中美化學(xué)教材中“水果電池”的比較與反思

尉言勛　李學(xué)強(qiáng)　吳曉紅

（1寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院　寧夏銀川　750021；2安徽碭山四中　安徽宿州　235300)

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中美化學(xué)教材中“水果電池”的比較與反思

尉言勛1，2李學(xué)強(qiáng)1吳曉紅1

（1寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院寧夏銀川750021；2安徽碭山四中安徽宿州235300)

摘要：對新課標(biāo)高中人教版教材和美國主流教材《化學(xué)：概念與應(yīng)用》兩國教材中“水果電池”進(jìn)行了比較和分析，在教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對“水果電池”影響因素進(jìn)行單一變量的探究。啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：水果電池；比較；影響因素；美國教材

新課標(biāo)對化學(xué)素養(yǎng)和衍生出的科學(xué)素養(yǎng)尤為重視，科學(xué)素養(yǎng)是學(xué)生潛意識形成的素質(zhì)，學(xué)生在學(xué)習(xí)和工作中運(yùn)用科學(xué)的思維和科學(xué)的意識發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。在新課程理念的指導(dǎo)下，我國高中教材也相應(yīng)改變，目前全國應(yīng)用較廣泛的教材版本有人教版、蘇教版、魯科版。美國也很重視學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，進(jìn)行了課程改革，2002年美國著名教育書籍出版集團(tuán)McGraw-Hill的Glencoe公司依據(jù)美國《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》和2061計劃的規(guī)定，出版了教材《Chemistry Concepts and Applications》（《化學(xué)：概念與應(yīng)用》），迅速成為美國高中主流理科教材。不僅對具有科學(xué)素養(yǎng)的人作出了十分具體的構(gòu)想，也為美國的教育系統(tǒng)規(guī)劃出把這種構(gòu)想變成現(xiàn)實(shí)所應(yīng)采取的具體行動路線。在此背景下，我們選取了兩國教材中具有代表性的“水果電池”進(jìn)行比較，通過對比分析力求把兩種教材各自的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，取長補(bǔ)短。指導(dǎo)一線高中化學(xué)教師了解兩國教材，更好地設(shè)計實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高教學(xué)效率，完成教學(xué)目標(biāo)。

一、中美教材有關(guān)“原電池”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計比較

1.人教版必修二第二章第二節(jié)化學(xué)能與電能41頁“科學(xué)探究”

目標(biāo)：根據(jù)已具備的氧化還原反應(yīng)知識和電學(xué)知識，利于提供的實(shí)驗(yàn)用品，設(shè)計一套電池裝置。

用品：鎂條、銅片、鐵片、導(dǎo)線、金屬夾、手電筒用小燈泡（或發(fā)光二極管）、果汁（橙汁、蘋果汁、檸檬汁等）、500mL燒杯。

方式：最好先獨(dú)自設(shè)計，并動手實(shí)驗(yàn)，邊做邊改進(jìn)；也可以與鄰座同學(xué)相互討論和觀摩，或請老師指導(dǎo)。

設(shè)計及記錄：

思考與交流：通過以上實(shí)驗(yàn)和探究，試說明化學(xué)電池應(yīng)由哪幾部分構(gòu)成，說明各起什么作用？

實(shí)驗(yàn)用品及操作　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象　結(jié)論

實(shí)驗(yàn)活動：利用水果如蘋果、柑橘、檸檬或番茄等制作原電池。

2.美國理科教材《化學(xué)：概念與應(yīng)用》620頁第17章第二節(jié)迷你實(shí)驗(yàn)17.2具有電勢的檸檬

實(shí)驗(yàn)步驟：

①輕輕地捏揉檸檬，但不能使檸檬皮破損。然后在檸檬的兩端各切一個深為1cm的裂縫。

②在兩個裂縫中，分別插入鋅條和鉛條。

③用導(dǎo)線將鉛條、鋅條分別與電壓表的正負(fù)極相連。若電壓表沒有讀數(shù)則將電壓表的正負(fù)極上的導(dǎo)線接頭對調(diào)位置。

④觀察并記錄電壓表上的讀數(shù)。

⑤使用鉛條和鋁條，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟1-4。在將鋁條插入檸檬裂縫前，先用鋼絲絨將鋁片的表面拋光以除去其表面的氧化層，隨后迅速將其插入檸檬的裂縫當(dāng)中。

注意：使用過的檸檬不能再食用，必須丟棄！

分析與討論：

①什么因素促使鋅條和鉛條之間產(chǎn)生了電勢差？

②為什么將鋅條替換成鋁條后，電勢差增大了？

③若先用鋅條和鎂條進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再用鋅條和鉛條進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，請問鋅條電極上發(fā)生的反應(yīng)是否相同？試給出解釋。

二、中美教材中的“水果電池”對比分析

1.人教版“水果電池”特點(diǎn)

人教版教材在設(shè)計水果電池之前通過一個簡單實(shí)驗(yàn)介紹了原電池的原理，給出了原電池的定義。然后進(jìn)行科學(xué)探究，學(xué)生嘗試設(shè)計電池裝置。在科學(xué)探究的最后有一個實(shí)踐活動“利用水果如蘋果、柑橘、檸檬或番茄等制作原電池”。目的是讓學(xué)生通過“水果電池”增加實(shí)驗(yàn)的樂趣，驗(yàn)證前面的理論，與前面的實(shí)驗(yàn)及理論學(xué)習(xí)相輔相成。很多高中教師在“優(yōu)質(zhì)課”評選的時候，選擇的實(shí)驗(yàn)有番茄電池、橙子電池、梨電池、蘋果電池等類似的實(shí)驗(yàn)，從學(xué)生課堂表現(xiàn)及聽課教師的反饋來看，水果電池能夠充分調(diào)動學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)主動性，體現(xiàn)了新課標(biāo)以學(xué)生為本的理念。

2.美國“水果電池”特點(diǎn)

《化學(xué)：概念與應(yīng)用》中“具有電勢的檸檬”是一個迷你實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象對學(xué)生的認(rèn)知產(chǎn)生了很大的沖擊?！盀槭裁措姌O插入檸檬中會產(chǎn)生電呢？”學(xué)生會帶著這個好奇心學(xué)習(xí)新的知識，在學(xué)習(xí)有關(guān)原電池的基本原理的時候就可以解決這個疑問。在興趣的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，在探究的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析與討論。教材在水果電池的基礎(chǔ)上介紹電勢差產(chǎn)生的原因以及原電池，對“檸檬電池”進(jìn)行理論上的解釋，學(xué)生理解能量轉(zhuǎn)化的本質(zhì)。在原電池原理的基礎(chǔ)上，美國教材又介紹了生活中常見的一些電池，比如碳-鋅干電池、鋰電池與心臟起搏器、鎳鎘充電電池以及電動汽車中的電池，達(dá)到“能用相關(guān)理論加以解釋”的教學(xué)目標(biāo)。有利于培養(yǎng)學(xué)生將化學(xué)知識應(yīng)用于生產(chǎn)、生活實(shí)踐的意識，提高學(xué)生對與化學(xué)有關(guān)的社會和生活問題做出合理的判斷和解釋的能力。可見美國教材的特點(diǎn)，起點(diǎn)低但落腳點(diǎn)高。

3.兩種教材“水果電池”實(shí)驗(yàn)對比分析

（1）人教版以及美國教材都很重視“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”的教學(xué)，都設(shè)計了“水果電池”。兩個實(shí)驗(yàn)都有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究能力。

（2）實(shí)驗(yàn)在設(shè)計上存在明顯差異

①目標(biāo)作用不同

中美教材在有些實(shí)驗(yàn)的設(shè)計上選擇的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相似，因?yàn)檫@部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是高中階段化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)在這里起到非常重要的作用?！八姵亍睂?shí)驗(yàn)中，中國教材是先介紹了原電池的理論和定義，然后讓學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，自己設(shè)計，邊做邊改進(jìn)，可以與同學(xué)討論、觀察或請教師指導(dǎo)。給予了學(xué)生自己動手、嘗試設(shè)計的機(jī)會，體現(xiàn)新課程教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的理念，有利于培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力、探究能力。美國教材是讓學(xué)生從“水果電池”中發(fā)現(xiàn)化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能，然后嘗試總結(jié)出原電池的定義。實(shí)驗(yàn)器材、藥品選擇兩方面相似，實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)和作用明顯是不同的。在調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣上，美國教材的設(shè)計方案更有優(yōu)勢。在知識的系統(tǒng)、是否利于學(xué)生知識鞏固上，中國教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計略勝一籌。

②設(shè)計方案不同

中國教材沒有給出實(shí)驗(yàn)的具體步驟，但給出了實(shí)驗(yàn)用品讓學(xué)生通過原電池的理論去設(shè)計實(shí)驗(yàn)過程。一定的范圍內(nèi)，給了學(xué)生選擇的余地，也給了學(xué)生探究的空間，有利于學(xué)生通過已學(xué)新知識，在新情境下分析問題、解決問題，對學(xué)生創(chuàng)新意識、探究能力的培養(yǎng)也起到很重要的作用。

美國教材給出了具體的實(shí)驗(yàn)步驟，分別使用鋅和鉛、鋁和鉛做對比，進(jìn)而引入分析與討論。啟發(fā)學(xué)生思維，產(chǎn)生電勢差的原因是什么？不同的電極電勢差是否相同？以及同一種金屬在不同電極組合中反應(yīng)是不一樣的?？梢娒绹鴮?shí)驗(yàn)可行性很強(qiáng)，以實(shí)驗(yàn)、拓展鞏固為主線幫助學(xué)生理解和掌握化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能。實(shí)驗(yàn)設(shè)計步驟明確，簡便易行，現(xiàn)象明顯，便于學(xué)生操作和觀察。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象增強(qiáng)學(xué)生對能量轉(zhuǎn)化的感性認(rèn)識，有利于培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析能力，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力。學(xué)生很容易操作，利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、對比研究中美兩國“水果電池”實(shí)驗(yàn)的反思與繼續(xù)探究

中美兩國對“水果電池”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計各有自己的優(yōu)勢，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新能力。該實(shí)驗(yàn)不但用于演示實(shí)驗(yàn)，也可用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)，不僅可以進(jìn)行常規(guī)教學(xué)探究，還可以進(jìn)一步作深入探究，例如：作為教師還可以在課本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行更深層次的思考。比如：影響水果電池的電流的因素究竟有哪些呢？能否在課本的基礎(chǔ)上進(jìn)行繼續(xù)探究？依據(jù)新課程的理念，借鑒中美教材有關(guān)“水果電池”的知識，我們把教材中的實(shí)踐活動設(shè)計用生活中常吃的一些水果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比探究，這樣既培養(yǎng)學(xué)生的探究意識，引起了學(xué)生濃厚的興趣，又直觀地展示了化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)化。

（1）實(shí)驗(yàn)用品

微安計、電壓表（量程0～1.5V，電阻約1000Ω）、導(dǎo)線、銅片、石墨棒、獼猴桃、檸檬、桔子、蘋果、柿子等。

（2）探究目的

1.體會能量的轉(zhuǎn)化，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；

2.控制單一變量，探究影響水果電池產(chǎn)生電流大小的因素；

3.發(fā)散學(xué)生思維，形成多角度思考問題的習(xí)慣；

4.加強(qiáng)化學(xué)與生活的聯(lián)系。

（3）實(shí)驗(yàn)注意問題

①每做一次實(shí)驗(yàn)，要用蒸餾水清洗電極，然后短路清零；

②注意選擇不同電極材料及電極間的距離不同所測電壓有明顯差距；

③所測電壓如果出現(xiàn)負(fù)值，說明正負(fù)電極接反了；

④為了便于分析比較，本實(shí)驗(yàn)控制單一變量，電極距離為3cm，溫度為室溫，選擇銅、石墨做電極；

⑤很多水果中含有生物酸，起到電解質(zhì)的作用，為了使現(xiàn)象明顯，更好地控制變量探究影響電流產(chǎn)生的因素，可以選擇酸堿度越高、汁多、大小相似、成熟程度相同的不同水果；

⑥本次探究主要是不同種類水果對電流大小的影響，同學(xué)如果有興趣可以嘗試探究其他因素，比如：不同電極、不同電極間距等。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

水果種類　第一次數(shù)據(jù)（單位V）獼猴桃　0.504檸檬　0.430桔子　0.515蘋果　0.538柿子　0.538第二次數(shù)據(jù)（單位V）0.458 0.602 0.550 0.505 0.539水果汁數(shù)據(jù)（單位V）0.439 0.608 0.504 0.511 0.532

圖1　

圖2　

（5）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與結(jié)論

1.電極剛插人水果中時，瞬間電壓較大，然后慢慢減少到某一個值，但并不穩(wěn)定，仍然有一定的減小跡象。這說明水果里面的電解質(zhì)容易極化。

2.水果電池有內(nèi)電阻，而且很大。

3.電極插入水果不同區(qū)域，電壓有明顯差別，為了更加科學(xué)比較本實(shí)驗(yàn)每種水果做兩次，然后，把水果制成水果汁做一次，三次對比。

4.本實(shí)驗(yàn)的探究材料易于獲得，能夠調(diào)動學(xué)生探究的積極性，但要研究做得到位并不容易。水果電池的探究涉及到電學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等知識，整個探究比較復(fù)雜，包含觀察、預(yù)測、設(shè)計實(shí)驗(yàn)、分析比較、解釋與結(jié)論等步驟。

5.通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)水果電池的電動勢影響因素很多，比如：水果的種類、成熟程度、電極間的距離、電極面積、電極材料、插入時間等因素都有關(guān)。

為了更好地演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生動手探究，教師在實(shí)驗(yàn)之前可以給學(xué)生一些建議與指導(dǎo)。本次實(shí)驗(yàn)我們只是探究不同種類水果對電流的影響，電極材料間距離、電極面積、電極材料的活動性差異也有一定的影響，為了不偏離本節(jié)課的教學(xué)主題并沒有做定量研究，這樣也給了學(xué)生思維和創(chuàng)新的空間。可以讓有興趣的學(xué)生將多個水果電池進(jìn)行“并聯(lián)”或“串聯(lián)”，測定其電流和電動勢。嘗試連接音樂卡片，用水果電池代替紐扣電池。嘗試?yán)蒙钪械男襞?，使用水果電池讓它發(fā)光等作為課外的擴(kuò)展。

總之，化學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，只有理論來源于科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，才更加具有說服性，更利于學(xué)生掌握。中美兩國教材都很重視學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，教材實(shí)驗(yàn)的設(shè)計各有特點(diǎn)和優(yōu)勢，教材呈現(xiàn)其內(nèi)容的方式不同，效果也不相同，但都是為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生探究能力。高中化學(xué)教材的知識呈現(xiàn)方式是否符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，是否有利于學(xué)生主動構(gòu)建知識，是否符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)原則，這些問題都值得深入研究。作為教師，要能夠合理地借鑒美國化學(xué)教科書中的優(yōu)點(diǎn)，吸收國外先進(jìn)教育理念，揚(yáng)長避短，促進(jìn)自己的教學(xué)實(shí)踐。應(yīng)善于激發(fā)學(xué)生心靈深處強(qiáng)烈的探究欲望，讓探究性的課堂充滿探究的樂趣，讓探究過程迸發(fā)出智慧的火花。

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doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.002

文章編號：1008-0546（2016）04-0005-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B