追溯歷史 拓展實(shí)驗(yàn) 凸顯探究

洪燕芬

摘要：圍繞“原電池原理及應(yīng)用”學(xué)科主線和“電池發(fā)展”科學(xué)史輔線，通過一系列微型實(shí)驗(yàn)、拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究，幫助學(xué)生認(rèn)識學(xué)科知識發(fā)展邏輯，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，提升科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：學(xué)科邏輯；拓展實(shí)驗(yàn)；科學(xué)探究；原電池；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號：1005–6629（2014）6–0041–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 “原電池”教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本課選自上海科學(xué)技術(shù)出版社高一《化學(xué)》第四章第二節(jié)“化學(xué)變化中的能量變化”，從教學(xué)內(nèi)容層面分析，該節(jié)課涉及電解質(zhì)溶液、氧化還原反應(yīng)和物理學(xué)知識及實(shí)驗(yàn)，知識的認(rèn)知難度較大；從教學(xué)實(shí)踐層面分析，該節(jié)課內(nèi)容屬“化學(xué)變化中的能量變化”單元，教學(xué)中較為關(guān)注原電池反應(yīng)中的物質(zhì)變化與能量變化，注重宏觀變化，而忽視了對“電子轉(zhuǎn)移”這一微觀本質(zhì)的探討，從而可能造成部分學(xué)生對原電池的工作原理理解不足。

此外，考慮到高一學(xué)生處于化學(xué)學(xué)科觀念與方法培養(yǎng)的關(guān)鍵期，思維活躍，但在實(shí)驗(yàn)觀察、探究、設(shè)計(jì)等方面的能力還有待提高。筆者嘗試結(jié)合化學(xué)史和系列的實(shí)驗(yàn)探究，逐步深入開展原電池教學(xué)。

具體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識與技能

（1）掌握構(gòu)成原電池的條件；

（2）理解并掌握原電池的工作原理，能夠正確書寫電極反應(yīng)式和電池反應(yīng)方程式。

2.2 過程與方法

（1）通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作和評價(jià)，提高觀察和分析能力，透過現(xiàn)象看本質(zhì)的推理能力，初步掌握科學(xué)探究的一般思路和方法；

（2）通過拓展問題的深入討論，實(shí)際問題的分析預(yù)測，了解化學(xué)電池的設(shè)計(jì)理念，提升問題解決的思維品質(zhì)。

2.3 情感態(tài)度價(jià)值觀

（1）感悟以實(shí)驗(yàn)方法探索化學(xué)原理的樂趣，樹立以設(shè)計(jì)與應(yīng)用相結(jié)合的化學(xué)學(xué)科思想；

（2）通過化學(xué)電池發(fā)展史的簡介，體會科學(xué)精神，感悟科學(xué)與技術(shù)完美結(jié)合帶給社會的進(jìn)步與發(fā)展；

（3）通過介紹廢電池的污染和回收問題，提高環(huán)境保護(hù)意識和社會責(zé)任感。

3 教學(xué)過程

3.1 講述故事，引入課題（什么是原電池？）

介紹伏打電池的發(fā)現(xiàn)史，引出教學(xué)主題——原電池，并指出生活中形形色色的化學(xué)電池就是原電池原理和科學(xué)技術(shù)綜合應(yīng)用的結(jié)果。

運(yùn)用講故事的方式跟學(xué)生一起分享“電池”發(fā)明的歷史，啟發(fā)學(xué)生對科學(xué)發(fā)明和本課題的學(xué)習(xí)興趣。故事講述簡短，但十分引人入勝，為課堂順利開展奠定良好基礎(chǔ)。

3.2 開展系列實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)新概念

化學(xué)變化伴隨著能量的變化，有熱能、光能，也能產(chǎn)生電能，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置就是原電池。通過一系列演示實(shí)驗(yàn)，請學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并思考有什么不同？最后歸納出原電池的構(gòu)成條件。

系列實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：將鋅片、銅片分別插入稀硫酸，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（見圖2）。將鋅片和銅片用導(dǎo)線、靈敏電流計(jì)（G）連接后插入稀硫酸中（見圖3）。將彎曲的銅片直接放在浸入稀硫酸的鋅片上（見圖4）。

運(yùn)用自行設(shè)計(jì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過實(shí)物投影，清晰觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（圖3、圖4紅色的銅片上有大量的氣泡產(chǎn)生，猶如項(xiàng)鏈上一串串透亮的珍珠，消失又很快出現(xiàn)，鋅片上也有氣泡但基本不溢出）。學(xué)生在掌握原電池基本構(gòu)成條件的同時(shí)，也開拓了思路：兩種金屬直接接觸也能構(gòu)成原電池），同時(shí)也自然產(chǎn)生了一個(gè)新問題：銅為什么會在稀硫酸中產(chǎn)生氣泡？這跟鋅與稀硫酸接觸反應(yīng)有什么不同？實(shí)驗(yàn)活動過程層層推進(jìn)，現(xiàn)象逼真，引發(fā)學(xué)生一陣陣驚喜。

3.3 思維引領(lǐng)，揭示科學(xué)本質(zhì)（原電池是如何工作的？）

充分利用上述的系列實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)問題鏈：“外電路電子是如何流動的？電解質(zhì)溶液中陰陽離子的作用是什么？”，“如何從氧化還原反應(yīng)角度解釋其中的原理？”，逐步引導(dǎo)學(xué)生透過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，揭示銅鋅原電池（Zn|H2SO4|Cu）的工作原理。

（鋅片）負(fù)極：Zn-2e→Zn2+（氧化反應(yīng)）

（銅片）正極：2H++2e→H2↑（還原反應(yīng)）

電池總反應(yīng)式：Zn+2H+→Zn2++H2↑

基于上述原理分析，進(jìn)一步追問：溶液中SO4 2-的總濃度有否變化？溶液pH有否變化？促使學(xué)生運(yùn)用已學(xué)的氧化還原反應(yīng)原理和簡單離子反應(yīng)，對原電池的實(shí)質(zhì)進(jìn)行深刻思考，從而理解原電池原理的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移，并掌握原電池設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

教師緊扣宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不斷引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，層層提示微觀反應(yīng)機(jī)理。師生互動愉快，教學(xué)進(jìn)程流暢，學(xué)生的主動性思維得到了充分的調(diào)動。

3.4 微型實(shí)驗(yàn)，提升智慧

微型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在裝有稀硫酸的水槽中放入兩粒相同的鋅粒（見圖5a），觀察到鋅粒表面有氣泡產(chǎn)生；然后將一根銅絲直接接觸其中一顆鋅粒表面（見圖5b），觀察到浸入液體的銅絲表面有氣泡產(chǎn)生，速率更快；取出銅絲，然后用膠頭滴管在鋅粒上方垂直滴加硫酸銅溶液（見圖5c），觀察到該鋅粒表面變暗，產(chǎn)生氣泡的速率比另一顆鋅?？?。

結(jié)合“原電池構(gòu)成條件”和“原電池工作原理”的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)并演示了上述微型實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步開拓了學(xué)生的視野，形成了更多有關(guān)原電池原理和構(gòu)成的深層次的思考和分析，學(xué)科知識的認(rèn)識得到升華，理性思維品質(zhì)得到了提升。

3.5 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用拓展

請學(xué)生利用桌上儀器和藥品，依據(jù)Cu2++Zn→Zn2++ Cu設(shè)計(jì)一個(gè)原電池。實(shí)驗(yàn)儀器與藥品：銅片、鋅片、CuSO4溶液、H2SO4溶液、燒杯、靈敏電流計(jì)

通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完善并鞏固原電池的構(gòu)成條件和反應(yīng)原理，并對發(fā)現(xiàn)的新問題“鋅片變暗，有銅析出”現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)引導(dǎo)與解決，并由此引出丹尼爾電池（見圖6）。

依據(jù)原理設(shè)計(jì)原電池的實(shí)驗(yàn)活動，初步培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意識和能力，同時(shí)進(jìn)一步鞏固了學(xué)生對原電池原理的理解；此外，本環(huán)節(jié)引入歷史上的丹尼爾電池，通過分析該電池的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了原電池原理及應(yīng)用的深化。

3.6 聯(lián)系生活中的化學(xué)電池，把握設(shè)計(jì)的技術(shù)問題（如何使原電池成為具有持續(xù)穩(wěn)定電流的化學(xué)電池？）

引導(dǎo)學(xué)生思考“自發(fā)的氧化還原反應(yīng)有很多，是否都能設(shè)計(jì)成實(shí)用的化學(xué)電池呢？”，“在設(shè)計(jì)過程中還需要考慮哪些技術(shù)問題？”，“還可能延伸出什么學(xué)科問題呢？”接著向?qū)W生說明：從科學(xué)原理到實(shí)際應(yīng)用其實(shí)是一個(gè)不斷創(chuàng)新的系統(tǒng)工程，生活中隨處可見的化學(xué)電池就是化學(xué)學(xué)科原理與科學(xué)技術(shù)完美結(jié)合的成功案例。繼而選取干電池和燃料電池以及最新“嫦娥奔月”及“玉兔”月球車中攜帶電池，帶領(lǐng)學(xué)生通過資料收集和分析，了解上述電池的設(shè)計(jì)和發(fā)展。

從生活中熟知的電池入手，通過問題設(shè)置，由淺入深，讓學(xué)生體驗(yàn)學(xué)科基礎(chǔ)知識的重要性、科學(xué)技術(shù)的復(fù)雜性，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生緊密結(jié)合學(xué)科知識，多角度綜合分析和解決問題的能力。

3.7 課堂總結(jié)，突出核心理論

原電池的構(gòu)成最重要的內(nèi)部條件是自發(fā)氧化還原反應(yīng)。電池供電能力首先取決于組成原電池的反應(yīng)物的氧化還原能力，同時(shí)裝置設(shè)計(jì)的合理性（例如電極表面積）以及影響電極反應(yīng)條件（如電解質(zhì)溶液）等有著重要的影響作用。

3.8 作業(yè)布置，重在探究

設(shè)計(jì)三個(gè)不同要求、不同性質(zhì)的作業(yè)，其來源于教材，高于教材，具體如下：

（1）書寫完成高一化學(xué)教材P91上的作業(yè)。（2）我國首創(chuàng)以鋁、空氣、海水電池為能源的新型海水標(biāo)志燈已經(jīng)研制成功。運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)知識，推測并討論該電池兩極上可能發(fā)生的電極反應(yīng)。（3）利用家庭中常用的食品：植物油、咖啡、牛奶、蘋果汁、醋、檸檬汁、鹽水等，生活中不同的金屬材料或其他導(dǎo)電材料，制作各種電極不同形式的化學(xué)電池，通過設(shè)計(jì)表格，制定個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

作業(yè)設(shè)計(jì)充分挖掘教材資源，既有雙基訓(xùn)練，又有鋁電池相關(guān)知識討論與拓展。另外，通過課外家庭水果電池實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和探究方法的實(shí)踐應(yīng)用。

4 教學(xué)反思

本課設(shè)計(jì)依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材，密切結(jié)合學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生在化學(xué)史和熟悉的對象或現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)新問題，建立新認(rèn)識，解決新問題。同時(shí)利用系列實(shí)驗(yàn)、微型實(shí)驗(yàn)開展有序而深入的實(shí)驗(yàn)探究，幫助學(xué)生理解概念、完善理論，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和思維能力。總而言之，本課設(shè)計(jì)緊扣原電池主線，層層遞進(jìn)，思路嚴(yán)密，凸顯了化學(xué)史和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)知功能，為學(xué)生思維品質(zhì)的提升和問題解決能力發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚子鵬主編.高中化學(xué)一年級第一學(xué)期（試用本）[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2011：88～90.

依據(jù)原理設(shè)計(jì)原電池的實(shí)驗(yàn)活動，初步培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意識和能力，同時(shí)進(jìn)一步鞏固了學(xué)生對原電池原理的理解；此外，本環(huán)節(jié)引入歷史上的丹尼爾電池，通過分析該電池的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了原電池原理及應(yīng)用的深化。

3.6 聯(lián)系生活中的化學(xué)電池，把握設(shè)計(jì)的技術(shù)問題（如何使原電池成為具有持續(xù)穩(wěn)定電流的化學(xué)電池？）

引導(dǎo)學(xué)生思考“自發(fā)的氧化還原反應(yīng)有很多，是否都能設(shè)計(jì)成實(shí)用的化學(xué)電池呢？”，“在設(shè)計(jì)過程中還需要考慮哪些技術(shù)問題？”，“還可能延伸出什么學(xué)科問題呢？”接著向?qū)W生說明：從科學(xué)原理到實(shí)際應(yīng)用其實(shí)是一個(gè)不斷創(chuàng)新的系統(tǒng)工程，生活中隨處可見的化學(xué)電池就是化學(xué)學(xué)科原理與科學(xué)技術(shù)完美結(jié)合的成功案例。繼而選取干電池和燃料電池以及最新“嫦娥奔月”及“玉兔”月球車中攜帶電池，帶領(lǐng)學(xué)生通過資料收集和分析，了解上述電池的設(shè)計(jì)和發(fā)展。

從生活中熟知的電池入手，通過問題設(shè)置，由淺入深，讓學(xué)生體驗(yàn)學(xué)科基礎(chǔ)知識的重要性、科學(xué)技術(shù)的復(fù)雜性，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生緊密結(jié)合學(xué)科知識，多角度綜合分析和解決問題的能力。

3.7 課堂總結(jié)，突出核心理論

原電池的構(gòu)成最重要的內(nèi)部條件是自發(fā)氧化還原反應(yīng)。電池供電能力首先取決于組成原電池的反應(yīng)物的氧化還原能力，同時(shí)裝置設(shè)計(jì)的合理性（例如電極表面積）以及影響電極反應(yīng)條件（如電解質(zhì)溶液）等有著重要的影響作用。

3.8 作業(yè)布置，重在探究

設(shè)計(jì)三個(gè)不同要求、不同性質(zhì)的作業(yè)，其來源于教材，高于教材，具體如下：

（1）書寫完成高一化學(xué)教材P91上的作業(yè)。（2）我國首創(chuàng)以鋁、空氣、海水電池為能源的新型海水標(biāo)志燈已經(jīng)研制成功。運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)知識，推測并討論該電池兩極上可能發(fā)生的電極反應(yīng)。（3）利用家庭中常用的食品：植物油、咖啡、牛奶、蘋果汁、醋、檸檬汁、鹽水等，生活中不同的金屬材料或其他導(dǎo)電材料，制作各種電極不同形式的化學(xué)電池，通過設(shè)計(jì)表格，制定個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

作業(yè)設(shè)計(jì)充分挖掘教材資源，既有雙基訓(xùn)練，又有鋁電池相關(guān)知識討論與拓展。另外，通過課外家庭水果電池實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和探究方法的實(shí)踐應(yīng)用。

4 教學(xué)反思

本課設(shè)計(jì)依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材，密切結(jié)合學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生在化學(xué)史和熟悉的對象或現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)新問題，建立新認(rèn)識，解決新問題。同時(shí)利用系列實(shí)驗(yàn)、微型實(shí)驗(yàn)開展有序而深入的實(shí)驗(yàn)探究，幫助學(xué)生理解概念、完善理論，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和思維能力?？偠灾?，本課設(shè)計(jì)緊扣原電池主線，層層遞進(jìn)，思路嚴(yán)密，凸顯了化學(xué)史和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)知功能，為學(xué)生思維品質(zhì)的提升和問題解決能力發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚子鵬主編.高中化學(xué)一年級第一學(xué)期（試用本）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2011：88～90.

依據(jù)原理設(shè)計(jì)原電池的實(shí)驗(yàn)活動，初步培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意識和能力，同時(shí)進(jìn)一步鞏固了學(xué)生對原電池原理的理解；此外，本環(huán)節(jié)引入歷史上的丹尼爾電池，通過分析該電池的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了原電池原理及應(yīng)用的深化。

3.6 聯(lián)系生活中的化學(xué)電池，把握設(shè)計(jì)的技術(shù)問題（如何使原電池成為具有持續(xù)穩(wěn)定電流的化學(xué)電池？）

引導(dǎo)學(xué)生思考“自發(fā)的氧化還原反應(yīng)有很多，是否都能設(shè)計(jì)成實(shí)用的化學(xué)電池呢？”，“在設(shè)計(jì)過程中還需要考慮哪些技術(shù)問題？”，“還可能延伸出什么學(xué)科問題呢？”接著向?qū)W生說明：從科學(xué)原理到實(shí)際應(yīng)用其實(shí)是一個(gè)不斷創(chuàng)新的系統(tǒng)工程，生活中隨處可見的化學(xué)電池就是化學(xué)學(xué)科原理與科學(xué)技術(shù)完美結(jié)合的成功案例。繼而選取干電池和燃料電池以及最新“嫦娥奔月”及“玉兔”月球車中攜帶電池，帶領(lǐng)學(xué)生通過資料收集和分析，了解上述電池的設(shè)計(jì)和發(fā)展。

從生活中熟知的電池入手，通過問題設(shè)置，由淺入深，讓學(xué)生體驗(yàn)學(xué)科基礎(chǔ)知識的重要性、科學(xué)技術(shù)的復(fù)雜性，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生緊密結(jié)合學(xué)科知識，多角度綜合分析和解決問題的能力。

3.7 課堂總結(jié)，突出核心理論

原電池的構(gòu)成最重要的內(nèi)部條件是自發(fā)氧化還原反應(yīng)。電池供電能力首先取決于組成原電池的反應(yīng)物的氧化還原能力，同時(shí)裝置設(shè)計(jì)的合理性（例如電極表面積）以及影響電極反應(yīng)條件（如電解質(zhì)溶液）等有著重要的影響作用。

3.8 作業(yè)布置，重在探究

設(shè)計(jì)三個(gè)不同要求、不同性質(zhì)的作業(yè)，其來源于教材，高于教材，具體如下：

（1）書寫完成高一化學(xué)教材P91上的作業(yè)。（2）我國首創(chuàng)以鋁、空氣、海水電池為能源的新型海水標(biāo)志燈已經(jīng)研制成功。運(yùn)用所學(xué)的化學(xué)知識，推測并討論該電池兩極上可能發(fā)生的電極反應(yīng)。（3）利用家庭中常用的食品：植物油、咖啡、牛奶、蘋果汁、醋、檸檬汁、鹽水等，生活中不同的金屬材料或其他導(dǎo)電材料，制作各種電極不同形式的化學(xué)電池，通過設(shè)計(jì)表格，制定個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

作業(yè)設(shè)計(jì)充分挖掘教材資源，既有雙基訓(xùn)練，又有鋁電池相關(guān)知識討論與拓展。另外，通過課外家庭水果電池實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和探究方法的實(shí)踐應(yīng)用。

4 教學(xué)反思

本課設(shè)計(jì)依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教材，密切結(jié)合學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生在化學(xué)史和熟悉的對象或現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)新問題，建立新認(rèn)識，解決新問題。同時(shí)利用系列實(shí)驗(yàn)、微型實(shí)驗(yàn)開展有序而深入的實(shí)驗(yàn)探究，幫助學(xué)生理解概念、完善理論，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和思維能力?？偠灾菊n設(shè)計(jì)緊扣原電池主線，層層遞進(jìn)，思路嚴(yán)密，凸顯了化學(xué)史和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)知功能，為學(xué)生思維品質(zhì)的提升和問題解決能力發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]姚子鵬主編.高中化學(xué)一年級第一學(xué)期（試用本）[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2011：88～90.