一切皆有可能——高中化學(xué)“原電池”

任德珍

一、引言

學(xué)科的核心素養(yǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)代教育的熱門話題！它對(duì)提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展有著不可替代的作用。實(shí)驗(yàn)課程是化學(xué)課中重要的社會(huì)實(shí)踐的內(nèi)容，不僅學(xué)生可以在動(dòng)手實(shí)踐中學(xué)習(xí)到化學(xué)知識(shí)，換可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

二、背景

高二學(xué)生具有感性認(rèn)識(shí)豐富，理性認(rèn)識(shí)穩(wěn)步發(fā)展的認(rèn)知特點(diǎn)，而且學(xué)生此前已在必修2的學(xué)習(xí)中有了一定的基礎(chǔ)。本節(jié)內(nèi)容是在《必修2》中第二章第二節(jié)《化學(xué)能與電能》的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步介紹原電池的組成和工作原理，通過對(duì)電池效率的探究，引出半電池、鹽橋、內(nèi)電路、外電路等概念，從本質(zhì)上了解原電池的工作原理，是在必修2基礎(chǔ)上的深化。本節(jié)課試圖以“教師實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)，學(xué)生自主探究，自主分析設(shè)計(jì)”的學(xué)習(xí)方式學(xué)習(xí)。

三、問題

1、激發(fā)學(xué)生興趣，增強(qiáng)動(dòng)手能力

實(shí)驗(yàn)是在實(shí)現(xiàn)高中化學(xué)課程目標(biāo)具有不可替代的作用。所謂化學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)是指在化學(xué)教學(xué)中教師或?qū)W生根據(jù)一定的化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，運(yùn)用一定的化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備和裝置等物質(zhì)手段，在課堂人為的實(shí)驗(yàn)條件下，改變實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的狀態(tài)和性質(zhì)，從而獲得化學(xué)教學(xué)目的的一種教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。如何引發(fā)學(xué)生對(duì)本科實(shí)驗(yàn)的興趣，激發(fā)其內(nèi)在動(dòng)力學(xué)習(xí)本課呢？如何激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，讓學(xué)生自己動(dòng)手做自己力所能及的實(shí)驗(yàn)小成果呢？

四、問題的解決

“今天的生活已經(jīng)離不開電了，那第一個(gè)電池是誰發(fā)明的呢？”上課一開始，我向?qū)W生們提出了這個(gè)問題?！皭鄣仙?！”“瓦特！”學(xué)生們積極回答著，在一片回答聲中，化學(xué)課代表自信滿滿的答道“伏打”?！皩?duì)。”我對(duì)課代表傳去一個(gè)鼓勵(lì)的眼神，“800年，伏達(dá)發(fā)明了第一個(gè)電池，它是用鹽水和金屬片做的。因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有驗(yàn)電器，伏達(dá)是用自己的五官來感知電的存在。那么我們已經(jīng)知道原電池是將（ ）能轉(zhuǎn)化為（ ）能的裝置?！薄盎瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”學(xué)生很快的回答道?！霸姵厥菍⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。那么，我們這節(jié)課在必修2的基礎(chǔ)上來繼續(xù)探尋原電池的工作原理。原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。那么什么樣的反應(yīng)能被我們應(yīng)用獲得電能呢？”“氧化還原反應(yīng)，并且要放熱?！薄白园l(fā)反應(yīng)?！睂W(xué)生略微思考后回答。

“那假如老師給你提供Zn，CuSO4 ，Cu，你能否設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的電池呢？請(qǐng)大家在學(xué)案上設(shè)計(jì)，請(qǐng)一位同學(xué)在黑板上完成?！甭犕晡业膯栴}，學(xué)生們紛紛討論起來，通過思考、討論，學(xué)生很快的在學(xué)案上完成了自己的任務(wù)。根據(jù)黑板上同學(xué)畫好的電池，我問道“Zn、CuSO4、Cu構(gòu)成了閉合電路，電流表有什么作用？”“檢測有電流產(chǎn)生”學(xué)生異口同聲道?！半娏鞅硎怯脕頇z測有沒有電流產(chǎn)生。好了，那么這個(gè)電池到底成功不成功，我們得用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)來證明。”

學(xué)生們以Zn |CuSO4|Cu為材料，組成原電池?！斑@個(gè)應(yīng)該放在這里”“不對(duì)不對(duì)，我覺得應(yīng)該這樣……”在七嘴八舌中，學(xué)生們都完成了自己的原電池?！拔艺椅煌瑢W(xué)說一下，這設(shè)計(jì)成功嗎？有電流嗎？”“有電流。”“你能給大家說一下它的工作原理嗎？它是怎樣產(chǎn)生的電流？”“電子從Zn電極通過外電路轉(zhuǎn)向Cu電極?！薄罢?qǐng)問電子從哪來的，怎么來的？”學(xué)生思考了一會(huì)，說道“Zn-2e-= Zn2+，在Cu片上， Cu2+得到電子生成Cu，Cu2+ + 2e-= Cu?！薄澳蔷褪钦f銅電極板質(zhì)量就要增加，鋅電極板質(zhì)量就要減小。請(qǐng)問Cu2+移動(dòng)到右側(cè)銅極板了，哪種粒子往鋅電極移動(dòng)呢？”“SO42-”“Zn失電子沿外電路移動(dòng)到Cu片，形成了電子定向移動(dòng)，而在溶液內(nèi)Cu2+移向Cu片， SO42-移向Zn片，離子也在定向運(yùn)動(dòng)，這樣構(gòu)成了一個(gè)閉合回路，就使我們獲得了電流?！蔽摇俺脽岽蜩F”的總結(jié)。

“你能說說你觀察到的數(shù)據(jù)是如何變化的嗎？”“從1.06V——0.83V”“示數(shù)不穩(wěn)定，忽大忽小。”學(xué)生面露疑色。“有同學(xué)觀察到：在不斷衰竭。有同學(xué)觀察到：在不斷反復(fù)。我還想請(qǐng)同學(xué)們回答，你覺得這個(gè)現(xiàn)象是不是說明這個(gè)電池存在問題呢？這個(gè)問題可能是什么原因?qū)е恋哪?？你能給出解釋嗎？”學(xué)生們討論后，有一位同學(xué)回答“ Zn片直接和CuSO4（aq）接觸發(fā)生反應(yīng)?！薄澳愕囊馑际亲髠?cè)鋅極板上也出現(xiàn)了Cu，那這樣的話電流就不穩(wěn)了。那真的出現(xiàn)了Cu么？請(qǐng)大家仔細(xì)觀察一下Zn片?！薄坝蠧u生成?！薄澳敲催@個(gè)電池是存在很多問題：大家觀察到的電壓電流不穩(wěn)定。我們知道Cu2+在Cu上得e-，外電路就有電子的定向移動(dòng)，那請(qǐng)問Cu2+ 在鋅片上得e-，這一部分e-能否發(fā)生定向移動(dòng)，被我們利用產(chǎn)生電流呢？ ”“不能。”我接著問道，“這種現(xiàn)象的存在會(huì)使這種電池的效率怎樣呢？”“降低。”“效率降低。所以存在的第二個(gè)問題是效率低。即Zn片的利率低?！蔽医忉尩??！巴瑢W(xué)們，我們平常使用的電池的最大優(yōu)點(diǎn)就是便攜式 。用我們就接上它 ，不用 我們就斷開。那么，我們?nèi)绻堰@個(gè)電路斷開一下的話，大家觀察一下會(huì)怎么樣？”“繼續(xù)反應(yīng)?！薄皵嚅_之后Zn和CuSO4溶液繼續(xù)反應(yīng)，那它就更沒用了，這就是第三個(gè)問題開路損耗?！?/p>

“這么多的毛病，看來電池要改進(jìn)，那么關(guān)鍵要改進(jìn)的是什么問題？這些問題的根源在哪里？”聽到我的問題，學(xué)生們的興趣一下激發(fā)了出來，紛紛躍躍欲試，想要找到解決的辦法?！皫щ婋x子的定向移動(dòng)能形成電流?？梢杂秒娊赓|(zhì)溶液連接?！币粋€(gè)學(xué)生自信的給出解決方案。這不就是鹽橋?qū)嶒?yàn)么、我正好引出下一個(gè)實(shí)驗(yàn)，“鹽橋?qū)嶒?yàn)”?！巴瑢W(xué)們，這次怎樣，搭上鹽橋之后怎樣，情況改變了嗎？”“改變了，好神奇?！睂W(xué)生興奮起來，我趕緊解釋道“當(dāng)我們用一個(gè)鹽溶液給它搭一個(gè)鹽橋之后，由于Zn失去e-變成Zn2+，進(jìn)入溶液。而電子將沿導(dǎo)線定向移動(dòng)到Cu片。這時(shí)候，Zn片發(fā)生了氧化反應(yīng);當(dāng)電子移動(dòng)到Cu片以后，Cu2+獲得電子，生成了Cu，這時(shí)候發(fā)生了還原反應(yīng)?！薄跋旅嫖覀儗W(xué)習(xí)幾個(gè)概念 1.把電子定向移動(dòng)的路徑叫外電路。 2.把離子定向運(yùn)動(dòng)的路徑叫內(nèi)電路。3.我們把Zn和Zn2+共同構(gòu)成的部分叫電池的一半，叫“半電池”。4.另外一個(gè)Cu和Cu2+構(gòu)成的是另一個(gè)“半電池”5.這兩個(gè)半電池被鹽橋連接。”

“大家看，它是不是很像平常的電池了，這么好的電池不用多可惜呀？那大家小試一下身手。我們常見的賀卡的工作電壓是2V，你有什么辦法在實(shí)驗(yàn)2的基礎(chǔ)上讓賀卡穩(wěn)定的工作起來?！睂W(xué)生們紛紛動(dòng)手，嘗試各種方法，做成了自己獨(dú)特的賀卡?！斑@節(jié)課我們學(xué)習(xí)了鹽橋電池，鹽橋電池帶給我們新鮮了嗎？它是不是更接近我們生活電源。那么鹽橋電池是不是最好的呢？你要拿它去用，是不是有點(diǎn)麻煩呢？現(xiàn)在電池日新月異。比如這個(gè)電池，看看你的手指頭，感覺一下，3×3×1mm，把它植入人體中，做一個(gè)部件，是不是很棒，因?yàn)樗徽嫉乇P啊。那你說這是不是極致呢？ ”“不是?！薄澳莻€(gè)新電池發(fā)明者會(huì)是你嗎？大點(diǎn)說，會(huì)是你嗎？有可能嗎？ 上完這節(jié)課告訴我，你覺得有可能嗎？”“有！”學(xué)生們激動(dòng)地回答道?！八运徒o大家一句話，一塊兒讀出來，一切皆有可能。”

五、反思與討論

本節(jié)課首先引導(dǎo)學(xué)生回顧和復(fù)習(xí)了原電池概念，然后再以實(shí)驗(yàn)情景再現(xiàn)為題材，以師生互動(dòng)的活動(dòng)方式對(duì)原電池的原理進(jìn)行了探討，這個(gè)過程的設(shè)計(jì)主要以學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)描述的思考、師生問答的模式推進(jìn)探討原電池原理，充分發(fā)揮學(xué)生的能動(dòng)性，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。