自制簡易原電池實驗教學設計

王露路

摘 要：電化學內容是高中化學的一個重要組成部分，具有很強的綜合性、實踐性和應用性。原電池是電化學的基礎，在必修二和選修四中都有不同程度的體現。在教學過程中發(fā)現許多學生不能熟練掌握并運用氧化還原反應原理去理解原電池的知識，通過必修二課本書中經典銅鋅原電池實驗和水果電池實驗得以啟發(fā)，利用生活中的常見物品（鋁制品易拉罐、不銹鋼洗滌器、食鹽）進行原電池實驗，利用該裝置進行高中化學教學，可以幫助學生掌握電化學知識，引導學生構建電化學思維模型，既能突破電化學教學難點，又能提升學生的化學核心素養(yǎng)，真正做到讓電化學實驗飛入尋常百姓家，發(fā)揮學生的主動性、積極性。

關鍵詞：電化學;原電池;氧化還原反應;核心素養(yǎng)

一、教學背景

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（簡稱《新課標》）的基本理念指出，課程以發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)為主旨，選擇體現基礎性和時代性的化學課程內容，重視開展“素養(yǎng)為本”的教學。因此，我們在課堂中培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的同時，課外也應組織學生參加興趣小組或化學社團，開展課外興趣活動，拓展學生的思維。

二、教材分析

電化學內容是高中化學的一個重要組成部分，具有很強的綜合性、實踐性和應用性。原電池是電化學的基礎，高中化學人教版必修二第二章第二節(jié)《化學能與電能》中用經典銅鋅原電池和水果電池實驗，引出原電池，選修四第四章第一節(jié)和第二節(jié)也不同程度地呈現了原電池知識。通過教材中經典的實驗，結合當下比較熱門的鋁空氣電池，利用生活中常見物品可進行原電池實驗[1]，同時，為了增加實驗的趣味性，還可以引入小彩燈和音樂盒。

三、學情分析

趣味探究實驗小組是由高一、高二學構成生成，每組3～4人，完成分組合作探究。他們對化學充滿好奇與熱情，并且對化學專業(yè)知識有著較好的基本功，作為信息時代的高中生，他們利用網絡的能力較強。

四、教學方法

信息檢索法、數字化實驗直觀教學法、探究式教學法

五、設計目標

【知識與技能】

1.理解原電池的原理及結構、了解原電池的組成條件。

2.會判斷電子、電流的移動方向，熟練書寫電極反應方程式。

【過程與方法】

1.通過探究性合作學習，設計并優(yōu)化實驗方案，完成實驗操作，學會合作、創(chuàng)新。

2.實驗過程中能提出問題，并通過討論、查詢文獻、尋問老師等方法有效解決問題。

3.學會運用控制變量法探究實驗最優(yōu)條件。

4.能對觀察記錄的實驗信息進行加工并獲得結論。

【情感態(tài)度與價值觀】

1.通過實驗探究，培養(yǎng)學生思考、分析、討論、歸納總結電化學知識，構建電化學思維模型[2]。

2.遇到困難要有直面困難的勇氣，具有終身學習的意識和嚴謹求實的科學態(tài)度。

六、實驗設計

【引入】人教版必修二第二章第二節(jié)《化學能與電能》中用經典銅鋅原電池和水果電池實驗，引出原電池，選修四第四章第一節(jié)中也同樣用了銅鋅原電池實驗，但在實際學習過程中發(fā)現許多學生不能熟練掌握并運用氧化還原反應原理去理解原電池的知識，同時，原電池種類繁多，習題設置難度較大等情況，更加讓我們覺得學習原電池吃力。那么，有什么方法能夠讓我們簡單易懂地去學習和理解這部分知識呢？現在，我們一起來探討。

【提出問題】

1.原電池的本質是什么？需要具備哪些條件？

2.生活中哪些反應是氧化還原反應？哪些反應可以設計為原電池？

3.你了解鋁空氣電池嗎？鋁空氣電池的原理是什么？

【回憶復習】學生回憶復習原電池知識

【查閱資料】引導學生利用CNKI、萬方、維普等數據庫進行信息檢索

【初步設計】利用生活中的常見物品：鋁制品易拉罐、不銹鋼洗滌器、食鹽、進行原電池實驗、初步設計原電池草圖

【實驗原理】電解質為堿性環(huán)境下氯化鈉溶液，鋁制品易拉罐中的鋁作為負極失去電子和環(huán)境中的氫氧根結合成氫氧化鋁，正極則是不銹鋼洗滌器上負載的氧氣得到電子成為氫氧根，整個裝置組成一個鋁空氣電池，電極方程式如下：

負極：Al+3OH--3e-→Al（OH）3

正極：O2+2H2O+4e- →4OH-

總反應：4Al+3O2+6H2O→4Al（OH）3

【實驗用品及儀器】鋁制飲料罐、不銹鋼洗滌器、紙巾或者濾紙、剪刀、砂紙、100 mL量筒、250 mL燒杯、電子天平（量程100 g）、食鹽、氫氧化鈉、電流電壓傳感器、電流表、電壓表、小彩燈、音樂盒

【實驗條件探究】影響實驗中電流電壓的因素有：電極材料表面積的大小、電解質濃度、電解質溫度、電解質體積等。通過控制變量法，常溫下，同樣大小的電極材料，對體積為100 mL的氯化鈉溶液（含氫氧化鈉0.12 g）用電流和電壓傳感器進行數據采集，探究濃度對電流和電壓的影響，結果如圖所示：

多組實驗探究表明：氯化鈉濃度最佳反應條件為2 mol/L時實驗效果最佳。

【實驗步驟】

1.配制100 mL、2 mol/L 氯化鈉溶液。（含0.12 g NaOH）

2.制作原電池裝置

（1）剪刀剪去鋁制飲料罐上邊緣

（2）砂紙打磨鋁罐內部四周，洗凈擦干

（3）剪刀剪取15×30 cm 紙巾或者濾紙

（4）不銹鋼洗滌器弄成絨毛狀

（5）紙巾或者濾紙包裹住不銹鋼洗滌器，小心放進鋁罐里

3.測量

（1）向鋁罐中加入100 mL、2 mol/L氯化鈉溶液，連接導線，用電流表和電壓表測量電流和電壓，記錄數據，用小彩燈或者音樂盒測試，看彩燈是否變亮，音樂是否響起。

（2）與同學合作，把四個鋁罐放在一起用導線串聯起來，測量電壓和電流，錄數據，用小彩燈或者音樂盒測試，看彩燈是否變亮，音樂是否響起。

【實驗測試】對體積為100 mL的2 mol/L NaCl進行實驗測試：

【實驗結論】

1.利用生活中常見物品鋁制品易拉罐、不銹鋼洗滌器、食鹽、可以制作原電池。

2.單個原電池不能夠讓小彩燈發(fā)光變亮和音樂盒響起，但是串聯3個或3個以上可以讓小彩燈發(fā)光變亮和音樂盒響起。

3.影響實驗結果的因素很多，要學會科學運用控制變量法去探究實驗。

【實驗拓展】

該實驗除了探究不同電解質及濃度的影響外，還可以探究電極材料表面積的大小、電解質溫度、電解質體積等對實驗結果的影響，同時，還可以用實驗產生的電壓驅動電動玩具小汽車等。

七、教學反思

本實驗的意義在于實現了生活和原電池知識的融合，真正做到讓創(chuàng)新進入課堂，讓科技引領學生前行。在實驗基礎上，引導學生思考、分析、討論、歸納、構建電化學思維模型，突破電化學難點，體驗“證據推理與模型認知的核心素養(yǎng)”;在實驗過程中，學生通過宏觀電流表指針的偏轉，微觀電子移動形成電流，體驗“宏觀辨識與微觀探析”;電流表電壓表指針偏轉變化，感受“變化觀和平衡思想”;通過動手操作和觀察實驗，培養(yǎng)學生的“科學探究與創(chuàng)新意識”;聯系生活，取材生活，讓學生明白化學來源于生活，服務于生活，讓學生不再談“化學”色變，從而感知“科學精神與社會責任”。數字化與傳統(tǒng)檢測結合，實驗結果直觀化;彩燈與音樂盒結合，增加實驗趣味性;當然，最重要的一點，實驗簡約、通用、易操作，無論是學生在學校還是在家，都能夠完成該實驗。

總之，化學來源于生活，服務于生活，讓學生動起來，知識才能“活起來”。

參考文獻：

[1]胡致平.鋁空氣可行性電池探究設計[J].求知導刊，2016（3）.

[2]鄒標.自制電化學裝置培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)[J].實驗教學與儀器，2018（11）：52-53.

編輯 段麗君