“三重表征”在原电池教学中的应用，本文主要内容关键词为：表征论文,原电池论文,教学中论文，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。
表征或表征系统，是人们知觉和认识世界的一套规则。[1]美国著名教育心理学专家布鲁纳认为，在人类智慧生长期，有三种表征系统在起作用，这就是“动作表征、肖像表征和符号表征”。动作表征系指通过动作或行为来认识事物，肖像表征系指通过肖像或映象来认识事物，符号表征系指通过各种符号来认识事物。三重表征系统的相互作用，是学生认知生长或智慧生长的核心。三重表征系统与人类发明创造的历史演进过程极为相似，儿童在发展初期，他们是通过对客体的直接感受来表征客体，用布鲁纳的话来说，是用“肌肉来表征”客体的。儿童在发展的早期，他们从完全采用动作表征过渡到肖像表征，即开始能够使用“心理映象”作为某些客体或事件的代用品，这是三重表征系统中的第二个层次，最高级的表征形式是符号表征。符号表征与肖像表征的根本区别，在于肖像表征同它的指称物在形式上是完全相似的，而符号表征则完全是任意性的。按照三重表征的递进关系（见图1），我区某教师（简称A教师，下同）在原电池的教学中进行了教学尝试，教学效果很好。
一、通过“动作表征”促进学生“从做中学”，培养学生的科学探究能力 布鲁纳十分强调学生的自主发现过程。在高中化学原电池的教学中，教师心中明确，原电池的教学属概念或原理的教学，在此之前，学生已经掌握了一些氧化还原反应，化学能与热能、光能等之间的转变，但对于化学能与电能之间的转变只有一些初步认识，对原电池的工作原理、构造、用途等属于一个全新的研究领域。鉴于学生已有的认知结构，我区A教师为使学生的动作表征具有一定的方向性和有效性，因此，按以下四个步骤强化学生的动作表征。 （一）提出问题，创设情境[2] 根据学生已有的认知水平和学生即将达到的发展水平，教师持以适当的言语指导是教学过程中的一种必须。 教师设问，在我们研究的化学反应中，常伴随有能量变化。如镁条的燃烧（教师演示）现象说明了什么问题（旧知，学生泛答，化学能转变为热能和光能）？那么，化学能能否转变为电能呢（新知）？ （二）动作表征，探讨新知 1.做好探索实验，有效形成概念。 学生两人一组做铜—锌原电池的供电实验。 预备实验：将锌板、铜板平行插入稀硫酸中，根据实验现象教师设问。 甲：为什么锌片和铜片上现象不同（学生从金属活动顺序作答）？ 乙：上述反应是锌把电子直接转移给氢离子，若设法使电子通过外加导体进行间接传递，让氧化反应和还原反应分别在设置的两个电极上进行，其结果将怎样呢？ 探索实验：用导线把锌片和铜片连接进来，结果锌片上气体减少，铜片上产生气体。但随时间的增长，电流强度越来越小。 教师引导学生探讨原因。 形成（概念）性实验：把检流计串联在锌片和铜片之间（见下页图2）。通过指针的偏转从能量转变的角度初步得出概念，“把化学能转变为电能的装置称为原电池”。
2.提出探讨问题，扩展学生思维。 探讨问题一（教师提出，下同）：铜—锌原电池中电流的方向如何？通过电流方向你能初步得出确定正、负极材料的一般规律吗？ 补充实验1（教师演示），用一已知电池接检流计，看指针的偏转方向与铜—锌原电池中指针的偏转方向比较而定。实践表明检流计的“+”接线柱与电池的正极相连，“-”接线柱与电池的负极相连，则指针向右偏，若接反了，则向左偏。故锌（相对活泼金属）为负极，铜为正极（亦可通过对锌失电子后电子的流向分析得知）。 探讨问题二：若将铜—锌原电池中的铜依次换为铁（比锌不活泼）、铝（比锌活泼）、碳棒后，能否产生电流？其方向分别如何？ 补充实验2，锌—铁硫酸电池的供电实验。 补充实验3，铝—锌硫酸电池的供电实验。 补充实验4，锌—碳硫酸电池的供电实验。 探讨问题三：若将铜—锌原电池的锌换为碳棒，能否产生电流？ 补充实验5，铜—碳硫酸装置不供电。 教师引导学生从氧化—还原反应能否自发进行分析、探究。 探讨问题四：若将铜—锌原电池中的硫酸（电解质）依次换为盐酸、硫酸铜溶液（强电解质溶液）、柠檬酸（弱电解质，实用广柑或桔子）、酒精、蔗糖（非电解质）溶液，能否产生电流？原因何在（铜—锌桔子电池当堂演示，其他问题均由学生分析、推理解决。必要时可布置课外实验）？ 探讨问题五：原电池中外电路的电子流动跟内电路中阳离子的移动有什么因果联系？氧化—还原反应在上述因果联系中的作用是什么？ 通过以上实验探索和问题讨论，你能找出形成原电池的条件吗？ （学生议论，教师补充、修正） 探讨问题六：铜—锌（硫酸铜）原电池是一个单池，这种电池除铜片上产生气体外，锌还能直接在溶液中与氢离子反应而产生气体，其反应产生的化学能是否完全转化为电能呢？ 让学生触摸盛铜—锌原电池的烧杯的外壁（有烫手的感觉），进而体会铜—锌原电池中的化学能有一部分转化为热能而损失。由此可见，这套装置提供的电流不持续、不稳定，能量的转化率低。 如何对该装置进行改进？能否设法阻止溶液中的氢离子在锌片上被还原？此时我们要加入一个新的装置——盐桥（见图3）。
探讨问题七：盐桥有何作用？ 参考答案：形成闭合回路，平衡电荷。 盐桥的添加不是一个微小的改变，它为原电池原理的实用性开发奠定了理论基础。 “动作表征”是学生认识事物的一个重要手段，有条件的情况下，尽可能让学生动手实验，使之“从做中学”，进而促进学生进行力所能及的科学探究，掌握科学探究的一般方法。以上“动作表征”的变式，均能体现控制变量法[y=f（x）]的基本思想，能促进学生从典型的“铜—锌原电池”过渡到一般意义上的原电池。 （三）归纳小结，整理新知 1.原电池的概念——把化学能转化为电能的装置。 2.原电池的电化学原理（见图4）。
3.原电池中电极材料的确定。 负极：相对活泼金属 正极：相对不活泼金属或能导电的固态非金属等 4.形成原电池的条件。 （1）有两个活泼性不同的电极。 （2）形成闭合回路。 （3）电解质溶液。 （4）在电解质溶液中能自发地发生氧化还原反应。 （四）简单应用、巩固新知 1.试一试。 （1）在串联电路中连接一个（手电筒用）小灯泡，然后将几个铜—锌原电池进行串联，当串联多少个铜—锌原电池时灯泡发亮？ （2）将一根铜丝和一根铁丝分别插入橘子中，然后在铜丝和铁丝之间连接一个检流计，观察检流计的指针是否偏转。 这两个实验将课内实验延伸到课外，不少学生通过自己的尝试，学习兴趣大增。 2.练习。 用一个铁钉、一根铜棒及导线若干，另加50毫升胆矾溶液，请你设计一个电池。画出装置图，并标明正、负极，电流方向。写出电极反应、电池反应（见图5）。以下是某学生的答案。
二、通过“肖像表征”促进学生在观察中学习，培养学生的抽象思维能力 原电池的工作原理从微观上看，学生是难以想象的。为使学生进行抽象思维，培养学生的想象能力，A教师在教学中引入了铜—锌原电池的Flash模拟动画。在该模拟动画中，会分层次地出现4组动画，一是锌棒上的反应——有锌离子脱落，同时有电子经外电路流向正极（见图6）。二是铜棒上的反应——电子经外电路流入铜棒，同时氢离子在铜棒表面得到电子，两个氢原子在铜棒上结合进而产生氢气。三是电流计的指针偏转和铜棒上产生气泡。四是阳离子在内电路中移向阴极区（正极），阴离子在内电路中移向阳极区（负极）。
通过铜锌原电池的模拟动画，让学生搭建起宏观和微观的桥梁，能够想象微观世界中微观粒子的运动，进而理解原电池的工作原理。 三、通过“符号表征”促进学生在思考中学习，培养学生的推理能力 著名的社会学习理论家（或称为认知—行为主义理论）班杜拉（加拿大）认为，人的认知主要是指使用符号和预见结果的能力。首先，使用符号的能力，为人类提供了一种创造和调整各种环境事件的有力的工具。通过符号，人们可以把稍纵即逝的经验加以处理并转换成内在的模式，从而作为未来行动的指南。通过符号，人们可以赋予自己亲身经历过的经验以意义和形式；通过符号，人们可以不受时间和空间的限制与他人交流。其次，人们不是简单地对环境作出反应，或被环境事件所左右。人的行为大多是有目的、有预见性的。人类可以预见到各种行动可能导致的各种后果，并以此制定行动方针、引发自己的动机，并有预见性地引导自己的行动。 1.使用“符号表征”认识原电池的工作原理。 对于铜—锌（硫酸）原电池的工作原理，用文字（也是一种符号）及化学符号可以概括性地表示如下。
始于符号表征的原电池的工作原理更具有概括性、代表性和间接性。由于有动作表征、肖像表征作基础，符号表征更加显现符号的优越性。 2.预见一般原电池的工作原理和设计原电池。 有研究表明，化学符号的应用较符号辨识、符号理解更难[3]（见下表，符号的应用得分率最低），因此，化学符号的应用将是一个瓶颈。
铜—锌原电池只是一个特殊的原电池，如何让学生由特殊推广到一般，预见一般原电池的工作原理及应用，A教师采取了以下做法。 给出一个氧化还原反应，要求学生根据这个氧化还原反应设计成一个原电池。 【案例1】
该电池与铜—锌（硫酸）电池相似，负极（铁）参与电极反应，正极不参与反应，可选用铜、碳等能导电的固体物质。 【案例2】
该电池与铜—锌（硫酸）电池相似，负极参与电极反应，正极（电极材料）不参与反应，可选用碳等能导电的固体物质。 【案例3】
该电池的负极和正极均为气体，它们均参与电极反应。燃料电池的电极材料一般为惰性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。 工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气，起作用的成分为氧气）。其原理图如右图7所示。 由氧化还原反应这种特定的符号过渡到设计具有电化学原理的原电池，完成了符号的应用。 3.给出一个特定的原电池，要求学生分析原电池的电化学原理。
写电极反应可根据电池反应（也叫总反应）减去一个半反应（电极反应）得到另一个半反应。或由电极材料的属性写出半反应。这种由实用性的电池写出电极反应的过程实际上也是一种符号的应用。 4.给出一些相关的原材料，要求学生根据原材料可能发生的氧化还原反应，组装成原电池。 【案例5】请从家里找材料，如铁丝、食醋、铜板、矿泉水瓶，设计一个原电池，画出装置图，标明电流方向，写出电极反应和电池反应式。 从学生的生活实际出发，引导学生做一些家庭小实验，可以激发学生的学习兴趣，同时，也能完成符号的应用的特定任务。 这种将符号的应用由一般到特殊，再由特殊到一般的过程，学生感受很深，对符号的特定意义有较深的理解。
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