用玩具車玩轉(zhuǎn)原電池，讓課堂實驗更加靈動
—— 以“揭秘原電池”為例

◎ 姚 澄

在新一輪的高考改革背景下，基礎(chǔ)教育學(xué)科教學(xué)的終極目標(biāo)是立德樹人，促進學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。以學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)為主旨的學(xué)科教學(xué)方式，應(yīng)該從單一向多樣化發(fā)展，從以“教”為主向以“學(xué)”為主發(fā)展；從只重視文本知識的傳授、灌輸轉(zhuǎn)向重視學(xué)生學(xué)習(xí)活動的設(shè)計組織和指導(dǎo)。[1]如何推進教學(xué)的轉(zhuǎn)型，從哪里作為推進的起點呢？可以說，實驗是化學(xué)最大的魅力和突破口。高中階段是學(xué)生對化學(xué)實驗好奇感最強的階段。怎樣使學(xué)生對實驗感到既“好（hˇo）”玩，又“好（hào）”玩？筆者選取滬科版化學(xué)高一第一學(xué)期第四章第二節(jié)“化學(xué)變化中的能量變化”的最后一部分“銅鋅原電池及其原理”作為教學(xué)內(nèi)容，以玩具車為載體，引導(dǎo)學(xué)生通過實驗對原電池的工作原理進行自主探索和揭秘。

一、讓實驗變“好玩”的設(shè)計思路

“原電池”是高中化學(xué)學(xué)科體系的核心知識之一，它的教學(xué)是氧化還原反應(yīng)理論的延伸與應(yīng)用，也是后續(xù)電化學(xué)知識的基礎(chǔ)；既涉及學(xué)科交叉，又與生活實際聯(lián)系密切，是滲透學(xué)科觀念、提升關(guān)鍵能力和培養(yǎng)科學(xué)精神的好素材。如何把這個素材變得更生動，讓學(xué)生從被動“學(xué)會”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥摹皶W(xué)”？朱熹在品論《中庸》時說：“善讀者玩索而有得焉，則終身受用之，有不能盡者矣?！彼J(rèn)為，善于學(xué)習(xí)的人就是在邊玩邊探索的過程中“有所得”的，并且這樣的學(xué)習(xí)過程使人受益終生。筆者由此想到能否借用玩具車“玩”轉(zhuǎn)原電池？通過“一滴管神秘液體讓玩具車跑動起來”激起學(xué)生“玩”的興致和欲望，引發(fā)學(xué)生自主提問；再根據(jù)這些問題有針對性地開展各種實驗探究活動，引導(dǎo)學(xué)生在實驗中細(xì)致觀察，準(zhǔn)確描述，分析歸納。通過學(xué)生的自主探索發(fā)現(xiàn)銅鋅原電池的工作原理，形成原電池的概念，最終能夠自行設(shè)計新的原電池讓玩具車再次跑動起來。從疑問重重→抽絲剝繭→撥云見日→創(chuàng)新設(shè)計，圍繞玩具車跑動的實驗設(shè)計不僅貼近生活，讓學(xué)生感受到化學(xué)變化中能量轉(zhuǎn)化的獨特魅力和應(yīng)用價值，更借助實驗促使學(xué)生經(jīng)歷了一次自主探索發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)之旅。

二、“好玩”實驗的設(shè)計意圖

實驗一：讓玩具車跑起來。

【引入】玩具車是很多同學(xué)小時候的最愛。今天這節(jié)課我們就從一輛玩具小車開始。每個小組都有一輛玩具車，怎么讓它自己跑動起來呢？請對準(zhǔn)小車尾部藍(lán)色盒子的孔洞，加1滴管神秘液體。

【學(xué)生實驗1】實驗、觀察現(xiàn)象并記錄。

【提問】玩具車跑動，說明有能量產(chǎn)生。能量來自玩具車的哪個部分？提供的是哪種能量？

【學(xué)生猜測】藍(lán)色盒子。可能是電能。

【教師演示實驗】用電流計和導(dǎo)線連接藍(lán)色盒子。

【學(xué)生觀察】電流計指針偏轉(zhuǎn)。

【講解】這樣一個能夠形成電流的藍(lán)色盒子，可以作為提供電能的電源。今天我們就一起來揭秘這一類最原始的電源——原電池。

【設(shè)計意圖】用跑動的玩具車和電流計指針的偏轉(zhuǎn)激起學(xué)生“玩”的興致與欲望，促使他們自覺主動地融入學(xué)習(xí)情境中，同時引出了本節(jié)課的課題。

實驗二：拆一拆，電池里面有什么？

【學(xué)生實驗2】拆開電池，觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，記錄后再將電池復(fù)原。

【學(xué)生討論后回答】描述電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并提出自己的猜想和疑問。

【講解】接下來我們就這些問題來進行一一揭秘。滴加的神秘液體是稀硫酸。銀白色金屬是鋅片。電池由銅片、鋅片和浸有硫酸的無紡布組成。

【設(shè)計意圖】拆開電池，順應(yīng)了學(xué)生的好奇心；對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的描述和將電池復(fù)原的要求，旨在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)從不同角度觀察研究物質(zhì)；鼓勵學(xué)生提出自己的觀點和疑問，則是培養(yǎng)學(xué)生探究和質(zhì)疑的精神。學(xué)生發(fā)表的觀點是基于自身的經(jīng)驗和已有的知識，提出的疑問是本節(jié)課需要探索的問題，如此設(shè)計是引導(dǎo)學(xué)生在“玩”中透過現(xiàn)象求索本質(zhì)。

實驗三：找一找，電流是從哪里來？

【講解】這個電池比較小，不便于實驗室研究，我給大家提供實驗室里已有的大號銅片、鋅片和方形的小水槽，請同學(xué)們把這個小電池變得更大一些。

【學(xué)生討論】畫出裝置圖。

【設(shè)計意圖】裝置的轉(zhuǎn)換不僅是考察學(xué)生在前一實驗中對玩具車電池中各物件位置關(guān)系觀察的細(xì)致程度，也暗含了學(xué)生對原電池裝置的初步理解，同時在學(xué)生“玩”到“山窮水盡疑無路”時，通過點撥，發(fā)現(xiàn)“柳暗花明又一村”。為接下來運用該模型解釋、推測鋅片、銅片上的現(xiàn)象和電流的產(chǎn)生埋下伏筆。

【提問】這個裝置中會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？為什么？

【學(xué)生回答】鋅片上有氣泡，銅片上沒有。Zn + H2SO4→ ZnSO4+ H2↑。銅不活潑，不能與稀硫酸反應(yīng)產(chǎn)生氣泡。

【提問】反應(yīng)中有電子轉(zhuǎn)移嗎？標(biāo)出電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目。有電流嗎？為什么？

【學(xué)生回答】有，電子由鋅轉(zhuǎn)移到硫酸中的H+。H+在鋅上得到電子，有電子的轉(zhuǎn)移，但在同一地點，所以電子沒有流動，沒有形成電流。

【學(xué)生討論后并進行實驗3】對照玩具車中電池的連接，請同學(xué)們在原先設(shè)計的裝置圖上補充連接導(dǎo)線和電流計，完成裝置圖后再進行實驗。記錄現(xiàn)象。

【學(xué)生解釋實驗現(xiàn)象】銅片上有氣泡，說明電子通過導(dǎo)線流動到銅片上，H+在銅片上得電子生成H2。電流計指針偏轉(zhuǎn)說明導(dǎo)線中有電流產(chǎn)生。

【追問】（1）電子從哪里來？（2）如果沒有銅能否產(chǎn)生電流？（3）銅片有什么作用？

【學(xué)生回答】（1）鋅和硫酸反應(yīng)是一個氧化還原反應(yīng)，鋅失去電子，作還原劑，H+得到電子生成H2，作氧化劑。鋅、銅通過導(dǎo)線相連接后，電子從導(dǎo)線中流過，電子定向移動形成電流。

（2）不能，H+在鋅上得到電子，得失電子在同一地點，電子有轉(zhuǎn)移，但沒有流動。

（3）銅片沒有發(fā)生反應(yīng)，僅作為導(dǎo)體傳遞電子。

【追問】銅片是不是也可以用其他能導(dǎo)電的物質(zhì)比如鐵片、石墨代替？

【學(xué)生回答】可以。

【提問】要使電子定向移動形成電流，需要滿足什么條件？

【學(xué)生小結(jié)】必須發(fā)生氧化還原反應(yīng)，還需要將失電子和得電子分開在兩個不同的區(qū)域（銅、鋅電極）進行。

【講解】有了這個自發(fā)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，借助原電池這樣的裝置，就可以把反應(yīng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能。

【設(shè)計意圖】學(xué)生對于鋅片放在稀硫酸中會產(chǎn)生氣泡，而銅片不與稀硫酸反應(yīng)的原理是明確的。然而當(dāng)用導(dǎo)線將鋅片和銅片連接后，銅片上卻有氣泡產(chǎn)生。氣泡產(chǎn)生位置的變換引發(fā)了學(xué)生的認(rèn)知沖突，引發(fā)學(xué)生的深層思考，促使學(xué)生依據(jù)宏觀現(xiàn)象對微觀變化進行邏輯推理和驗證。在“玩”中拓展了思路，提升了從不同維度認(rèn)識物質(zhì)變化的能力。

實驗四：想一想，電池中的正負(fù)極在哪里？

【設(shè)問】電子是從鋅片流到銅片上的。物理課上我們知道，電流的方向是從電源正極經(jīng)導(dǎo)線流向電源的負(fù)極，電子流動的方向正好相反，所以鋅作負(fù)極、銅為正極。從剛才的實驗中我們發(fā)現(xiàn)電流計指針也是偏向銅（正極）的，說明電流計指針偏轉(zhuǎn)的方向和導(dǎo)線中電子流動的方向是一致的。

【小結(jié)】判斷Cu-Zn原電池的正負(fù)極我們可以從以下幾個角度：負(fù)極——電子流出的電極（由電流計指針偏轉(zhuǎn)的方向可知）、失電子，所以發(fā)生氧化反應(yīng)，在氧化還原反應(yīng)中應(yīng)該是更活潑的金屬（還原劑）；正極的情況和負(fù)極正好相反。

【設(shè)計意圖】引導(dǎo)學(xué)生選擇干電池作參照，在已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗中電流計指針的偏轉(zhuǎn)方向進行實證推理，并且結(jié)合氧化還原反應(yīng)歸納判斷原電池正負(fù)極的方法。讓學(xué)生在“玩”中悟出了方法。

實驗五：做一做，讓玩具車再次跑起來。

【學(xué)生實驗4】模擬Cu-Zn原電池，自選材料，設(shè)計一個新的原電池，再次讓玩具車向前跑動起來，并分析產(chǎn)生電流的原因。

實驗用品：電流計（導(dǎo)線）、鎂片、石墨片、銅片、NaCl溶液、稀硫酸。

【介紹】形形色色的電池和中國首創(chuàng)的氫燃料電車。

【設(shè)計意圖】玩具車的第一次跑動是教師提供安裝好的銅鋅原電池，在課堂的結(jié)尾處的創(chuàng)新設(shè)計，則是學(xué)生本節(jié)課對原電池的工作原理“玩索”后“有所得”的體現(xiàn)。當(dāng)自己設(shè)計的原電池讓玩具車再次跑動起來后，那種成功的喜悅不言而喻。緊接著介紹生活中形形色色的電池和中國首創(chuàng)的氫燃料電車，不僅讓學(xué)生再次感受化學(xué)變化中能量轉(zhuǎn)化的獨特魅力，同時也開拓了視野，了解隨著科技的不斷發(fā)展，原電池的應(yīng)用價值和廣闊前景。

三、“玩”好實驗的教學(xué)反思

化學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，學(xué)生對化學(xué)的喜愛也往往源自實驗。要讓學(xué)生不僅想“玩”，而且愛“玩”，就要從學(xué)生已有知識和經(jīng)驗出發(fā)，想學(xué)生所想，想學(xué)生所需，充分發(fā)揮好化學(xué)實驗在教學(xué)中的功能。以下是筆者的幾點思考。

（一）“玩”得有新意

這里的新意可以理解為：熟悉又陌生的實驗對象與富有挑戰(zhàn)的探索過程。前者能夠抓住學(xué)生心理，吸引學(xué)生去“玩”，后者讓“玩”的過程興奮又刺激。本節(jié)課筆者選擇的玩具車對學(xué)生來說是熟悉的，但是用“一滴管神秘液體”就讓它跑動起來的原理卻是陌生的，這足以引發(fā)學(xué)生“玩”下去的欲望。而在接下來的探索過程中教師放手讓學(xué)生動手實驗，動腦思考，動嘴交流，隨著思路的打開、思維的碰撞，原電池的層層面紗被揭開。在師生互動、生生互動的過程中學(xué)生們始終處于一種積極主動的思維狀態(tài)，在“玩”中學(xué)，在學(xué)中悟。

（二）“玩”中有深意

實驗中注重化學(xué)思想方法的滲透，可使學(xué)生解決問題的手段變得更多樣、更靈活。因此“玩”的過程中，不應(yīng)只滿足于對教材實驗的探究分析，而是可以根據(jù)學(xué)情對課本實驗進行必要的改進、補充和重組。比如對學(xué)生已知的實驗可以化繁為簡，對能夠產(chǎn)生認(rèn)知沖突的實驗則化簡為繁。本節(jié)課的重難點是銅鋅原電池的工作原理。教材中提供的有關(guān)實驗只有兩個：一是把鋅片和銅片平行地插入盛有稀硫酸溶液的燒杯中，觀察現(xiàn)象；二是再用導(dǎo)線把鋅片和銅片連接起來，在導(dǎo)線中間接入靈敏電流計，觀察鋅片、銅片和靈敏電流計發(fā)生的變化。本節(jié)課中，筆者簡化了教材中的實驗一，因為學(xué)生已經(jīng)知曉該實驗現(xiàn)象，并能給出科學(xué)的解釋。實驗二是引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的點。圍繞這一問題的解決，筆者增加了三個實驗：銅鋅原電池讓玩具車跑動、拆裝重組玩具車中的原電池和設(shè)計新的原電池讓玩具車再次跑動。這看似大費周折的設(shè)計，卻在不經(jīng)意間突破難點，讓學(xué)生在“玩”中觀察、思考、推理、模仿、獲取知識，更可以潛移默化地受到科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)思想的教育，培養(yǎng)看問題、解決問題的良好的思維習(xí)慣，提升學(xué)科素養(yǎng)。

（三）讓“玩”從課內(nèi)延伸到課外

課堂上教師引導(dǎo)學(xué)生通過“玩”解決學(xué)科問題，提升學(xué)科素養(yǎng)，但是“玩”的終點不應(yīng)以一節(jié)課的結(jié)束而終止。教師適時的拓展可以為學(xué)生打開更加廣闊的化學(xué)世界，將“玩”由課堂延伸到課外。在玩具車跑動的兩次實驗中，有的同學(xué)發(fā)現(xiàn)玩具車跑動的速度比較慢，距離或時間比較短，車中的電池攜帶不方便、使用不安全等……在此基礎(chǔ)上筆者簡要介紹電池的發(fā)展、種類以及我國最新研究的成果——氫燃料電池車。感興趣的同學(xué)還可以根據(jù)本節(jié)課所學(xué)的原電池的原理，研究各種電池的放電原理，或者選擇其他的材料或設(shè)計各種原電池來測試產(chǎn)生電流大小等。通過“玩”將課堂知識與生活實踐緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生自主去發(fā)現(xiàn)、去探索，體驗學(xué)習(xí)的快樂和化學(xué)的魅力，筆者認(rèn)為這才是“發(fā)揮實驗功能，推進教學(xué)轉(zhuǎn)型”的終極目標(biāo)。