厘清核心概念及其學(xué)習(xí)進(jìn)程——以人教版高中化學(xué)必修二化學(xué)“化學(xué)電源”教學(xué)內(nèi)容為例

1、.厘清核心概念及其學(xué)習(xí)進(jìn)程以人教版高中化學(xué)必修二化學(xué)“化學(xué)電源”教學(xué)內(nèi)容為例教學(xué)目標(biāo)：1、能夠說(shuō)出常見(jiàn)化學(xué)電池的分類、優(yōu)點(diǎn)及質(zhì)量?jī)?yōu)劣的判斷標(biāo)準(zhǔn)。2、知道一次電池、二次電池、燃料電池的基本構(gòu)造、工作原理、性能和適用范圍。3、在給定電極材料、氧化還原反應(yīng)原理等信息（查閱資料）的情況下，能夠?qū)懗龀Ｒ?jiàn)化學(xué)電源的電極反應(yīng)式和總反應(yīng)方程式。并形成書(shū)寫(xiě)電池電極反應(yīng)式的一般思路： 4、通過(guò)學(xué)習(xí)各類電池的實(shí)際應(yīng)用感受化學(xué)給人類帶來(lái)的進(jìn)步和文明。通過(guò)了解廢舊電池對(duì)環(huán)境的危害，樹(shù)立環(huán)保意識(shí)。電化學(xué)概念在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中占有非常重要的地位。電化學(xué)概念多且抽象，如氧化還原反應(yīng)、電解質(zhì)溶液、離子反應(yīng)、原電池與電解池的概念及

2、其構(gòu)成條件、電極的判斷及電池反應(yīng)方程式等，學(xué)生的迷離概念也就相對(duì)較多。 通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)周玉芝,孫奇文等對(duì)這一部分學(xué)生迷思概念的研究比較系統(tǒng)深入。周玉芝老師以一線教師對(duì)人教版高中化學(xué)選修4化學(xué)反應(yīng)原理教材的“化學(xué)電源”教學(xué)中關(guān)于學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的教學(xué)困惑為切入點(diǎn)，做了基于核心概念的中學(xué)化學(xué)“電化學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)內(nèi)容分析。以“化學(xué)電源”教學(xué)的再設(shè)計(jì)，說(shuō)明厘清核心概念及其學(xué)習(xí)進(jìn)程對(duì)促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的教學(xué)價(jià)值。一、教學(xué)障礙點(diǎn)分析1.學(xué)生通過(guò)必修2 “發(fā)展中的化學(xué)電源”，應(yīng)已了解幾種常見(jiàn)的化學(xué)電源（干電池、充電電池和燃料電池）在社會(huì)生產(chǎn)中的應(yīng)用，初步認(rèn)識(shí)化學(xué)電源的工作原理與分類，以及認(rèn)識(shí)化學(xué)電源可能引起

3、的環(huán)境問(wèn)題。選修4“化學(xué)電源”增加的內(nèi)容主要是判斷電池的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)及部分化學(xué)電源的電池反應(yīng)。對(duì)于化學(xué)電源教學(xué)而言，除了認(rèn)識(shí)它們的用途和可能引起的環(huán)境問(wèn)題外，還可以發(fā)展什么認(rèn)識(shí)？必修與選修中有關(guān)化學(xué)電源教學(xué)的關(guān)鍵差別在哪里？2. 原電池是高中化學(xué)的重點(diǎn)，也是高考的熱點(diǎn)。而電極反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)的半反應(yīng)，故又是高中化學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。在平常練習(xí)、模擬考試或者是高考中，經(jīng)常會(huì)遇到一些在教材中沒(méi)有出現(xiàn)的陌生電池，書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)方程式時(shí)就會(huì)遇到障礙，要么無(wú)從下手，要么費(fèi)時(shí)費(fèi)力。二、教學(xué)策略1.表1 基于人教版教材的“電化學(xué)基礎(chǔ)”學(xué)習(xí)進(jìn)程核心概念：自然界的一切物質(zhì)都具有能量。當(dāng)物質(zhì)發(fā)生變化或被改變時(shí)，會(huì)發(fā)生能量

4、的轉(zhuǎn)化；能量能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，總能量保持不變初中高中必修1高中必修2高中必修4重要概念（1）物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，伴隨著能量的變化?；瘜W(xué)變化的能量可以熱能、光能等形式表現(xiàn)出來(lái)（2）人類利用化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的原理進(jìn)行取暖、發(fā)電等；另一方面，也可以利 用熱能促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子的轉(zhuǎn)移（1）各種物質(zhì)都儲(chǔ)存 有化學(xué)能。物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)不同，則所含的化學(xué)能也不同（2）化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為熱能，熱能也能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，但在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，總能量保持不變（3）原電池是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。在該裝置中，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別在2個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行，所 轉(zhuǎn)移的

5、電子定向移 動(dòng)，形成電流（4）利用原電池原理制成的化學(xué)電源在生活中有廣泛的應(yīng)用（1）化學(xué)鍵的斷裂與生成導(dǎo)致物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)伴隨有能量變化（2）在恒溫恒壓的條件下，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱（）只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)的途徑無(wú)關(guān) （蓋斯定律）（3）通過(guò)設(shè)計(jì)，可使自發(fā)氧化還原反應(yīng)中的電子定向移動(dòng)，獲得電流，在此過(guò)程中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能（4）通過(guò)設(shè)計(jì)，電流可以引發(fā)氧化還原反應(yīng)，在此過(guò)程中電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。電解法是最強(qiáng)有力的氧化還原手段（5）改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)，可以提高化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換的效率（6）燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率高于燃料普通燃燒的能量轉(zhuǎn)換率，有利于節(jié)約能源（7）金屬腐蝕發(fā)生的是氧化還原反應(yīng)

6、。金屬如果作為原電池的負(fù)極，會(huì)被快速地腐蝕目標(biāo)（1）知道有的化學(xué)變化是放熱的，有的化學(xué)變化是吸熱的，而且化學(xué)變化過(guò)程中還會(huì)有發(fā)光等現(xiàn)象伴隨發(fā)生，建立關(guān)于物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，伴隨著能量的變化的感性認(rèn)識(shí)（2）認(rèn)識(shí)在當(dāng)今社會(huì)，人類需要的大部分能量是由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的；也可以利用熱能促使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生理解氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)（1）從微觀角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量變化，建立化學(xué)能與熱能轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量守恒的認(rèn)識(shí)（2）了解化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，建立化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 的認(rèn)識(shí)（3）了解不同種類化學(xué)電源的性能特點(diǎn)，了解化學(xué)電源的發(fā)展（1）學(xué)習(xí)依據(jù)反應(yīng)物與生成物化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)估算反應(yīng)熱，利用蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱，進(jìn)一

7、步從微觀和能量守恒角度理解化學(xué)反應(yīng)中的能量變化（2）了解通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化的方法以及應(yīng)用，從原理、技術(shù)與應(yīng)用層面認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化（3）能夠利用電化學(xué)知識(shí)分析金屬的電化學(xué)腐蝕與防腐通過(guò)基于核心概念的教學(xué)內(nèi)容分析，能夠確定必修2學(xué)習(xí)電化學(xué)主要知道 “是什么”及“會(huì)怎么樣”，到了選修4學(xué)習(xí)電化學(xué)，則更多的是讓學(xué)生明白 “為什么”，并了解 “如何做”。因此，選修4電化學(xué)基礎(chǔ)的第一節(jié)原電池的教學(xué)中，由單液電池到雙液電池，就要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注如何改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高電池效率。在化學(xué)電源一節(jié)，繼續(xù)電池設(shè)計(jì)的主線，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的原理角度分析化學(xué)電源，知道通過(guò)一定的工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)化學(xué)

8、能與電能的轉(zhuǎn)化，以及如何利用這種轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)科技的發(fā)展與進(jìn)步，激發(fā)他們學(xué)習(xí)化學(xué)原理、應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的熱情。2.書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)要明確把握的幾個(gè)問(wèn)題（1）明確把握幾個(gè)問(wèn)題電極反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)（電池反應(yīng)）的半反應(yīng)，并且是離子反應(yīng)，正極是得電子（有元素降價(jià)），負(fù)極是失電子（有元素升價(jià)）。電極反應(yīng)必須遵守原子守恒和電荷守恒（其實(shí)質(zhì)還是原子守恒，就是對(duì)刪掉的未參與反應(yīng)的離子進(jìn)行配平），正負(fù)極成對(duì)書(shū)寫(xiě)的電極反應(yīng)還要注意得失電子守恒。電解質(zhì)形態(tài)是溶液的、是熔鹽的還是固態(tài)的；電極反應(yīng)的產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液中的物質(zhì)有沒(méi)有后續(xù)反應(yīng)；體系中有沒(méi)有不共存的微粒存在。（2）書(shū)寫(xiě)電極方程式的步驟1.水溶液電池電極反應(yīng)書(shū)寫(xiě)方法寫(xiě)出

9、電池總的氧化還原反應(yīng)寫(xiě)出電極反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物：產(chǎn)物的存在形式一定要考慮溶液的酸堿性和溶液中的離子，如CO2在堿性時(shí)就是CO32-離子，Al3+堿性時(shí)就是AlO2-，F(xiàn)e3+堿性時(shí)就是Fe(OH)3沉淀，Pb2+遇到SO42-產(chǎn)生沉淀等根據(jù)電極反應(yīng)中變價(jià)元素的原子個(gè)數(shù)和變價(jià)數(shù)目，求出總的變價(jià)數(shù)目，在電極反應(yīng)左邊添加得到或失去電子的數(shù)目。配平電極反應(yīng)的電荷（電荷守恒）：先算清電極反應(yīng)左右兩邊電荷的數(shù)目和極性（得到電子帶負(fù)電，失去電子帶正電），如果電解質(zhì)溶液是酸性的，就用H+來(lái)配平，添加在電極反應(yīng)左邊或右邊；如果電解質(zhì)溶液是堿性的，就用OH-來(lái)配平，添加在電極反應(yīng)左邊或右邊；如果電解質(zhì)溶液是中性的

10、，就用H+或OH-來(lái)配平，但一定要添加在電極反應(yīng)的右側(cè)（理由是：在離子反應(yīng)中H+代表的是強(qiáng)酸、OH-代表的是強(qiáng)堿，反應(yīng)物沒(méi)有強(qiáng)酸堿參與反應(yīng)，但反應(yīng)可以生成強(qiáng)酸或強(qiáng)堿）。用H2O來(lái)調(diào)整氫和氧的個(gè)數(shù)（原子守恒）：如果用氫原子的個(gè)數(shù)配平H2O，那么就用氧原子來(lái)檢驗(yàn)；反之亦然。檢查：產(chǎn)物中有沒(méi)有不共存的微粒存在，等號(hào)左右有沒(méi)有相同的微粒出現(xiàn)，原子是否守恒，電荷是否守恒，成對(duì)寫(xiě)的電極反應(yīng)得失電子數(shù)是否相等。三、教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：評(píng)價(jià)生活中的常見(jiàn)化學(xué)電源【設(shè)計(jì)意圖】：由于學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了化學(xué)電源在生活中的應(yīng)用，因此可以根據(jù)已有知識(shí)與生活經(jīng)驗(yàn)明確判斷一種電池優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，并由此建立本節(jié)課的學(xué)習(xí)心向：關(guān)注化學(xué)電源的性

11、能與設(shè)計(jì)，以及如何改進(jìn)化學(xué)電源以優(yōu)化其性能，從而更好地滿足生產(chǎn)、生活的需要?！窘虒W(xué)設(shè)計(jì)】學(xué)生匯報(bào)自己常用的化學(xué)電源，根據(jù)使用電池的經(jīng)驗(yàn)，提出從哪些指標(biāo)判斷一種電池的優(yōu)劣。通過(guò)討論總結(jié)出通常情況下，質(zhì)量輕、體積小而輸出電能多、功率大、儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)是大家期待的好性能電池。表2 鋰電池與堿性鋅錳電池和普通鋅錳電池比較電池體系電壓/V比能量工作溫度范圍/可儲(chǔ)存時(shí)間（20）/年(W·h)/kg(W·h)/L鋰電池3.7420800-55+7010堿性鋅錳電池1.584210-20+703普通鋅錳電池1.555150-10+5012性能比較 環(huán)節(jié)：分析常見(jiàn)化學(xué)電源電池反應(yīng)，了解其裝置與性

12、能?！驹O(shè)計(jì)意圖】：盡管堿性鋅錳電池和鉛蓄電池等的電池反應(yīng)比較復(fù)雜，不要求學(xué)生記憶，但對(duì)于給定的這些反應(yīng)，學(xué)生可以分析負(fù)極發(fā)生了什么反應(yīng)，正極又發(fā)生了什么反應(yīng)。這些教學(xué)活動(dòng)的目的是促進(jìn)學(xué)生對(duì)原電池原理的理解。本環(huán)節(jié)的認(rèn)知學(xué)習(xí)任務(wù)是 “分析”常見(jiàn)化學(xué)電源電池反應(yīng)，而不是簡(jiǎn)單的 “了解”，從而避免科普式教學(xué)。同時(shí)，對(duì)這些化學(xué)電源裝置的了解，也不是要學(xué)生記住電池是如何構(gòu)造的，而是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)電源是通過(guò)一定工藝設(shè)計(jì)而成的?！窘虒W(xué)設(shè)計(jì)】學(xué)生分析堿性鋅錳電池、鉛蓄電池等常見(jiàn)化學(xué)電源的正、負(fù)極電極反應(yīng)，以及電池總反應(yīng)，認(rèn)識(shí)化學(xué)電源的關(guān)鍵是利用自發(fā)氧化還原反應(yīng)。了解這些電池的裝置，如為了避免彼此接觸而短路

13、，正、負(fù)極板之間要用隔板等工藝設(shè)計(jì)，分析這些化學(xué)電源的優(yōu)缺點(diǎn)。1鋅銀電池一次電池總反應(yīng)式：Zn Ag2OH2O= Zn(OH)2 + 2Ag負(fù)極反應(yīng)： 正極反應(yīng)： 2堿性鋅錳干電池 一次電池 總反應(yīng)式：Zn2MnO22H2O=2MnO(OH)Zn(OH)2。負(fù)極反應(yīng)： 正極反應(yīng)： 3二次電池(可充電電池) 鉛蓄電池是最常見(jiàn)的二次電池放電時(shí)的總反應(yīng)：PbPbO22H2SO4=2PbSO42H2O負(fù)極反應(yīng)：_ 正極反應(yīng)：_例：鉛蓄電池的總反應(yīng)為：Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O，書(shū)寫(xiě)放電電極反應(yīng)負(fù)極：（根據(jù)總的氧化還原反應(yīng)）第一步：電極反應(yīng)左邊寫(xiě)Pb，右邊寫(xiě)PbSO4（金屬鉛變

14、成Pb2+，遇到電解質(zhì)溶液中的SO42-生成難溶的PbSO4），并且要把+1價(jià)氫-2價(jià)氧之外的元素配平，因此在左邊添寫(xiě)一個(gè)SO42-：Pb+SO42-PbSO4第二步：找到變價(jià)的鉛元素，它由0價(jià)升高到+2價(jià)，一個(gè)鉛原子總計(jì)升高2價(jià)，就是失去2個(gè)電子，添寫(xiě)在電極反應(yīng)的左側(cè)：Pb+SO42-2e-PbSO4第三步：分析方程式的左邊不帶電荷，右邊不帶電荷，電荷已經(jīng)守恒，不必添寫(xiě)H+或OH-：Pb+SO42-2e-PbSO4第四步：原子也已經(jīng)守恒，不必添H2O，最后用氧原子的個(gè)數(shù)來(lái)檢驗(yàn)一下：Pb+SO42-2e-PbSO4第五步：進(jìn)行檢查正極：第一步：電極反應(yīng)左邊寫(xiě)PbO2，右邊寫(xiě)PbSO4（+4鉛變

15、成鉛離子，遇到電解質(zhì)溶液中的SO42-生成難溶的PbSO4），在左邊添寫(xiě)一個(gè)SO42-：PbO2+SO42-PbSO4第二步：找到變價(jià)的鉛元素，它由+4價(jià)降低到+2價(jià)，一個(gè)鉛原子總計(jì)降低2價(jià)，就是得到2個(gè)電子，添寫(xiě)在電極反應(yīng)的左側(cè)：PbO2+SO42-+2e-PbSO4第三步：分析方程式的左邊帶4個(gè)負(fù)電荷，右邊不帶電荷，溶液顯酸性，就用H+配平，在左側(cè)添加4個(gè)H+：PbO2+SO42-+2e-+4H+PbSO4第四步：根據(jù)氫原子的個(gè)數(shù)用H2O把原子守恒完成，左側(cè)4個(gè)氫原子，就在右側(cè)添寫(xiě)2個(gè)H2O，最后用氧原子的個(gè)數(shù)來(lái)檢驗(yàn)一下：PbO2+SO42-+2e-+4H+PbSO4+2H2O第五步：進(jìn)行

16、檢查環(huán)節(jié)3：了解燃料電池工作原理【設(shè)計(jì)意圖】：了解燃料電池工作原理是本節(jié)課教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)。其重要性在于學(xué)生熟悉該電池反應(yīng)“簡(jiǎn)單”的氧化還原反應(yīng)而已，但通過(guò)一定的設(shè)計(jì)，就可以制造出能量轉(zhuǎn)化率高且環(huán)境友好的化學(xué)電源。而設(shè)計(jì)的基本原理他們已經(jīng)學(xué)習(xí)，并非高不可攀，因此，學(xué)生有信心以后也可以進(jìn)行新型電池的設(shè)計(jì)。所以，本節(jié)課的情感態(tài)度與價(jià)值觀培養(yǎng)不應(yīng)還是簡(jiǎn)單地強(qiáng)調(diào)化學(xué)電源對(duì)環(huán)境的破壞，而應(yīng)該讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到他們可以依靠所學(xué)知識(shí)去不斷地優(yōu)化化學(xué)電源的設(shè)計(jì)，提高能量轉(zhuǎn)換率并保護(hù)環(huán)境，【教學(xué)設(shè)計(jì)】以氫氧燃料電池為例，分析燃料電池反應(yīng)，了解燃料電池工作原理，認(rèn)識(shí)燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率高于燃料普通燃燒的能量轉(zhuǎn)換率，有利于節(jié)約能源。1燃料電池氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，電解質(zhì)溶液可分酸性和堿性兩種。電解質(zhì)溶液酸性堿性電池總反應(yīng)式正極反應(yīng)式負(fù)極反應(yīng)式2. 甲烷燃料電池(電解質(zhì)溶液為NaOH溶液)的反應(yīng)式為總反應(yīng)離子方程式 正極：