0版干电池，最后升级到绿色环保、高效的4.0版氢氧燃料电池。[资料卡片1]1865年，勒克朗谢改进了伏打电池的原理和装置，发明了以便宜易得的锌棒和石墨棒作为电极、氯化铵水溶液作为电解质的化学电池。略带酸性的氯化铵溶液不会迅速腐蚀锌棒，延长电池可使用的时间，该原理一直沿用至今。[教师]1.0版电池在日常使用的时候可能存在哪些问题？[资料卡片2]科学家曾经试过用细砂、水泥、天然浮石、锯木屑、石膏、纤维素、粗纸板、淀粉及水玻璃等来吸收电解液，最终筛选出用淀粉使电解质由液态转变为糊状，同时加入碳粉，提高糊状电解质的导电能力。[教师]2.0版电池解决了什么问题？电解质密封后有没有产生新的问题？[学生]糊状的电解质解决了溶液易泄漏的问题，但是生成的氢气是易燃易爆的气体。[资料卡片3]MnO2可以作为去氢剂，把电极附近产生的“活性氢”氧化成水，H2 2MnO2 = Mn2O3 H2O。我们日常使用的干电池的糊状电解质中均含有MnO2粉末。[教师]基于上述资料，MnO2在电池中的作用有哪些？[教师]非常好，我们生活中使用的锌锰干电池就是利用这一原理，请同学们参照干电池制作说明书，利用手中的材料（图7）自制干电池让小车跑起来。[学生]分享讨论、检验干电池效能、评价干电池的优缺点。[资料卡片4]干电池对环境的危害，简要介绍电池重金属危害及电池回收处理方法。[教师]以上资料给同学们什么启示？未来电池的开发方向是什么？[学生]制作电池要综合考虑各项因素，绿色环保高效是未来电池的开发方向。[教师]燃料电池相关介绍。请同学们根据提供的材料（石墨棒、干电池、鳄鱼夹等），回忆初中所学习的电解水知识，自主设计并探究氢氧燃料电池（如图9）。项目成果展示以小组合作的方式进行，在班级初选后，开展化学电池手抄报展示及电动小车竞速PK赛，项目展示活动给予学生充分的选择空间，自主设计和组装电池，学生在成果展示中介绍化学电池发展史及自制小车电池工作的原理。让小车跑起来项目量化评价标准表（表4）是在《普通高中化学课程标准》的基础上，结合本项目设置的教师评价问卷。问卷将整个单元分成四个项目评价方向和三个评价标准，其中评价方向依据课堂教学进度设置，项目评价水平分为水平一（1—3分）、水平二（4—6分）、水平三（7—10分）。从项目评价结果（图12）可以看出，两个班级都较好完成了项目教学目标。学生自我反思问卷采用线上和线下相结合的方式完成，调查结果显示96%的同学很清楚项目的主要环节和要解决的关键问题。学生最享受的环节有小组合作制干电池、探究原电池形成条件及影响因素、小车竞技活动等；最不享受的环节是看文献，67%的同学表示不能从文献资料中提取有效信息。以上结果也反映了高中生喜欢动手参与性的实践活动，但阅读、查阅文献的能力有待提高。在该项目存在不足的调查问卷中，学生反馈结果中实验时间紧张、实验材料不够开放、实验人数过多（建议将小组人数由6人改为3人）等为后期课程和实践提供了改进方向。【补订！】2023年《化学教育》订阅办法！ 从学生课堂表现以及后续学生测评结果来看，大概念视域下的单元整体教学成果显著，学生参与度高。项目任务一通过系列探究实验，引导学生清晰地分析出电极反应物、电极材料、离子导体、电子导体等电池的构成要素，逐渐建构原电池的认识模型，知道能量转化的原理；项目任务二小车如何才能跑得更快，既是对原电池模型的应用，又帮助学生从能量转化效率的角度深度理解原电池；项目任务三借助文献资料，学生像科学家一样自主探究制作电池，自主运用模型展示能量转化的不同形式。项目成果展示环节，学生以小组合作的方式参与竞技比赛，既培养了团队合作意识，也是对学生创造能力的考查，现场有燃料电池、盐水电池、浓差电池、铝空气电池、膜电池、太阳能电池等等，学生将课本知识推而广之到其他化学电池，特性变为通性，已经具备电池设计的基本模型。4.2 技术赋能，实现教学评一体化在学科内容方面，本课例借助数字化手持技术呈现单液原电池与双液中原电池温度和电流的异同，将抽象的问题可视化，帮助学生理解化学能与电能、热能之间的转化关系，启发学生的高阶思维。在技术融合方面，充分使用交互式白板、实物投影等多媒体平台，实现课堂上开展即时评价，同时利用智学网、问卷星等网络平台，对学生的学情、学后效果进行评估，利用技术工具开展多样化的教学评价。但智慧课堂的水平还有提升空间，例如完善智慧课堂的环境，实现学生人手一台平板电脑，更高效地实现教学评一体化。开展素养为本的化学项目式教学，需要老师打破传统教材的单元课时，将关联的知识整体规划为一个项目主题。这对我们一线教师是巨大挑战，目前学校以课组为单位的教研活动多数是以课时为单位，较少以大概念为主题的教学研讨，教师教学中也难免存在教学活动形式化、教学内容孤立化、教学评价结果化等特点。本课例是“大概念视域下高中化学项目式教学设计与实践”课题组成员在专家指导下共同完成的项目式教学，真正营造了教学互助，深度研课的教研氛围。课程结束团队凝练成果，该课例成功入围参加2022年广东教育“双融双创”教师信息提升素养案例答辩活动，得到评委专家及同行们的认可与肯定。[1] 张发新.中学化学教学参考,2017(07):6-9.[2] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订)[S].北京：人民教育出版社，2022：5-29[3] 王秀红,李志航,张冬华.化学教育(中英文),2020,41(03):27-32.[4]王旭斌.化学教与学,2021(07):73-77.[5]陈博殷,王季常,陈珏姝,郭虹燕.化学教育(中英文),2020,41(15):14-23.[6]张四方,黄盼盼,周辰爽,李孝男,翁森翔.化学教育(中英文),2022,43(17):47-52.[7]蔡行雯.实验教学与仪器,2021(06):15-17.[8] 温·哈伦编著.韦钰译.科学教育的原则和大概念.北京：科学普及出版社，2011.[9]何彩霞.教育与装备研究，2019,35（09）：40-44尽快补订2023年《化学教育》！ 精彩不能错过，立即扫码订阅！ 温馨提醒 （1）若留家庭地址，请保证居住小区有自己的信箱且正常使用，以便邮政投递； （2）若留单位地址，请务必告知贵单位的信件收发室工作人员：订阅了《化学教育》期刊，请协助接收、保管并及时通知您取阅； （3）所有后续服务由“中国邮政”负责，请注意保留订单号等订阅信息。
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