原電池的“前世今生”：基于科學史的項目式學習設計與分析

吳晗清 劉玉飛

(1.首都師范大學教師教育學院，北京 100037；2.北京師范大學教育學部，北京 100875)

科學史蘊含豐富的教育資源，合理發(fā)掘相應的項目式學習，不僅有利于學生科學知識的建構(gòu)，還能在歷史情境的探索中水到渠成地獲得科學思想和方法的訓練。在科學問題是如何產(chǎn)生的、科學實驗是如何設計的、科學理論是如何發(fā)展的等一系列的思考與討論中，深刻認識科學以及科學發(fā)現(xiàn)的本質(zhì)，濡養(yǎng)科學家嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、感受高尚的人格魅力，在潛移默化中塑造健康的價值觀。事實上，一幅遼闊的科學史圖景，就是不同時代科學家們凝心聚力不斷探究的歷史畫卷。精心重構(gòu)科學史，并與項目式學習相結(jié)合，讓學生重溫科學家的探索歷程，撥開歷史的迷霧、澄清錯誤的認識，邊做邊思考，手腦并用、知行合一，從而在實踐活動中落實學生的核心素養(yǎng)。

原電池作為高中化學的核心內(nèi)容之一，也是重點和難點，由于內(nèi)容融合了物理、生物等相關(guān)學科，加之其歷史發(fā)展極為復雜，導致教學中往往“不見廬山真面目”。學生在學習時更是困難重重，對原電池工作原理的理解比較淺顯，缺乏系統(tǒng)思維，不能夠很好地進行遷移。[1]新課標中明確指出電池的歷史沿革及發(fā)展是非常重要且有效的情境素材，然而在實踐中缺乏系統(tǒng)的關(guān)注。因此，本文擬通過梳理原電池的相關(guān)發(fā)展歷史，結(jié)合項目式學習，幫助學生從化學史的角度認識原電池，破除迷思概念，促進學生從裝置與原理兩個角度系統(tǒng)認識原電池，建構(gòu)原電池認識的一般模型。從而在實踐活動中，不僅建構(gòu)扎實的相關(guān)知識，更重要的是感受科學技術(shù)對人類文明進步的重要價值，進一步培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新精神。

一、科學史中原電池相關(guān)內(nèi)容的發(fā)展階段

1.人類對電的認識

人類很早就開始了對電的認識，如古希臘泰勒斯就記錄了摩擦后的琥珀吸引輕小物體的現(xiàn)象[2]，我國東漢時期的王充在也提到“頓牟掇芥”[3]，但當時只是發(fā)現(xiàn)了摩擦后的琥珀和玳?？梢晕p小物體，并沒有深究。1600年，英國醫(yī)生吉爾伯特發(fā)現(xiàn)金剛石、水晶、硫磺、玻璃等物質(zhì)，用呢絨、毛皮和絲綢摩擦后也能吸引輕小物體，有“琥珀之力”。后來根據(jù)希臘文“琥珀”一詞的詞根，擬定了一個新名詞“電”。1660年，普魯士馬德堡市市長蓋里克發(fā)明了第一臺摩擦起電機，只要用手和硫磺球相互摩擦就可產(chǎn)生大量的靜電，引發(fā)電學實驗的熱潮。1729年，英國人斯梯芬·格雷通過實驗證明金屬能從電源導出電來，而蠶絲不能，于是區(qū)分了導體與非導體，認識到電是一種流體，脫離了以前靜電的認識。

1734年，法國物理學家杜費伊根據(jù)摩擦玻璃和松香把電分為兩類，即“玻璃電”和“松香電”。后來，富蘭克林干脆稱其為“正電”和“負電”[4]，并認為電是一種流質(zhì)，從正流向負，直到中性平衡為止，但是此時的科學家還一直無法有效地保存電量。1746年，荷蘭穆森布羅克在做電學實驗時，想到如果電是如同水一樣的流體，那么儲存水的方法應該也能儲存電。于是他將水倒入瓶子，將一根導線的一端插入水中，另一端則與起電器相連。為了保證電荷不跑掉，他在瓶子和桌子之間墊了一塊絕緣體。然而不論他如何轉(zhuǎn)動起電器，都沒法把電荷留在瓶子里。有一天，他意外地把瓶子拿在手里就開始充電，當用手去觸碰瓶蓋時，受到猛烈的電擊，幾乎跌倒。萊頓瓶所發(fā)生的電擊是之前人們從未見過的，更讓人驚訝的是，它可以將電存儲數(shù)個小時，甚至數(shù)天。隨后，穆森布羅克嘗試用各式各樣的瓶子儲電。他發(fā)現(xiàn)不一定要裝水，只要在玻璃瓶內(nèi)外壁各貼一層相互絕緣的金屬箔，內(nèi)層與起電機相連，外層與大地相連，電就會儲存在瓶子里。瓶子越大、玻璃壁越薄，存的電就越多。如果用導線將內(nèi)外金屬箔相連則會激烈放電。由于玻璃瓶儲電實驗是從萊頓大學傳開的，因此人們把這個最早的可以儲存電荷的容器叫萊頓瓶。典型的萊頓瓶是一個玻璃容器，內(nèi)外包覆著導電金屬箔作為極板。瓶口上端接一個球形電極，下端利用導體(通常是金屬鎖鏈)與內(nèi)側(cè)金屬箔連接。萊頓瓶的充電方式是將電極接上靜電產(chǎn)生器或起電盤等，外部金屬箔接地；內(nèi)部與外部的金屬將會攜帶數(shù)量相等但極性相反的電荷。

2.電池的誕生

1786年，意大利生理學家伽伐尼在解剖一只青蛙時，旁邊有一臺起電機正好在工作，解剖刀無意碰到了起電機，他在解剖青蛙神經(jīng)時，發(fā)生了一個神奇的現(xiàn)象，青蛙腿部肌肉明顯地抽搐起來。這一現(xiàn)象引起伽伐尼的極大興趣，經(jīng)過反復實驗，他認為人工電可以讓青蛙恢復一定的“生命”跡象。隨后一次實驗中，助手的手術(shù)刀碰到青蛙腿，青蛙腿竟然也出現(xiàn)輕微跳動，表明抽搐和發(fā)電機沒什么關(guān)系。伽伐尼認為這種電是來自青蛙本身的“生物電”，而不是環(huán)境的影響。他把觀察的注意力集中在肌肉收縮上，錯誤地認為動物體內(nèi)存在某種形式的神經(jīng)電流體。[3]

1791年，伏特了解到這一實驗后，開始重復伽伐尼的實驗?，F(xiàn)象是重復出來了，可作為物理學家的伏特卻有了其他的想法。他把注意力集中在兩種金屬的接觸上，認為“蛙腿抽動的電能，不是來自青蛙，而是來自于蛙腿接觸的金屬”。為了證實自己的假設，他將放在舌尖上的錫箔與一枚銀幣接觸，感覺到滿口酸味。由此他猜想肌肉收縮不一定由動物電引發(fā)，很可能是受到電的刺激。伏特繼續(xù)試驗，把銅板和錫板，或是銀板和鋅板，成對疊成幾十對，在這些金屬對之間放上用鹽水濕過的布片，重疊成一個柱狀，便產(chǎn)生明顯的電流。柱疊得越高，電流就越強，這就是后來所稱的伏特電堆或伏特電池?；趯嶒?，伏特提出“接觸電”的理論。[3]他認為各種金屬含有不同數(shù)量的“電流體”，當兩種金屬相互接觸時，電流體總是傾向于由含量高的流到含量低的，如果在金屬中插入某種濕導體并把它們接成回路，電流就會產(chǎn)生出來。證明伽法尼實驗用的青蛙腿只是一種非常靈敏的驗電器，而非電的來源。

如此，人們對電的認識就躍出靜電的領(lǐng)域，就不再是摩擦毛皮上的電、雷雨中的電、萊頓瓶里的電，也不只是動物身上的電，而是能控制流動的電。伏特電堆的發(fā)明使人類第一次獲得可供實用的持續(xù)電流，從而將電運用于化學研究中。1800年，英國尼克爾遜和卡里斯爾采用伏特電池電解水獲得成功。1807年英國化學家戴維組裝了一個特別大的電池用于實驗，選擇木灰(即氫氧化鉀)作為第一個研究對象。他將其飽和水溶液進行電解，結(jié)果在兩極分別得到的是氫和氧。后來改用熔融的氫氧化鉀，成功地制得金屬鉀單質(zhì)，后來又陸續(xù)制得鈉、鎂、鈣、鍶、鋇等金屬。

3.電池的大規(guī)模使用

伏特電堆的發(fā)明讓獲取持續(xù)電流成為可能，但是伏特電池作為最原始的電池，還存在許多無法克服的問題，如工作持續(xù)時間過短、釋放的電流存在衰減和不穩(wěn)定等。其后，原電池的研究得到快速發(fā)展，進入大規(guī)模使用階段，代表性的有丹尼爾電池、鉛蓄電池和干電池。

(1)關(guān)于丹尼爾電池。1836 年，丹尼爾改良了伏特電池，將電解質(zhì)溶液由硫酸改為硫酸鋅與硫酸銅，并在兩者中間加入一個多孔性隔板，有效阻隔了鋅離子向銅電極側(cè)的電解液滲透，避免在銅電極析出單質(zhì)鋅，這樣的電池結(jié)構(gòu)分割了陰極池和陽極池，避免正極與負極的接觸；銅電極側(cè)電解液改為硫酸銅溶液后，成功克服了氫氣的析出，析出的銅沉積在銅電極上，對電池整個發(fā)電過程沒有影響。相比伏特電池，正負極沒有直接接觸，且正極沒有鋅和氫氣的析出，丹尼爾電池的持續(xù)性和穩(wěn)定性得到明顯提升。但是，尼爾電池的隔膜雖達到去極化的目的，但同時也引發(fā)電池內(nèi)電阻的增大，會損耗部分能量。總體來看，隔膜應用所帶來的去極化積極結(jié)果，要遠大于內(nèi)電阻提高所帶來的不利影響，近代商業(yè)性電池生產(chǎn)即起始于丹尼爾電池。

4.新時代電池的完善與創(chuàng)新

進入20世紀，隨著化學理論的發(fā)展，以及人們對高品質(zhì)多樣化的電池需求，新型電池應運而生。主要代表有燃料電池、鋰離子電池及太陽能電池等。

(3)關(guān)于太陽能電池。環(huán)境的污染與能源的短缺是21世紀人類面臨的最大挑戰(zhàn)，而這正是太陽能電池的優(yōu)點。太陽能電池的研究，最早可以追溯到1954年，由貝爾實驗室所發(fā)明，研發(fā)的動機是希望為偏遠地區(qū)供電，不過當時的轉(zhuǎn)化效率只有6%。隨著人造衛(wèi)星、登月計劃等的需求，太陽能電池越發(fā)重要。在太陽能電池中，硅片是核心，硅結(jié)構(gòu)中的硅原子沒有運動自由度，假如在硅晶體中注入外層有5個電子的磷原子，那么就會剩下一個自由移動的電子。當電子獲得足夠的能量如光照時就可以自由移動，但運動方向是隨機的。如果將三價電子的硼注入純硅中，硼原子與硅原子形成共價鍵時會產(chǎn)生一個“空穴”，自由移動的電子就會自動填充空穴，從而形成能量勢壘區(qū)，這樣就為電子定向移動提供了驅(qū)動力，即“P-N結(jié)”，P代表正極，N代表負極。當光線照射到P-N結(jié)處，使得在勢壘區(qū)產(chǎn)生電子，向負極即磷側(cè)定向移動，而硼側(cè)形成空穴，從而產(chǎn)生電位差。如果連上負載，電子就會定向移動形成回路。由于太陽能電池不消耗燃料、無污染，市場前景廣闊。

二、基于科學史的原電池項目式學習設計

由于學生對概念的認識與概念發(fā)展的歷史進程具有相似性，所以本文在項目式教學的基礎(chǔ)上，融入科學史相關(guān)內(nèi)容。讓學生以歷史發(fā)展中的驅(qū)動性問題為主線，以科學史為載體，直觀、真切地感受到科學技術(shù)的變革過程，從而更好地促進學生學科知識的意義建構(gòu)、科學思維和學科思想的形成，深刻把握原電池的本質(zhì)；同時在實踐活動中，培養(yǎng)他們的實踐能力和創(chuàng)新精神。

1.知識基礎(chǔ)：原電池相關(guān)內(nèi)容在中學物理、化學與生物課程中的分布

原電池這一主題的教學在高中階段既是重點也是難點，內(nèi)容涉及了復雜的知識、原理，既有實驗又有理論。理論方面，在新版高中化學課標中明確要求學生能夠認識化學能與電能相互轉(zhuǎn)化的實際意義和重要應用，能夠分析和解釋原電池和電解池的工作原理，能夠設計簡單的原電池，能夠從物質(zhì)和能量兩個角度綜合考慮化學變化，分析和解決實際問題，例如新型電池的開發(fā)等。實驗方面，要求學生能夠制作簡單的燃料電池。原電池包括許多有關(guān)“電”的基礎(chǔ)知識，除了化學，還分布于中學的物理、生物等課程中。物理學中，學生需要知道靜電場中的電荷具有電勢能，了解電勢差的含義，能夠認識電容器并了解電容器的充放電現(xiàn)象。生物學中，需要能夠從細胞膜內(nèi)外存在電勢差的角度闡述動作電位的產(chǎn)生?？梢?，從知識層面上來講，原電池的相關(guān)歷史涉及復雜的學科內(nèi)容，具體內(nèi)容的結(jié)構(gòu)組成如圖1。

圖1 原電池相關(guān)基礎(chǔ)知識在理化生學科中的分布

2.任務驅(qū)動：基于原電池發(fā)展階段的科學探索

通過電池發(fā)展歷史的梳理，可以將其分為四個階段，即人類對電的認識、電池的誕生、電池的大規(guī)模使用以及新時代電池的完善與創(chuàng)新?；诖?，提出本項目式學習需要解決的核心問題：通過史料探究原電池的本質(zhì)。詳細的流程分為四個部分(如圖2所示)，對應的驅(qū)動性問題分別為：電是什么？怎么產(chǎn)生電流？怎么制作更加實用的電池？我們?nèi)绾卧O計符合當今社會發(fā)展需求的電池？通過四項問題的探索，深刻認識原電池的本質(zhì)。

圖2 基于原電池發(fā)展階段的項目驅(qū)動任務群

3.活動環(huán)節(jié)：原電池項目式學習的實施

本項目基于教育重演律，整合原電池相關(guān)科學史素材，讓學生像科學家一樣思考和探索，從而系統(tǒng)經(jīng)歷原電池的“前世今生”，深刻認識什么是電、什么是電池，了解化學能與電能相互轉(zhuǎn)化的過程以及實際意義，認識并分析電池的工作原理，繼而建構(gòu)原電池的一般認識模型，即原電池由內(nèi)電路和外電路構(gòu)成。內(nèi)電路，由于化學反應，陰離子向負極移動、陽離子向正極移動，從而正負極之間形成電勢差。外電路，電子在電勢差的作用下，由負極向正極定向移動。電流在閉合回路中，朝一個方向循環(huán)。內(nèi)電路來看，電流方向是負極到正極。外電路來看，電流方向為正極到負極。具體設計流程如表1所示。

4.教學建議：在實踐活動中落實學科核心素養(yǎng)

恩格斯曾說：“歷史從哪里開始，思想進程也應當從哪里開始。而思想進程的進一步發(fā)展，不過是歷史過程在抽象的、理論上前后一貫的形式上的反映。”[5]在科學歷程中，概念、規(guī)律、理論等的形成和發(fā)展是極其復雜的，而這些復雜過程中的重大困境、關(guān)鍵突破口等，往往是學生學習的障礙點，因而勢必成為教學中的難點和重點。教學實踐中，雖然我們不能完全重現(xiàn)歷史原貌，但是可以梳理其中的重大歷史節(jié)點與研究結(jié)果，然后根據(jù)教學實際進一步整合，設計相應的課程，從而在較為有限的教學時空范圍內(nèi)，讓“重走”科學家之路變?yōu)榭赡堋?/p>

表1 “原電池”項目式學習環(huán)節(jié)與實施流程

如讓學生親手制作伏特電堆與丹尼爾電池，分析這兩種電池設計的不同點，體會丹尼爾電池避免極化作用而做出的實驗創(chuàng)新，實現(xiàn)手腦并用、做學合一；又如分析濕電池在實際應用中的缺點，然后引入干電池的發(fā)明歷史，讓學生制作勒克朗謝電池，直觀了解淀粉和碳粉的作用，認識干電池能夠大規(guī)模應用于計算器、鬧鐘、電動玩具等的原因，體會工程設計的魅力；再如通過鋰離子電池的探討，讓學生了解離子脫嵌型電池與傳統(tǒng)電池的異同，體會科學家們在研發(fā)電池過程之中的思維創(chuàng)新。

一言以蔽之，在“重走”科學家之路的實踐過程中，學生能夠深刻體驗研究方法、思維方式、實驗手段等對科學研究的重要性，感受化學學科的發(fā)展與社會進步的休戚相關(guān)，體悟并濡養(yǎng)良好的科學態(tài)度、探究精神、社會責任等核心品質(zhì)[6]，從而落實學生的學科核心素養(yǎng)，促進教師的專業(yè)成長。