原電池工作原理的探究性教學(xué)實(shí)踐*

管凌云 張婷

摘要： 介紹以原電池工作原理為問題情景進(jìn)行探究性教學(xué)的過程。教學(xué)中模擬歷史上記載的一些曾經(jīng)發(fā)生的電池案例問題，引導(dǎo)學(xué)生利用假設(shè)、推理、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等問題解決方式進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，而后呈現(xiàn)化學(xué)史知識，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)發(fā)展的過程和規(guī)律，在探索中提升學(xué)生的創(chuàng)造性思維，促進(jìn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 原電池原理; 探究性學(xué)習(xí); 實(shí)驗(yàn)探究; 化學(xué)史

文章編號： 1005-6629（2021）02-0038-05

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 教學(xué)背景

“原電池的工作原理”是蘇教版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》專題一“化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化”第一節(jié)的內(nèi)容。學(xué)生在必修模塊的學(xué)習(xí)中已經(jīng)認(rèn)識了銅鋅原電池的工作原理和形成條件，本節(jié)課在必修的基礎(chǔ)上重點(diǎn)介紹雙液原電池模型，進(jìn)一步了解化學(xué)電源的工作原理，幫助學(xué)生認(rèn)識電池的重要意義。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出，教學(xué)中應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，組織學(xué)生開展基于能量利用需求選擇反應(yīng)、設(shè)計裝置等活動，提升科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。真實(shí)、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)重視創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價值的問題情境，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展[1]。

探究性學(xué)習(xí)是指學(xué)生通過自主地參與獲得知識的過程，加深對知識的體驗(yàn)，掌握研究自然所必須的探究能力，同時，形成認(rèn)識自然的基礎(chǔ)——科學(xué)概念，進(jìn)而培養(yǎng)探索未知世界的積極態(tài)度。教師可在教學(xué)過程中創(chuàng)設(shè)類似科學(xué)研究的真實(shí)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生主動參

與、積極思考與探索，最終解決問題。在歷史的回顧中發(fā)現(xiàn)，在偶然性中蘊(yùn)含著必然的規(guī)律，學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律與科學(xué)發(fā)展脈絡(luò)有很多相似性。因此，在探究性學(xué)習(xí)過程中，將化學(xué)史融入化學(xué)教學(xué)中，讓學(xué)生體會科學(xué)家們的探究歷程，一步步獲得新知識，幫助學(xué)生從已有認(rèn)知水平發(fā)展到更高級的認(rèn)知水平。高二學(xué)生對電壓、電容、電流強(qiáng)度、電阻、供電效率等內(nèi)容已有初步了解，為探究電池性能提供了必需的知識儲備。

本文以“原電池的工作原理”的教學(xué)過程為例，談?wù)勅绾卫谜鎸?shí)的問題情境進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。

2? 教學(xué)流程

2.1? 真實(shí)的電池應(yīng)用問題，引起學(xué)生對探究的好奇和興趣

[教師]汽車是我們生活中重要的出行工具，但是隨著環(huán)境的污染和石油資源的緊張，傳統(tǒng)燃油車的弊端已逐步顯現(xiàn)。面對環(huán)境和資源的壓力，全球許多國家已經(jīng)給出了禁售燃油車的時間表。種種跡象表明，燃油車將退出歷史舞臺，取而代之的將是電動汽車等新能源交通工具。因此，化學(xué)工作者們在提高電池性能、增大能量轉(zhuǎn)化效率方面，必將大有作為。電池的基本原理在同學(xué)們高一的時候已經(jīng)學(xué)習(xí)過了，今天這堂課我們還將進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)。

設(shè)計意圖： 本環(huán)節(jié)能讓學(xué)生意識到電池在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中的重要性，引起學(xué)生對本節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容的好奇和興趣，激發(fā)學(xué)生的探究欲望。

2.2? 真實(shí)的電池效率問題，在探究中推動學(xué)生的創(chuàng)造性思維

[問題提出]我們已經(jīng)知道，可以將一個自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)通過原電池裝置，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，現(xiàn)在請大家把Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑設(shè)計成原電池，并分析其工作原理。

[學(xué)生]上講臺畫裝置圖并說明工作原理。

[教師]這樣的電池是否實(shí)用呢？你認(rèn)為電池可以成為實(shí)用電池，電池性能方面需要滿足哪些要求？

[學(xué)生]穩(wěn)定的電流、滿足用電器電壓要求、電容要大（用的時間要長）、能量轉(zhuǎn)化效率要高（如電池不用的時候不能漏電）。

[教師]我們通過實(shí)驗(yàn)檢測一下這種原電池的電流是否穩(wěn)定？通過一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，判斷這個原電池的供電效率怎么樣？

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)1]見表1。

1. 用實(shí)驗(yàn)盒里的材料組裝成Zn/稀硫酸/Cu原電池，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

2. 用電流傳感器測量該原電池電流強(qiáng)度

學(xué)生4人一小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，討論后進(jìn)行匯報，教師補(bǔ)充。

[小結(jié)]（1）觀察到鋅片的表面產(chǎn)生大量氣泡，這是負(fù)極鋅與硫酸直接發(fā)生反應(yīng)，而且鋅也會含有雜質(zhì)，和硫酸形成微小原電池，自放電很嚴(yán)重，導(dǎo)致供電效率低。

（2）組裝成的原電池中電流不穩(wěn)，數(shù)值逐漸下降（見圖1）。由于在銅極上聚集了許多氣泡，把銅電極跟稀硫酸逐漸隔開，這樣就增加了電池的內(nèi)阻，使電流不能暢通。（其他導(dǎo)致電阻增大的原因暫不討論）

[教師]如何解決銅鋅原電池存在電流不穩(wěn)定、供電效率低的問題呢？請同學(xué)們先獨(dú)立思考2分鐘，再進(jìn)行小組討論3分鐘，改進(jìn)原電池裝置并畫出裝置圖。

[學(xué)生1]首先，避免氧化劑和還原劑直接接觸，另外可以改用硫酸銅溶液，以減少氫氣的產(chǎn)生。我們把原電池發(fā)生的兩個半反應(yīng)分別在兩池中進(jìn)行，一個池中放有銅電極、硫酸銅溶液，實(shí)現(xiàn)半反應(yīng)： Cu2++2e-Cu;另一個池中放有鋅電極、電解質(zhì)溶液（不與鋅反應(yīng)），實(shí)現(xiàn)半反應(yīng)： Zn-2e-Zn2+。

[教師]如何構(gòu)成一個完整的回路？

[學(xué)生2]用導(dǎo)線連接或者電解質(zhì)溶液連接（電解質(zhì)溶液由于具有流動性，可以想辦法固定，例如用濾紙浸泡電解質(zhì)溶液）兩種方法。

[教師]是否可行呢？要用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)2]實(shí)驗(yàn)用品： 飽和KCl溶液、銅電極、鋅電極、硫酸銅溶液、硫酸鋅溶液、濾紙、銅絲，用電流傳感器測量兩種連接兩池的方法是否有電流，見表2。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容現(xiàn)象結(jié)論

1. 用銅絲連接兩池，用電流傳感器測量電流強(qiáng)度

2. 用浸有飽和KCl溶液的濾紙連接兩池，用電流傳感器測量電流強(qiáng)度

學(xué)生4人一小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，討論可行性后進(jìn)行匯報。

[小結(jié)]銅絲連接的辦法能形成通路，但銅絲會成為電極，“電極/溶液”界面上有電子得到或失去的反應(yīng)，整套裝置四個電極都有反應(yīng)，工作原理改變，不屬于裝置改進(jìn)研究范疇。浸有飽和氯化鉀溶液的濾紙可以形成通路，但濾紙不夠牢固，易破損。

[教師展示]鹽橋?qū)嵨铩?/p>

[教師]用瓊脂（一種凝固劑）可以把飽和氯化鉀溶液凝固在“U”型管中，離子可以在其中遷移，這種裝置被人們形象地稱為鹽橋。導(dǎo)電效果怎么樣呢？要用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。

[教師演示實(shí)驗(yàn)1]組裝電池裝置（見圖2），用電流傳感器測量該原電池電流（見圖3）。

[小結(jié)]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用鹽橋后，既能克服自放電的問題，又使得電流穩(wěn)定。

[學(xué)生任務(wù)]分析使用鹽橋裝置的原電池的工作原理：

（1） 寫出電極方程式。

（2） 鹽橋中的離子會怎樣運(yùn)動，會不會進(jìn)入兩池溶液？

（3） 鹽橋能像金屬導(dǎo)線那樣長期使用嗎？

（4） 鹽橋中的電解質(zhì)可不可以換成別的？如果可以換，電解質(zhì)要滿足什么要求？

[學(xué)生匯報]

（1） 使用鹽橋裝置的原電池的電極反應(yīng)與單液原電池相同。

（2） 負(fù)極隨著Zn-2e-Zn2+，溶液中陽離子過剩，氯離子進(jìn)入，才可電荷平衡;正極隨著Cu2++2e-Cu，溶液中陽離子減少，陰離子過剩，鉀離子進(jìn)入，才可電荷平衡。所以氯離子應(yīng)向負(fù)極遷移，鉀離子應(yīng)向正極遷移，鹽橋中的離子會進(jìn)入兩池。

（3） 使用一段時間會失效，需重新放入濃溶液中浸泡。

（4） 能，電解質(zhì)要滿足的要求是不與電池中的溶液發(fā)生反應(yīng)。（教師可讓學(xué)生補(bǔ)充了解其他要求，如高濃度、陰陽離子遷移速率接近、不與電池中的溶液發(fā)生反應(yīng)等。常用飽和氯化鉀、硝酸鉀、硝酸銨溶液。瓊脂固化后，既能實(shí)現(xiàn)離子遷移，又不會倒流）

[投影]教師小結(jié)（見圖4）。

設(shè)計意圖： 該環(huán)節(jié)設(shè)計思路模擬歷史上從伏打電池發(fā)展到丹尼爾鹽橋電池的過程。創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情景，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，推動學(xué)生的創(chuàng)造性思維的形成和發(fā)展，基本思路為： 發(fā)現(xiàn)問題—分析原因—分析解決關(guān)鍵點(diǎn)—設(shè)想方案（創(chuàng)造性思維啟動）—實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。本環(huán)節(jié)也承載了本堂課重點(diǎn)知識與技能的學(xué)習(xí)，教學(xué)方法為： 設(shè)計問題串，由學(xué)生總結(jié)與感悟，完全避免了枯燥的知識傳授，知識的獲得與能力的提升齊頭并進(jìn)。

2.3? 真實(shí)的供電新問題，在探究中發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維

[教師]沒用鹽橋時電流強(qiáng)度起始值為1047μA，180秒時為945μA（見圖5），使用鹽橋時電流強(qiáng)度約為666μA（見圖6），為什么使用鹽橋后電流強(qiáng)度會變小呢？猜測可能的原因。

[學(xué)生]電流強(qiáng)度小，是因?yàn)殡娮璐蟆｛}橋的裝置拉大了正負(fù)極之間的距離，導(dǎo)致電阻增大，電流強(qiáng)度變小。

[教師]猜測是否正確呢？要用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。

[教師演示實(shí)驗(yàn)2]用一根長的鹽橋和一根短的鹽橋進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分別用電流傳感器檢測電流強(qiáng)度（實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3）。

[教師演示實(shí)驗(yàn)3]向含有一根鹽橋的裝置中添加鹽橋，變成兩根、三根，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，分別用電流傳感器測量電流強(qiáng)度（實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4）。

[學(xué)生小結(jié)]鹽橋越短，電阻越小，電流越大;鹽橋越多，接觸面積越大，電流越大。

[教師]讓電流增大，可以怎么做？

[學(xué)生]鹽橋盡量短，接觸面積盡量大。

[教師提示]極限的短，極限的長，會是什么樣？

[學(xué)生]一層膜！

[教師]這個膜應(yīng)該具有什么樣的功能？

[學(xué)生]隔開氧化劑和還原劑，避免接觸;某些離子能通過，保持兩側(cè)電荷平衡。

[投影]隨著高分子材料的發(fā)展，1950年W.朱達(dá)首先合成了離子交換膜。離子交換膜是一種含離子基團(tuán)的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜，也稱為離子選擇性透過膜。主要分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和特殊離子交換膜。陽離子交換膜只允許陽離子通過，陰離子交換膜只允許陰離子通過。

[教師]在銅鋅原電池中放陽離子交換膜還是陰離子交換膜？

[學(xué)生]陰離子交換膜。

[投影]堿性電池、新型電池內(nèi)部構(gòu)造。

[教師]電池內(nèi)部是膜的結(jié)構(gòu)。用這樣膜的結(jié)構(gòu)還可以克服鹽橋裝置需定期更換鹽橋的缺點(diǎn)。

設(shè)計意圖： 這個過程仿佛讓學(xué)生參與了真實(shí)的電池改進(jìn)過程，教師設(shè)計問題激發(fā)學(xué)生去探究，用對比實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生的思維產(chǎn)生靈感，從而使學(xué)生的創(chuàng)造性思維得到發(fā)展，并體驗(yàn)到成功的快樂。

2.4? 真實(shí)的電池歷史演變，激勵學(xué)生繼續(xù)探究與創(chuàng)新

[教師]今天這堂課，根據(jù)我們面臨的一個又一個的問題，不斷設(shè)計方案改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，這個探究過程就是歷史上電池的發(fā)明和發(fā)展的過程。

[投影]見表5。

[教師]如今，電池還在進(jìn)行著一次又一次的創(chuàng)新與突破，從金屬電池發(fā)展到氣體燃料電池再到太陽能電池，從一次性電池發(fā)展到可充電電池。電池的容量也在發(fā)生著巨大的變化，特斯拉純電動汽車的續(xù)航能力已達(dá)500～800公里，這使得傳統(tǒng)的油箱和電池基本上沒有任何競爭力。每一次的變革，都來自科學(xué)家們對問題的解決?？梢哉f，電池的發(fā)展之路，就是一條問題解決之路。技術(shù)的進(jìn)步和科學(xué)的發(fā)展都需要我們不斷地通過探究解決問題。希望大家能保持這種積極探索科學(xué)問題的熱情，同時具有解決生產(chǎn)生活中化學(xué)問題的擔(dān)當(dāng)和能力。課后，希望同學(xué)們還能繼續(xù)去探究，例如： 探究課題1： 如何提高電池的容量？探究課題2： 探究電池的電壓跟什么有關(guān)？

設(shè)計意圖： 用這樣的課堂小結(jié)，既理清了整堂課以電池改進(jìn)為主線的思維脈絡(luò)，又讓學(xué)生體會到以問題解決為暗線的科技創(chuàng)新之路。

3? 教學(xué)總結(jié)

許多教師對原電池的教學(xué)進(jìn)行探索： 黃元東，周青基于CoRe模型對高中化學(xué)教師在“原電池”主題的PCK進(jìn)行表征研究，發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀教師重視原電池與生活的聯(lián)系，靈活創(chuàng)造教學(xué)情境，選擇圖像、舉例、實(shí)驗(yàn)等多種方式開展教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生的推理、識圖和思維能力，幫助學(xué)生深刻理解某些抽象和重難點(diǎn)的知識[2]。李振明認(rèn)為原電池的形成經(jīng)歷了多位科學(xué)家多年的科學(xué)研究，適合采用HPS（化學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會）教學(xué)模式進(jìn)行原電池的教學(xué)，科學(xué)史的展示盡量以時間的先后順序展現(xiàn)歷史材料[3]。顧建辛對蘇教版原電池教學(xué)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，認(rèn)為教師受“考點(diǎn)”“熱點(diǎn)”的綁架，課堂教學(xué)表現(xiàn)出只觸及表面性的事實(shí)和結(jié)論，缺乏對情境假設(shè)與猜想的引導(dǎo)[4]。

教材呈現(xiàn)的銅-鋅雙液原電池，通過電流計指針的偏轉(zhuǎn)來說明化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，大多數(shù)情況下師生只會關(guān)注指針有沒有偏轉(zhuǎn)，而不會定量讀出電流數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較。本節(jié)課使用了電流傳感器，學(xué)生可以從實(shí)驗(yàn)圖像中直觀感受到單液原電池中的電流強(qiáng)度數(shù)值的緩慢下降，從而發(fā)現(xiàn)電流不穩(wěn)定、供電效率低的問題;在比較不同（長短、數(shù)量）鹽橋的原電池時，電流傳感器實(shí)時測定的準(zhǔn)確電流強(qiáng)度數(shù)值可以讓學(xué)生快速發(fā)現(xiàn)規(guī)律。本節(jié)課教學(xué)中模擬歷史上曾經(jīng)真實(shí)存在的一個個電池問題，引導(dǎo)學(xué)生一步步解決它們;在學(xué)生完成問題解決后，最后呈現(xiàn)科學(xué)家們探究電池的一個個歷程，讓學(xué)生再次感悟科學(xué)發(fā)展的歷程。相比于直接呈現(xiàn)歷史，這種“不謀而合”的方式更能夠讓學(xué)生體驗(yàn)到科學(xué)探究的魅力與成就感以及科學(xué)發(fā)展的必然規(guī)律。本節(jié)課在課堂中引入真實(shí)的問題情境，營造有利于創(chuàng)造的學(xué)習(xí)環(huán)境，發(fā)揮學(xué)生的想象力，同時對學(xué)生的猜想進(jìn)行引導(dǎo)，利用實(shí)驗(yàn)手段培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)思維的提升和突破。這種創(chuàng)造性思維的形成，能夠幫助學(xué)生今后走出課堂面對實(shí)際問題時迸發(fā)出靈感來解決問題，進(jìn)行發(fā)明和創(chuàng)新活動。

參考文獻(xiàn)：

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[2]黃元東， 周青. 優(yōu)秀化學(xué)教師“原電池”主題的PCK表征研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （8）： 20～24.

[3]李振明. 基于核心素養(yǎng)的HPS教學(xué)模式構(gòu)建——以“原電池”為例[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2019， （9）： 29～31.

[4]顧建辛. 關(guān)于化學(xué)核心素養(yǎng)培育的微觀思考——原電池教學(xué)中的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （11）： 34～38.