基于化學(xué)認識思路的學(xué)生必做實驗課教學(xué)
——以“設(shè)計一個簡單的原電池”為例

江蘇省前黃高級中學(xué)國際分校(213161) 華麗芬

化學(xué)研究的最終價值在于運用“學(xué)生必做實驗”是2017年版《普通高中化學(xué)課程標準》中的一個重要欄目，確保了學(xué)生基本的實驗活動，有利于學(xué)科素養(yǎng)的培育。“化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能”是必修主題3“物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與化學(xué)反應(yīng)規(guī)律”指定的三個學(xué)生必做實驗之一，相關(guān)學(xué)科知識的教學(xué)要求是：知道化學(xué)反應(yīng)可以實現(xiàn)化學(xué)能與其他能量形式的轉(zhuǎn)化，以原電池為例認識化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能，從氧化還原的角度初步認識原電池的工作原理?；瘜W(xué)認識思路是對物質(zhì)及其變化的特征及規(guī)律進行認識的程序、路徑或框架，是解決“怎么想”的問題。必做實驗輔助課堂教學(xué)，有利于學(xué)生構(gòu)建化學(xué)認識思路，深入理解化學(xué)知識，并能運用所學(xué)知識解決與之相關(guān)的實際問題，感悟?qū)W科價值。

“設(shè)計一個簡單的原電池”是在新課標指導(dǎo)下并依據(jù)蘇教版(2019)必修第2冊開展的一節(jié)實驗教學(xué)課。在必修模塊原電池的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要建立原電池與氧化還原反應(yīng)的關(guān)聯(lián)，能夠正確認識原電池的構(gòu)成要素，初步建立對原電池的認識模型，所以本節(jié)課制定如下教學(xué)目標：①認識原電池反應(yīng)的本質(zhì)是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，能多角度、動態(tài)地分析原電池中物質(zhì)的變化及能量的轉(zhuǎn)換，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)；②能利用典型的銅鋅原電池裝置，分析原電池原理，進而建立原電池設(shè)計的思維模型，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)。

1 初識原電池(理解模型)

原電池是基于自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)并將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，通過環(huán)節(jié)一的分組實驗(見表1)，學(xué)生初步認識到構(gòu)成銅鋅原電池的基本要素：活潑性不同的兩個電極(鋅片和銅片或是鋅片和碳棒)浸泡在電解質(zhì)溶液(稀硫酸)中形成閉合回路。然后教師運用微觀動畫(見圖1)幫助學(xué)生進一步理解原電池的工作原理，通過書寫電極反應(yīng)式進行符號表征，引導(dǎo)學(xué)生深化對氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分開進行的必要性的理解。

圖1 原電池工作原理示意圖

表1 探究原電池的構(gòu)成條件

2 設(shè)計原電池(建構(gòu)模型)

圖2 設(shè)計一個簡單原電池的基本思路

表2 實驗過程

3 改進原電池(優(yōu)化模型)

教師在肯定學(xué)生的設(shè)計方案(見圖3)的基礎(chǔ)上，請學(xué)生判斷圖4是否構(gòu)成原電池，預(yù)測靈敏電流計能否偏轉(zhuǎn)？多數(shù)學(xué)生認為鹽橋應(yīng)該有溝通電路的作用，預(yù)測有電流產(chǎn)生。教師進一步提問：如何溝通？有的學(xué)生認為是Fe3+沿著鹽橋運動到左側(cè)燒杯與銅片反應(yīng)。通過提問，發(fā)現(xiàn)學(xué)生能從圖4中找到與氧化還原反應(yīng)有關(guān)的物質(zhì)(Fe3+與Cu反應(yīng))，但是不清楚鹽橋所起到的作用，存在迷思概念。所以，教師接下來進行演示實驗，一是驗證圖4是否構(gòu)成原電池，二是請學(xué)生仔細觀察鹽橋的顏色是否有變化，三是請學(xué)生分析兩個原電池的優(yōu)缺點。

圖3 學(xué)生設(shè)計的原電池裝置圖

圖4 教師展示的裝置圖

鹽橋中裝有飽和的KCl、KNO3等溶液和瓊脂制成的凝膠，作用是連接內(nèi)電路、形成閉合回路以及平衡電荷(如圖4中Cl-進入左側(cè)燒杯、K+進入右側(cè)燒杯)，使原電池不斷產(chǎn)生電流。演示實驗驗證了學(xué)生的猜測也消除了部分學(xué)生的疑慮，在教師引導(dǎo)下，學(xué)生進一步發(fā)現(xiàn)圖3裝置中，還原劑Cu與氧化劑Fe3+是直接接觸的，化學(xué)能既轉(zhuǎn)化為電能，又轉(zhuǎn)化為熱能，會造成能量損耗，而圖4裝置中，還原劑Cu與氧化劑Fe3+不直接接觸，化學(xué)能主要轉(zhuǎn)化為電能，避免了能量的損耗，所以電流更穩(wěn)定，持續(xù)時間也更長。

作為學(xué)生必做實驗，教師要舍得給學(xué)生充足的時間開展活動，條件允許的情況下可以兩位學(xué)生為一組，與學(xué)科知識的教學(xué)同步展開。在學(xué)生匯報實驗方案時要強調(diào)實驗設(shè)計的思路，以達成“依據(jù)原電池設(shè)計的思維模型設(shè)計原電池”的教學(xué)目標。教師在三個環(huán)節(jié)實施結(jié)束之后，還可以讓同組學(xué)生互相出題，一位學(xué)生舉例任一能自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)，另一位學(xué)生根據(jù)該反應(yīng)設(shè)計成原電池，說明設(shè)計思路并且畫出裝置圖。然后出題人再作出評判，評判的依據(jù)主要有兩方面：一是電極反應(yīng)物、電極材料和離子導(dǎo)體三要素是否符合基本要求；二是能否有效控制氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)分開進行。通過組內(nèi)互動環(huán)節(jié)，進一步幫助學(xué)生建立電池構(gòu)成要素之間的關(guān)聯(lián)，提升“模型認知”素養(yǎng)。