江蘇省前黃高級(jí)中學(xué)國(guó)際分校(213161) 華麗芬

化學(xué)研究的最終價(jià)值在于運(yùn)用“學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)”是2017年版《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中的一個(gè)重要欄目，確保了學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，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(gè)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一，相關(guān)學(xué)科知識(shí)的教學(xué)要求是：知道化學(xué)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與其他能量形式的轉(zhuǎn)化，以原電池為例認(rèn)識(shí)化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為電能，從氧化還原的角度初步認(rèn)識(shí)原電池的工作原理。化學(xué)認(rèn)識(shí)思路是對(duì)物質(zhì)及其變化的特征及規(guī)律進(jìn)行認(rèn)識(shí)的程序、路徑或框架，是解決“怎么想”的問題。必做實(shí)驗(yàn)輔助課堂教學(xué)，有利于學(xué)生構(gòu)建化學(xué)認(rèn)識(shí)思路，深入理解化學(xué)知識(shí)，并能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決與之相關(guān)的實(shí)際問題，感悟?qū)W科價(jià)值。

“設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的原電池”是在新課標(biāo)指導(dǎo)下并依據(jù)蘇教版(2019)必修第2冊(cè)開展的一節(jié)實(shí)驗(yàn)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(rèn)識(shí)原電池的構(gòu)成要素，初步建立對(duì)原電池的認(rèn)識(shí)模型，所以本節(jié)課制定如下教學(xué)目標(biāo)：①認(rèn)識(shí)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(dòng)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(shí)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(jìn)而建立原電池設(shè)計(jì)的思維模型，發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。

1 初識(shí)原電池(理解模型)

原電池是基于自發(fā)進(jìn)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(shí)驗(yàn)(見表1)，學(xué)生初步認(rèn)識(shí)到構(gòu)成銅鋅原電池的基本要素：活潑性不同的兩個(gè)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(yùn)用微觀動(dòng)畫(見圖1)幫助學(xué)生進(jìn)一步理解原電池的工作原理，通過書寫電極反應(yīng)式進(jìn)行符號(hào)表征，引導(dǎo)學(xué)生深化對(duì)氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分開進(jìn)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(jì)原電池(建構(gòu)模型)

圖2 設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單原電池的基本思路

表2 實(shí)驗(yàn)過程

3 改進(jìn)原電池(優(yōu)化模型)

教師在肯定學(xué)生的設(shè)計(jì)方案(見圖3)的基礎(chǔ)上，請(qǐng)學(xué)生判斷圖4是否構(gòu)成原電池，預(yù)測(cè)靈敏電流計(jì)能否偏轉(zhuǎn)？多數(shù)學(xué)生認(rèn)為鹽橋應(yīng)該有溝通電路的作用，預(yù)測(cè)有電流產(chǎn)生。教師進(jìn)一步提問：如何溝通？有的學(xué)生認(rèn)為是Fe3+沿著鹽橋運(yùn)動(dòng)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(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，一是驗(yàn)證圖4是否構(gòu)成原電池，二是請(qǐng)學(xué)生仔細(xì)觀察鹽橋的顏色是否有變化，三是請(qǐng)學(xué)生分析兩個(gè)原電池的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖3 學(xué)生設(shè)計(jì)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(jìn)入左側(cè)燒杯、K+進(jìn)入右側(cè)燒杯)，使原電池不斷產(chǎn)生電流。演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了學(xué)生的猜測(cè)也消除了部分學(xué)生的疑慮，在教師引導(dǎo)下，學(xué)生進(jìn)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(huì)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(shí)間也更長(zhǎng)。

作為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，教師要舍得給學(xué)生充足的時(shí)間開展活動(dòng)，條件允許的情況下可以兩位學(xué)生為一組，與學(xué)科知識(shí)的教學(xué)同步展開。在學(xué)生匯報(bào)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)要強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路，以達(dá)成“依據(jù)原電池設(shè)計(jì)的思維模型設(shè)計(jì)原電池”的教學(xué)目標(biāo)。教師在三個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)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(jìn)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(jì)成原電池，說明設(shè)計(jì)思路并且畫出裝置圖。然后出題人再作出評(píng)判，評(píng)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(jìn)行。通過組內(nèi)互動(dòng)環(huán)節(jié)，進(jìn)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(rèn)知”素養(yǎng)。