促进能量观功能化的教学策略研究，本文主要内容关键词为：能量论文,教学策略论文,功能论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
以电化学、化学焓变等知识为载体，建构中学生关于“能量”以及“能量转化”的观念性认识，是中学化学教学的重要目标。然而值得思考的是，如果观念性认识不能成为学生解决问题的思维工具，那么这些认识将仅仅是知识结论。将观念功能化、行为化，转化为学生解决实际问题的能力，应该是观念建构教学的真正价值所在。“原电池”教学内容对于学生能量观的发展具有重要价值，必修阶段通过原电池内容的教学，学生能够获得哪些观念性认识？学生能量观功能化的具体行为表现是怎样的？如何进行教学能够更好地实现观念的功能化呢？ 一、“原电池”内容对促进学生能量观发展的价值分析 必修阶段“原电池”教学内容对于学生能量观发展的主要贡献，在于丰富了学生对能量转化方向与形式、能量转化的原理与装置、能量转化效率与守恒等方面的认识。具体而言，教学内容蕴含如下观念性认识：（1）化学能在一定条件下可以转化为电能，人类社会可以利用化学反应获取电能[1]。（2）能量转化的形式与化学反应进行的途径和方式有关。化学能转化为电能必须借助于特殊的装置——电池，由于该装置改变了化学反应进行的方式，将氧化反应和还原反应拆分在不同的区域进行，电子定向转移形成电流，化学能得以转化为电能[2]。（3）化学能不能100%转化为电能，任何一种电池内部都存在电阻，一部分化学能将以热能的形式被耗散掉，能量转化效率与装置设计密切相关[3]。能量转化遵守能量守恒定律。 二、观念性认识功能化的条件及能力表现 实现观念功能化的前提条件是学生能够形成分析、解决问题的思路和方法。即是说，学生不仅要有“化学能在一定条件下可以转化为电能”的观念性认识，更要掌握设计原电池的一般思路和方法，才能将观念性认识功能化，转化为解决问题的能力。 必修阶段学生能量观功能化的能力表现为：（1）学生能够自主分析原电池将化学能转化为电能的原理，解释闭合回路是如何形成的。（2）能够说明原电池装置各构成要素在实现能量转化中的功能。（3）能够依据氧化还原反应设计简单的单液原电池实现能量转化。 三、促进学生能量观功能化的教学策略 （一）优化原电池教学模型促进学生认识发展 铜锌（稀硫酸）单液原电池通常是必修新授课阶段大多数教师使用的教学模型，由于这一模型本身的某些特点（电极材料为金属，锌既是电极反应物又是电极材料，稀硫酸参与电极反应），导致学生产生了各种偏差认识。例如：学生将电极反应物等同于电极材料，认为电极材料必须为2种活泼性不同的金属，电解质溶液必须参与电极反应，学生将电流产生的原因归结为电极材料存在活泼性差异，且电极材料与电解质溶液要发生反应。由于这些偏差认识出现在概念建立阶段，一旦形成将非常顽固，而且严重干扰后续学习。例如，很多学生质疑氢氧燃料电池，氢气和氧气没有直接接触为什么发生反应了？电极材料不是金属，没有活泼性差异，为什么能够产生电流？这些问题不仅妨碍学生观念性认识的形成，更难以形成分析、解决原电池问题的思路和方法，导致观念难以功能化。 为了解决这一问题，尝试用
（石墨）-NaCl溶液-（石墨）氯气单液原电池作为新授课教学模型。该模型的优势在于：（1）电极反应物为2种气体，正、负极电极材料均为石墨，电解质溶液不参与电极反应，有利于学生区分电极反应物与电极材料的概念，有利于学生更好地认识电极材料和电解质的基本功能。电极材料：为电极反应提供得失电子的场所，电解质：作为离子导体，为闭合回路的形成提供离子。（2）与铜锌（稀硫酸）单液原电池相比，
（石墨）-NaCl溶液-（石墨）氯气原电池模型的电极材料不参与电极反应，因此有利于学生从氧化剂与还原剂自身得失电子能力强弱不同的角度理解原电池电流形成的原因，避免了电极材料的干扰。（3）
（石墨）-NaCl溶液-（石墨）氯气原电池模型实现了氧化剂与还原剂的完全拆分，有效破除了学生认为先发生氧化还原反应后形成电流的错误认识。（4）该原电池中的电极反应简单，有效降低了分析电极反应的难度，有利于学生将学习的重心放在理解原电池原理上。 （二）用设计型任务促进学生建构功能化的能量观 以往的教学，通常从分析解释型任务入手，学生通过分析、解释原电池装置中电流产生的原因，认识能量转化原理，在此基础上归纳总结原电池装置的构成要素，将设计原电池的一般思路和方法放在习题教学中进行。这种教学方式实现观念功能化的历程比较长，从学生课堂表现来看，依据实验现象反思顿悟“将氧化反应和还原反应拆分在不同的区域进行，是实现化学能转化为电能的前提条件”，具有较大的挑战性，教师普遍讲授较多，学生理解不深刻，导致在设计原电池阶段学生的思路混乱。 能否在新授课阶段以设计原电池为驱动性任务，学生在主动设计装置的同时探究能量转化的原理，并形成将化学能转化为电能的一般思路和方法？即是说在建构观念的同时能否实现观念的功能化呢？ 1.整体教学环节设计 总体设计思路为：首先从燃煤发电能量转化效率低，引出将化学能直接转化为电能的必要性，由此建立研究能量转化需要关注转化效率的认识。然后引导学生设计装置将氢气与氯气反应的化学能转化为电能，在完成装置设计的基础上，分析原电池工作原理，理解装置构成要素在能量转化中的作用，最后通过反思交流提炼观念性认识，同时形成将化学能转化为电能的一般思路和方法（教学环节见图1）。
2.核心活动设计 环节2是教学的重点和难点所在，在这一环节要实现如下目标：（1）通过对比分析氢气和氯气在点燃条件下反应与在原电池装置中反应，能量转化形式不同的原因，学生能够认识到化学能转化为电能的必要条件是将氧化反应和还原反应拆分在不同的区域发生。帮助学生建立“同一反应由于反应的方式和途径不同，能量转化形式不同”的观念性认识。（2）通过探究装置中电流产生的原因，形成对原电池原理的系统认识。（3）通过设计电池，认识装置的构成要素及其在能量转化中的作用。具体的教学活动设计见下页表1。 基于对学生思维发展脉络的分析，发现学生自主完成设计任务的前提条件是：（1）学生能将热能与微粒的无序运动、电能与电子的定向移动、化学能与氧化还原反应建立起联系。（2）学生能够认识到当氧化剂和还原剂直接接触反应时，电子转移是无序的、不定向的，化学能转化为热能。因此设计了“氢气在氯气中燃烧的反应存在电子转移，为什么化学能转化为热能而不是电能”“如何使电子的转移由无序变为有序”等问题促进学生思考，为学生自主设计电池奠定了基础。与分析解释型学习任务相比，设计型学习任务能够更好地体现设计原电池的程序性方法：拆分反应→确定电极反应物→选择恰当的电极材料及电解质→实验验证。这一方法的建立不是教师灌输的，而是与学生的探究历程、认识发展脉络融合在一起的，因此有利于学生在建构观念的同时实现观念的功能化。
（三）建构原电池认识模型促进观念功能化 电化学认识模型[4]（见图2），由北京师范大学化学教育研究所王磊团队开发，该认识模型体现了分析电化学问题所涉及的思维角度，既适用于原电池也适合于电解池。考虑到学生学习的阶段性，必修阶段建构“原电池认识模型”如图3所示。
具体教学过程设计见下页表2。
原电池认识模型具有建构观念、促进观念功能化的作用。根本原因首先在于模型本身包含了认识能量转化的角度及观念性认识。例如，不同形式的能量之间可以发生转化，转化存在方向性，要想实现化学能向电能的转化必须借助于特定的装置，将氧化反应和还原反应拆分在不同的区域进行，是实现化学能向电能转化的前提条件。其次，认识模型[5]通过横、纵坐标将装置要素和原理要素显性化，使得学生设计装置、分析原理时具有了完整、系统的思维角度，当学生面临“如何将化学能转化为电能”问题时，能够按照认识模型进行有序思维，形成解决问题的程序性方法。因此认识模型促进了观念向能力的转化，有利于实现观念的功能化。值得一提的是，认识模型的建立，并不是学生听与教师讲授就能实现的，是学生自主建构、自省顿悟的过程。因此本环节采取了反思、交流的教学策略，而且反思的目标不是知识本身，而是思维角度、思维路径和程序性方法，对于观念的形成、深化和功能化起到了画龙点睛的作用。 致谢：感谢北京教育学院何彩霞老师、北京师范大学化学教育研究所胡久华老师对本研究的指导和帮助！
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