带有测评功能的“原电池”作图模型

摘要

采用作图法设计的“原电池”模型，不仅直观展示了其宏观构造与组成，还从微观角度详细阐释了其工作原理。该模型作为一种教学演示工具，具有不受条件限制、操作便利的特点。与单向输出的动画视频演示相比，作图模型支持双向互动，能作为一项创新型作业，鼓励学生自主设计和绘制。这不仅能激发学生的学习兴趣和创造力，还能反映学生个体的思维模式和认知差异。更重要的是，该模型也为教师在“原电池”教学中开展过程性评价，提供了一种简便、标准化的测评工具。

Graphical abstract

关键词

“原电池” / 作图模型 / 过程性评价 / 测评工具

作图（Drawing），作为一种重要的科学思维方法^［1］，是在理解的基础上，以图形化的方式，将思维过程、思维结果予以个性化呈现的工具，具有激发创意、传达信息、建构思维的效能。在教学过程中，教师引导学生基于概念理解的作图，是引导学生组织已有知识、整合自我认知，进行推理验证，并予以具象化的一种教学策略。它不仅能够反映出学生的思维轨迹和认知差异，同时也为实时的监控与测评提供了便利，受到国内外广大研究者和一线教师的关注和推广^［1-4］。

1 “原电池”作图模型及作图要素

笔者以“Cu-Zn原电池”为例，将电极、外电路、盐桥及电解质溶液，设计成可由学生自主绘制的作图模型。作图要素与知识要点、考查要点相结合，形成基于不同维度表征（宏观、微观及符号）的测评因子，既能够充分反映出学生对概念理解和认知的差异，也为一线教师提供了一种不受条件限制，以“模型认知”和“证据推理”为导向，实施过程性评价和精准化教学的便利教具。

以“Cu-Zn原电池”为例，由Zn极、Cu极，导线，KCl盐桥及ZnSO₄、CuSO₄电解质溶液构成的作图模型，按照绘制顺序，依次由3个部分构成：①原电池组件的选择及宏观标识（A）；②基本粒子类别及所属位置的绘制（B）；③粒子转移路径及数量变化的绘制（C）。

1.1 原电池组件的选择及宏观标识（A）

选择适宜的电极、外电路、电解质溶液和盐桥，分别以化学式或文字的形式进行标注，如图1所示，以便明确“原电池”的组成及化学反应类型。

作图要素：①选择电解质溶液、电极、导线、盐桥，并标注名称或化学式（A-1）；②标注不同电极上发生的氧化或还原反应（A-2）；③在模型的底部，书写“原电池”的氧化还原反应方程式（A-3）。

1.2 基本粒子类别及所属位置的绘制（B）

在微观层面，“原电池”中的微粒包含电极上的原子、电解质溶液和盐桥中的离子。全文涉及的基本粒子如图2所示，其中，实心灰色颗粒表示电子；有色球体表示原子；带有凹痕的有色球体表示带正电的阳离子，凹痕的数目则对应失去的电子数目（不同元素使用不同的颜色，Zn元素为绿色，Cu元素为蓝色）。与此同时，有灰色颗粒附着的圆圈，表示带负电的阴离子，圆圈上的灰色颗粒数目则代表得到的电子数目。盐桥中的阴阳离子，分别用“⚪”加上“-、＋”予以区分。更多可用于拓展的不同类型粒子，如图3所示。

粒子及其所属位置在原电池中的作图，如图4所示：①阴（或阳）离子，只出现在电解质溶液中（B-1）；②中性原子，只出现在电极中（B-2）；③自由电子，只出现在外电路的导线上（B-3）；④基于选定的电解质溶液，用凹痕数表示溶液中的金属阳离子价态（B-4）；⑤基于选定的电解质溶液，用带有圆圈的灰色颗粒数，表示溶液中的阴离子价态（B-5）。

1.3 粒子转移路径及数量变化的绘制（C）

当“原电池”开始工作时，电极、电解质溶液、盐桥及外电路导线，在微观层面均呈现出相应的作图变化，如图5所示。

（1） 电极。

负极（Zn）的中性原子数量减少（虚线表示），正极（Cu）的中性原子数量增加（C-1）。

每个半电池中，金属原子（附着在电极上）和金属离子（存在于溶液中）的总数量保持不变（质量守恒）（C-2）。

（2） 外电路。

金属离子的增（减）量与得失电子的数量有关（摩尔概念）（C-3）；电子通过导线从负极（Zn）转移到正极（Cu）（C-4）；导线呈现出左高右低的形态，显示出电子自发由负极（Zn）至正极（Cu）转移（C-5）。

（3） 盐桥。

盐桥中的阳离子，转移到发生还原反应的半电池中（C-6）；盐桥中的阴离子，转移到发生氧化反应的半电池中（C-7）。

（4） 电解质溶液。

（氧化）半电池中，金属阳离子数量增加；（还原）半电池中，金属阳离子数量减少（C-8）。

每个半电池中，阴、阳离子的电荷数相等（电中性原则）（C-9）。

2 考查要点及测评因子

结合“原电池”概念的知识点、考查要点，及学习中常见的迷思，将以上作图要素（A～C）对应为相关测评因子（表1），方便对学生的个性化作图，实施标准化测评，从而快速获取学生在概念理解中潜藏的问题和障碍，据此进行及时纠错和精准化指导。

3 作图模型的应用

在教学实践中，教师可发放半开放式的作图试题，要求学生通过图示表达出对“原电池”构造和工作原理的理解程度。基于学生的作图文本，依据表1所列出的考查要点及测评因子，即可对学生的作图进行评价，获取学生关于原电池知识的掌握情况和理解障碍，继而进行有针对性的个性化辅导。

【作图试题】基于你对“原电池”的构造和工作原理的理解，请根据以下要求，绘制出一幅“双液原电池”的图示。

（1） 请你选择适宜的金属或非金属作为电极材料，并注明“原电池”中的各个组件（如盐桥等）。

（2） 从微观角度，对原电池中所具有的微粒进行明确标识。比如：电子、电极中的原子、溶液中的离子等。对于离子，要明确标识出电荷类型和电荷数。

（3） 作图时应体现出“原电池”的工作状态、微粒间的数量关系，比如：阴阳离子、阴阳离子与电子的比例关系。

（4） 用箭头等符号标出“原电池”工作状态下电子、阴阳离子的迁移方向。

（5） 标明氧化、还原反应发生的区域，并写出反应方程式。

通过以上作图试题，可实现学生认知思维的可视化，也为教师过程性评价提供了可观测的认知轨迹。绘图文本中所暴露出的认知误区，便于教师及时介入纠偏，以提供精准化的教学指导。

4 结语

相较于视觉信息的单向输出且难以实时获取个体思维差异的^［5-8］动画视频和虚拟实验而言，该作图模型通过学生自主选择电极、电解质溶液及盐桥，进行“原电池”图形绘制，能够呈现出学生对“原电池”从初始状态（组成）到工作状态（电化学反应发生）的认知过程。更为重要的是，基于自我理解、思考并创作的个性化作图，能及时暴露出学生潜藏的概念迷思，如：混淆正负极及发生的化学反应，电解质溶液不能保持电中性，盐桥传递电子、离子等问题。基于学生所暴露出的种种问题，教师可及时介入，有针对性地解决学生的认知误区，从而有效促进学生的发展。

需要说明的是，基于图片的美观和辨识度考量，笔者采用Adobe Illustrator软件作图，以方便读者阅读和理解。在实际教学过程中，作图工具无需受限，既可使用电脑、手机中常见的绘图软件，亦可采用纸质的手绘作图。另外，遵循主要矛盾凸显的原则，作图中删除了不参与作用的水分子，并忽略了粒子尺寸差异，以达到简约、清晰的展示效果。

参考文献

[1] 施观雪，卢姗姗，毕华林.中学生对“溶液”概念理解的可视化表征及启示［J］.化学教育（中英文），2022，43（01）：70-75.

[2] Ibrahim B， Rebello N S.Role of mental representations in problem solving：Students’approaches to nondirected tasks［J］.Physical Review Special Topics-Physics Education Research，2013，9（02）：020106.

[3] Yang E M， Andre T， Greenbowe T J，et al.Spatial ability and the impact of visualization/animation on learning electrochemistry［J］.International Journal of Science Education，2003，25（03）：329-349.

[4] Dixon R A， Johnson S D.Experts vs.novices：Differences in how mental representations are used in engineering design［J］. Journal of Technology Education，2011，23（01）：47-65.

[5] 陈谦明.基于模型建构消除原电池迷思概念的思考与实践［J］.中学化学教学参考，2019（02）：41-43.

[6] 单世乾，倪娟.基于探究实验建构认知模型的化学教学研究：以“原电池的工作原理”教学为例［J］.化学教学，2018（12）：59-64.

[7] 严茹，竺丽英.基于迷思概念的科学教学定格动画制作：以“原电池的工作原理”为例［J］.化学教育（中英文），2022，43（13）：95-101.

[8] 王茹昕.基于论证的化学教学微视频的设计与开发：以原电池专题为例［D］.南京：南京师范大学，2021.

基金资助

四川省哲学社会科学重点研究基地—四川省教师教育研究中心项目(TER2022-024)