優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置 助力化學(xué)教學(xué)——以“原電池”教學(xué)為例

沈玉紅

“原電池”是高中化學(xué)教學(xué)中連接必修與選修的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，也是化學(xué)學(xué)科中能量轉(zhuǎn)化的重要體現(xiàn)，對(duì)學(xué)生理解化學(xué)能量轉(zhuǎn)化觀點(diǎn)，以及學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的提升有著重要的作用。然而，在現(xiàn)行的實(shí)際課堂教學(xué)中，由于裝置較大、用量較多、現(xiàn)象不易觀察等各方面原因，很多教師都停留在理論講解原電池產(chǎn)生的原理與條件上，而將原本生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)操作課堂，變成了枯燥乏味的理論記憶課堂，剝奪了學(xué)生觀察、感受與親身體驗(yàn)知識(shí)的機(jī)會(huì)，阻礙了學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。為能方便有效地將原電池的實(shí)驗(yàn)帶入課堂教學(xué)，我們可從以下兩個(gè)方面進(jìn)行原電池實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)。

一、原電池實(shí)驗(yàn)的微型化改進(jìn)

1.藥品用量的微型化。

大部分教師在課堂中展示的原電池實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，所使用的容器是燒杯或者電解槽，將鋅電極、銅電極及電流表用導(dǎo)線相連后，放入稀硫酸中，然后觀測(cè)裝置內(nèi)的現(xiàn)象與電流表的指針偏轉(zhuǎn)。這樣的裝置既浪費(fèi)原料又不環(huán)保，且現(xiàn)象不明顯，原因在于：首先兩個(gè)電極需要的表面積比較大，其中鋅電極由于雜質(zhì)等各方面原因，一旦使用一次后，表面會(huì)變黑而無法循環(huán)使用；在反應(yīng)過程中，鋅電極還容易釋放出刺激性氣味的氣體，污染環(huán)境；由于裝置的容積較大，需要的硫酸的量也相對(duì)較多，而原電池使用后的硫酸很難再重復(fù)利用，造成硫酸溶液的浪費(fèi)與廢液處理的壓力。如果安排的是學(xué)生實(shí)驗(yàn)，要處理這些廢棄的電極與廢液，更將是個(gè)不小的工程。

為此筆者設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單易行、效果明顯又節(jié)約試劑用量的原電池實(shí)驗(yàn)方式。如圖2 所示，選擇使用點(diǎn)滴板代替電解槽，用鋅棒與銅棒代替鋅片與銅片，實(shí)現(xiàn)原電池的微型化；使用點(diǎn)滴板中的小孔，每個(gè)孔只需要一毫升試劑就足夠產(chǎn)生電流，大大節(jié)約了試劑的用量。此外，由于未隔著塑料或者玻璃等容器觀察，鋅棒由于表面積小，產(chǎn)生的氣泡也沒有那么多，因而可以清楚看到銅棒表面的氣泡，現(xiàn)象也十分明顯。同時(shí)由于點(diǎn)滴板有6 個(gè)孔，還可以完成幾個(gè)電池串聯(lián)的實(shí)驗(yàn)操作。

圖1

圖2

2.鹽橋裝置的微型化。

在必修1 中，使用了簡(jiǎn)易的單液原電池裝置，如圖1 所示，將鋅、銅兩電極同時(shí)插入稀硫酸中，雖然可以看到電流表指針偏轉(zhuǎn)，但由于鋅片上會(huì)優(yōu)先產(chǎn)生大量氣泡，嚴(yán)重影響了銅片上氣泡的觀察，有時(shí)候甚至看不到銅片上的氣泡；仔細(xì)觀察電流表，發(fā)現(xiàn)電流表指針很不穩(wěn)定，因而引出了選修教材中帶鹽橋的雙液原電池裝置。但與此同時(shí)，裝置變得更龐大，同時(shí)由于鹽橋的不易保存，因而課堂上學(xué)生更加不容易有機(jī)會(huì)直接觀察與體驗(yàn)。

為此，筆者選擇使用浸有飽和食鹽水的濾紙來代替鹽橋，使用點(diǎn)滴板中相鄰的兩個(gè)孔來作為雙液原電池兩電極溶液盛放的容器，溶液選用藍(lán)色的硫酸銅，便于學(xué)生分辨觀察。這樣的改進(jìn)，不但簡(jiǎn)化了鹽橋裝置，而且現(xiàn)象更加明顯。

二、原電池實(shí)驗(yàn)的可視化改進(jìn)

1.串聯(lián)電路電壓的可視化。

為了展示原電池裝置中確實(shí)可以產(chǎn)生電流，蘇教版教材使用了靈敏電流表來檢測(cè)。這樣的裝置在實(shí)際操作時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，若電流表使用的量程太大，電流表指針偏轉(zhuǎn)幅度很小，幾乎看不到；若選擇的量程較小，指針又容易滿偏，從而損壞電流表。為此，筆者在嘗試了很多次后，發(fā)現(xiàn)選擇電壓表來測(cè)電壓可以有效地解決這個(gè)問題。我們知道，電阻不變時(shí)，電流與電壓是成正比的，電壓的產(chǎn)生與大小可以表示出此裝置中電流的產(chǎn)生與大小，因此測(cè)電壓既可以有效地說明原電池的發(fā)生，又可以有效地保護(hù)電表的安全。同時(shí)用測(cè)電壓法還可以定量地表示幾個(gè)串聯(lián)原電池之間的電壓關(guān)系。

2.離子移動(dòng)方向的可視化。

用浸有飽和食鹽水的濾紙代替鹽橋，還有一大優(yōu)勢(shì)，即可以直觀地觀察到離子的定向移動(dòng)。在點(diǎn)滴板加浸有飽和食鹽水的濾紙的基礎(chǔ)上，在濾紙中間滴入一滴酸性高錳酸鉀溶液，十秒左右，即可發(fā)現(xiàn)濾紙上的紫紅色明顯向鋅電極移動(dòng)。這樣直觀的顏色移動(dòng)，可以明顯表示出原電池中陰陽離子的移動(dòng)方向，比單純的說教更有說服力。

這樣的簡(jiǎn)易鹽橋雙液裝置，還適用于電解池的使用。比如電解硫酸銅溶液，可以在兩個(gè)相鄰的小孔中分別滴入同濃度的硫酸銅溶液，同時(shí)在濾紙上滴加同樣的少量硫酸銅溶液，用石墨做電極，連接電源。大約20 秒左右，可以看到藍(lán)色的銅離子向陰極區(qū)移動(dòng)，生動(dòng)形象地展示出在電解池中陽離子的移動(dòng)方向，這為后續(xù)電解池的深入學(xué)習(xí)提供了直觀的體驗(yàn)過程。

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為重要學(xué)習(xí)方式的自然學(xué)科，如果教師可以不斷地對(duì)各種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，將原本大型的、不方便的實(shí)驗(yàn)微型化，將原本不明顯的實(shí)驗(yàn)可視化，甚至引導(dǎo)學(xué)生利用生活中常見的一些物質(zhì)與設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)生活化、趣味化，這必將大大提升化學(xué)學(xué)科的教學(xué)效能，提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。