王亞梅 沈 靜* 劉 雄

（1.云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 云南 昆明 650092；2.云南師范大學(xué)附屬中學(xué) 云南 昆明 650106）

一、問題的提出

原電池是高中化學(xué)電化學(xué)的重要組成部分，涵蓋離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、溶液中的離子存在情況判斷等重要內(nèi)容，且原電池與其他學(xué)科聯(lián)系緊密，在日常生活中應(yīng)用非常廣泛，因此近年來原電池的工作原理和改進(jìn)措施一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。但在課堂教學(xué)的過程中教師比較重視學(xué)科知識的傳授而忽略了真實(shí)情境下的原電池分析，這使得學(xué)生只能機(jī)械性地背誦知識而不能應(yīng)用知識并將其歸納總結(jié)為生活的經(jīng)驗(yàn)，難以在電池設(shè)計任務(wù)中進(jìn)行變式和創(chuàng)新。同時在知網(wǎng)檢索近年有關(guān)原電池教學(xué)設(shè)計的論文，可以發(fā)現(xiàn)雖然有很多以“原電池”“原電池工作原理”為主題展開的教學(xué)設(shè)計，但其中大部分教學(xué)設(shè)計都圍繞學(xué)生所熟悉的鋅銅原電池展開。而通過對近年高考試題進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)涉及的原電池基本都是真實(shí)情境下的陌生原電池，在日常生活中應(yīng)用廣泛且電極材料較為復(fù)雜，著重考查學(xué)生的分析遷移能力和綜合應(yīng)用能力。因此將原電池與熱點(diǎn)問題在真實(shí)的情境中聯(lián)系起來，有利于學(xué)生關(guān)注身邊與化學(xué)有關(guān)的熱點(diǎn)問題，能夠在解決真實(shí)問題的同時掌握學(xué)科知識，能夠從化學(xué)的角度出發(fā)來解釋問題，能夠在問題解決的過程中凝練總結(jié)化學(xué)原理。為了達(dá)到立德樹人的教育目標(biāo)，在對原電池部分進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時，要突破常規(guī)素材的限制，尋找真實(shí)情境中的素材并深入挖掘素材的育人價值，將知識蘊(yùn)含到情境之中進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。

二、課標(biāo)及教材分析

本節(jié)課內(nèi)容選自人教版《普通高中教科書:化學(xué)選擇性必修一（2019版》第四章第二節(jié)第二課時“化學(xué)電源”，本節(jié)課在原有單、雙液原電池的基礎(chǔ)上，以“金屬—空氣燃料電池”為載體開展教學(xué)。該部分內(nèi)容在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提出了具體的內(nèi)容要求、教學(xué)策略和學(xué)業(yè)要求，具體內(nèi)容見表1［1］。

表1 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容要求、教學(xué)策略和學(xué)業(yè)要求

人教版選擇性必修一教材在編排上呈現(xiàn)螺旋式上升的規(guī)律，其內(nèi)容符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展。［2］本節(jié)課的內(nèi)容安排在雙液原電池與隔膜型原電池之間，其內(nèi)容在整個原電池的教學(xué)中起到承上啟下的功能，上承單、雙液原電池的工作原理和認(rèn)知模型，下接隔膜型原電池和金屬的腐蝕，為學(xué)生學(xué)習(xí)金屬的腐蝕提供新的思路。

三、學(xué)情分析

1.已有基礎(chǔ)

通過初中和高中化學(xué)必修模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了化學(xué)反應(yīng)伴隨著能量的變化，知道電能和化學(xué)能可以通過原電池實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化。同時通過必修一離子反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)的學(xué)習(xí)已經(jīng)初步建立了微粒觀，教材中有關(guān)原電池的知識邏輯具體內(nèi)容見圖1。在必修二學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上已經(jīng)初步構(gòu)建了單液原電池的認(rèn)知模型（見圖2），這些都為原電池的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。同時該階段的學(xué)生已經(jīng)具備基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計和操作能力，能在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行簡單實(shí)驗(yàn)并觀察總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

圖1 教材原電池知識邏輯關(guān)系圖

2.發(fā)展方向

本節(jié)課內(nèi)容要求學(xué)生能從宏觀現(xiàn)象上升到微觀理論分析，能從電子轉(zhuǎn)移的微觀角度理解原電池的本質(zhì)。能通過實(shí)驗(yàn)探究，對金屬—空氣原電池有一定的了解，能初步了解其應(yīng)用并在此基礎(chǔ)上建立燃料電池和隔膜型原電池的分析思路。

3.局限認(rèn)識

學(xué)生認(rèn)為氧化劑和還原劑只有直接接觸才能發(fā)生氧化還原反應(yīng)，認(rèn)為空氣不能發(fā)電，不能作為原電池的電極材料，不能解釋溶液中微粒變化的原因，不能通過對宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析上升到微觀層次的電子轉(zhuǎn)移分析。

四、教學(xué)目標(biāo)及重難點(diǎn)

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）能在已有的單液原電池的基礎(chǔ)上分析出“鹽水動力小車”認(rèn)識模型，并能熟練寫出電極方程式及微觀電子移動情況，從而在認(rèn)識對象維度、裝置維度和能力維度進(jìn)行擴(kuò)充，完善原電池的認(rèn)知模型。

（2）在對鹽水動力小車進(jìn)行探究的過程中，能從宏觀和微觀的角度初步分析完善原電池模型，初步體驗(yàn)設(shè)計原電池的方法和步驟。

（3）通過金屬—空氣原電池的缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施，并且設(shè)計雙液原電池，進(jìn)一步完善原電池模型，總結(jié)鹽橋電池的優(yōu)缺點(diǎn)引出隔膜型原電池。最后引入我國現(xiàn)行的金屬—空氣電池產(chǎn)品，滲透創(chuàng)新思維和樹立民族自豪感。

2.教學(xué)重難點(diǎn)

（1）教學(xué)重點(diǎn):了解鹽水動力小車的工作原理，能夠分析溶液中OH-的來源并寫出“鎂—空氣電池”的電極反應(yīng)方程式。

（2）教學(xué)難點(diǎn):①從宏觀現(xiàn)象上升到理論層面，從電子轉(zhuǎn)移角度理解化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的本質(zhì)。②學(xué)生自主構(gòu)建原電池認(rèn)知模型，從雙液原電池上升到隔膜型原電池的過程。

五、教學(xué)流程（見圖3）

圖3 教學(xué)流程圖

六、教學(xué)實(shí)施過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

【情境】播放汽車尾氣污染、油價上漲以及社會熱點(diǎn)現(xiàn)象溫室效應(yīng)圖片，引發(fā)學(xué)生思考，并提出是否存在一種不需要加油且無污染的新能源汽車？

【生】觀看圖片并思考。

【演示】教師演示“鹽水動力小車”（見圖4）。

圖4 “鹽水動力小車”實(shí)物圖

【提問】問題1:為什么加入食鹽水小車就能跑起來？它的工作原理是什么？問題2:生活中為什么沒有鹽水驅(qū)動的汽車，它存在什么樣的問題以及如何改進(jìn)？

設(shè)計意圖：通過對現(xiàn)有環(huán)境問題的剖析，啟發(fā)學(xué)生對環(huán)境問題和化學(xué)技術(shù)關(guān)系的思考。同時用“鹽水動力小車”引起學(xué)生的興趣，并明確本節(jié)課需要解決的問題。

2.設(shè)計并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

【提問】要知道“鹽水動力小車”的原理，首先需要對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)其主要由兩個部分構(gòu)成:馬達(dá)部分和燒杯部分。將燒杯部分進(jìn)行放大處理，可以發(fā)現(xiàn)它由一片鎂片、一片碳片和NaCl 溶液組成，其結(jié)構(gòu)和我們之前學(xué)過的什么結(jié)構(gòu)比較相似？

【生】和鋅—銅原電池比較類似。

【引導(dǎo)】假設(shè)燒杯部分為原電池，將其閉合時會產(chǎn)生電流，因此我們可以參考鋅—銅原電池的裝置類比出該“鹽水動力小車”的模型簡化圖（見圖5）。

圖5 “鹽水動力小車”的模型簡化圖

【師】請根據(jù)老師提供的器材（電流表、碳片、鎂片、燒杯、NaCl 溶液、導(dǎo)線）分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計并總結(jié)思路和注意事項(xiàng)。

【生】小組討論并設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案。

【生】將電流表連接在石墨電極和鎂電極上，加入NaCl溶液形成閉合回路，檢測是否有電流產(chǎn)生。在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)該注意導(dǎo)線連接方式，導(dǎo)線連接方式為紅正黑負(fù)，即紅線連接原電池的正極，黑線連接原電池的負(fù)極，連接裝置見圖6（a）。

圖6 （a）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）電極表面前后對比圖；（c）溶液表面的淡黃色絮狀物

【師】請同學(xué)們根據(jù)剛才所設(shè)計的實(shí)驗(yàn)方案連接儀器。提示，電流表是否有示數(shù)可以判斷是否為原電池。除此之外，在實(shí)驗(yàn)的過程中請同學(xué)們觀察并記錄

電流表示數(shù)、溶液pH變化、電極表面變化三個實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并思考原因。

【師】請各小組同學(xué)展示本小組的現(xiàn)象和結(jié)論。

【組1】通過觀察電流表示數(shù)得出以下表格和結(jié)論（見表2）。

表2 實(shí)驗(yàn)過程電流表示數(shù)變化表

【師】通過上述現(xiàn)象可以明確“鹽水動力小車”的工作原理是原電池。溶液中的pH和電極表面如何變化？請簡述。

【組2】剛開始為NaCl溶液，中性，pH=7，反應(yīng)5分鐘后測定溶液的pH為11，可以發(fā)現(xiàn)此時溶液為堿性，含大量的OH-。鎂電極表面被嚴(yán)重腐蝕且有白色附著物而石墨電極無明顯變化［見圖6（b）］。

【師】上述兩個現(xiàn)象說明了什么？請根據(jù)已有知識推斷電極產(chǎn)物并解釋。

【生】上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以說明電極產(chǎn)物為Mg（OH）2。

【師】除此之外，我們還發(fā)現(xiàn)溶液并不全是白色絮狀沉淀，還有一些淡黃色的漂浮物［見圖6（c）］，鎂片表面還有氣泡產(chǎn)生，其原因是什么？

【生】思考并進(jìn)行小組討論。

【資料卡片】實(shí)驗(yàn)過程中連接導(dǎo)線的夾子（鱷魚夾）的主要成分為鐵鍍鎳和鐵鍍鋅。

【生1】溶液變黃的原因可能是鱷魚夾中的鐵與碳片、氯化鈉溶液構(gòu)成原電池，鐵被腐蝕，發(fā)生氧化反應(yīng):Fe-2e-====Fe2+。生成的Fe2+在溶液中經(jīng)過一系列反應(yīng)生成紅褐色的Fe（OH）3沉淀。除此之外還會生成白色Zn（OH）2和淺綠色的Ni（OH）2雜質(zhì)，出現(xiàn)淡黃色絮狀物。

【生2】鎂片表面會產(chǎn)生氣泡，這是因?yàn)殒V屬于活潑型金屬，與水發(fā)生反應(yīng)會生成H2，并且在電流的作用下，這種反應(yīng)會加劇，可以看到鎂片表面持續(xù)有氣泡產(chǎn)生。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生將宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與微觀物質(zhì)生成結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)探究的過程中逐步養(yǎng)成觀察和概括總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力以及對出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋的能力。

3.原理分析

【師】從宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象我們已經(jīng)知道“鹽水動力小車”實(shí)質(zhì)上是一個原電池，其電極產(chǎn)物主要為Mg（OH）2。那么它是如何生成的，電池內(nèi)部的電子、離子如何轉(zhuǎn)移、電極反應(yīng)方程式如何書寫？

【生】思考并寫出電極反應(yīng)方程式。

【師】巡視并指導(dǎo)。

【師】可以發(fā)現(xiàn)很多同學(xué)都能很快畫出裝置圖并寫出負(fù)極反應(yīng)的方程式（Mg-2e-====Mg2+），但是對于正極反應(yīng)方程式很多同學(xué)都無從下手?？梢詮氖姌O附近存在的物質(zhì)入手，通過元素守恒、化合價的變化來判斷是什么物質(zhì)生成了OH-。

【生1】我們組認(rèn)為在石墨電極附近存在的物質(zhì)主要有H2O、Na+和Cl-。根據(jù)元素守恒可以排除Na+和Cl-。

【師】根據(jù)同學(xué)們的分析，我們可以知道正極附近還有H2O，是水發(fā)生還原反應(yīng)變成了OH-嗎？碳片除了和NaCl 溶液接觸外，其實(shí)還與空氣接觸了，因此還可能是哪些物質(zhì)發(fā)生了反應(yīng)？

【生2】石墨片周圍還應(yīng)該有O2和H2，且石墨作為正極材料，電極附近發(fā)生還原反應(yīng)，得到電子，化合價要降低。上述三個物質(zhì)中只有O2化合價降低了，可以推測發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)為O2。

【教師總結(jié)】綜上，我們已經(jīng)知道是氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成了OH-，因此可以寫出其電極反應(yīng)方程式為:O2+2H2O+4e-====4OH-。基于上述的分析，我們可以將鹽水動力小車原電池模型進(jìn)行歸納（見圖7）。

圖7 “鹽水動力小車”的原電池認(rèn)識模型

【師】在日常生活中我們把這種原電池叫作金屬—空氣原電池，它是一種特殊的燃料電池，其正極活性物質(zhì)為空氣中的氧氣，負(fù)極活性物質(zhì)主要是活潑金屬，如鋅、鎂、鋁等。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上升到理論的分析，并在逐步分析的過程中自主構(gòu)建原電池的認(rèn)知模型，能從裝置維度、原理維度分析原電池的基本要素。

4.改進(jìn)措施

【師】在上述實(shí)驗(yàn)過程中我們可以發(fā)現(xiàn)鎂—空氣電池屬于單液原電池，存在明顯的缺點(diǎn):電流示數(shù)大但不穩(wěn)定，續(xù)航時間較短。原因是什么？如何改進(jìn)呢？

【生】思考并回答。

【教師總結(jié)】根據(jù)同學(xué)們的回答，我們已經(jīng)知道續(xù)航時間短可能是因?yàn)殒V片表面生成了白色附著物阻止了反應(yīng)的進(jìn)行，因此我們可以阻止OH-的移動，即將其改裝為兩個半電池變?yōu)殡p液原電池。但根據(jù)之前所學(xué)我們知道雙液原電池因?yàn)辂}橋的存在會使原電池的電流明顯減小且裝置比較復(fù)雜。那是否存在一種裝置在延長續(xù)航時間的同時電流不會明顯減小呢？

【資料卡片】隔膜型原電池是原電池的一種類型，在電池的正極和負(fù)極之間有一層隔膜，將電池分為兩個部分，通過隔膜選擇性地讓離子通過以達(dá)到平衡電池兩邊電荷的目的。

【師】根據(jù)資料卡片，如何改進(jìn)上述“鹽水動力小車”？請同學(xué)們畫出裝置示意圖并完善原電池模型。

【生1】隔膜型原電池的裝置和單液原電池比較類似，唯一的區(qū)別是隔膜型原電池在裝置維度上多了一個離子交換膜用于限制離子的移動。因此在這里可以選用一個鈉離子交換膜，只允許鈉離子通過以達(dá)到平衡電荷的目的。改進(jìn)后的原電池認(rèn)識模型見圖8。

圖8 改進(jìn)后的原電池認(rèn)識模型

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)鎂—空氣電池存在的問題并找出原因，進(jìn)而引出新的原電池類型——隔膜型原電池，并完善原電池認(rèn)知模型。

5.課后延伸

【師】對理論知識的學(xué)習(xí)是為了能在日常生活中更好地應(yīng)用，通過查找資料可以發(fā)現(xiàn)，目前我國市面上的金屬—空氣電池在汽車、航天、航海行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。比如，我國市場上已經(jīng)研發(fā)出了鋁—空氣電池的發(fā)電機(jī)、鋅—空氣電池的旅游觀光車和公交車（見圖9）。金屬—空氣電池?zé)o毒、無污染、比功率高，但在日常生活中為什么沒有得到廣泛的應(yīng)用呢？

圖9 資料卡片（金屬—空氣電池的應(yīng)用）

【教師提示】可以從電極產(chǎn)物以及電極材料的性質(zhì)進(jìn)行分析。

【生1】活潑金屬作為電極材料在空氣中可能會發(fā)生自腐蝕。比如鎂在空氣中會發(fā)生2Mg + O2====2MgO。

【生2】金屬—空氣電池的正極附近會產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕的堿性物質(zhì)，對于盛放容器的選擇要求很高。

【教師總結(jié)】金屬—空氣電池具有成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在產(chǎn)業(yè)鏈不完整、電池容器抗腐蝕性不高、負(fù)極利用率低和反應(yīng)物碳酸化等缺點(diǎn)，因此沒有得到大范圍的應(yīng)用。任何事物都存在兩面性，有缺點(diǎn)并不是壞事，相反這也是機(jī)遇和挑戰(zhàn)，未來如何改掉缺點(diǎn)？如何突破技術(shù)難題，這些就留給未來科學(xué)家。

設(shè)計意圖：在理論知識學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上向?qū)W生展示目前我國市場上已經(jīng)存在并廣泛使用的金屬—空氣電池，讓學(xué)生更深刻地理解學(xué)習(xí)化學(xué)知識的必要性。其次讓學(xué)生在感受科技進(jìn)步的同時，感受我國科學(xué)家不斷奮斗、努力探索的精神以及為國服務(wù)的責(zé)任感，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，埋下一顆突破技術(shù)難題的種子。

七、教學(xué)反思

本節(jié)課打破了原有教學(xué)設(shè)計的常規(guī)思維，將教學(xué)素材改為真實(shí)、廣泛應(yīng)用的原電池，借助學(xué)生所熟悉的溫室效應(yīng)等社會熱點(diǎn)問題引出“鹽水動力小車”，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，從中發(fā)掘和化學(xué)相關(guān)的問題。讓學(xué)生在學(xué)科知識和應(yīng)用之間建立聯(lián)系，做到學(xué)以致用。同時在整個教學(xué)過程中，學(xué)生表現(xiàn)出極高的興趣和求知欲，處于主體地位。通過自主動手完成實(shí)驗(yàn)和解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，逐步構(gòu)建原電池的模型，實(shí)現(xiàn)從單液原電池到燃料電池再到隔膜型原電池的認(rèn)識模型的構(gòu)建?！胞}水動力小車”的真實(shí)情境幫助學(xué)生理解能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，提升學(xué)生批判性思維和問題解決能力，培養(yǎng)學(xué)生從化學(xué)視角審視社會問題的習(xí)慣，潛移默化地培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新精神。