从教材到教学的研究——以“原电池”为例，本文主要内容关键词为：为例论文,教材论文,原电池论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“化学能转化为电能”（简称原电池）是电化学的基础知识，是物理和化学学科的重要交叉点。高中化学教材中原电池的教学内容不仅可以使学生更好地理解氧化还原反应的本质、离子反应以及化学反应与能量变化等知识，了解原电池的重要装置，体验化学能转化为电能的探究过程，认识日常生活中的电池，理解化学科学与社会、科技和生活的重要联系，而且是培养学生创新思维与综合能力的极好切入点。
一、3套教材中原电池内容的编排特点
1.鲁科版教材中原电池内容的编排特点
鲁科版《化学2》“化学键化学反应与能量”，其中“化学反应的利用”包括两部分内容：利用化学反应制备新物质和化学反应为人类提供能量。
教材通过观察实验（铜片、锌片用导线连接平行插入稀硫酸中）的现象（电流计指针偏转），尝试用氧化还原反应的知识分析锌片、铜片上发生反应的情况，在实验基础上建立“通过氧化还原反应将化学能转化成电能”的基本观念。
2.人教版教材中原电池内容的编排特点
人教版《化学2》“化学反应与能量”，其中“化学能与电能”包括两部分内容：化学能与电能的相互转化和发展中的化学电源。
教材介绍了燃煤发电过程中的能量转换，引出燃烧（氧化还原反应）使化学能转化为热能、机械能，最终转化为电能。氧化还原反应的本质是氧化剂与还原剂之间发生电子转移的过程，电子转移引起化学键重组，同时伴随体系能量变化。要使氧化还原反应释放的能量不通过热能而直接转变为电能，就需要设计一种装置，使氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行。通过铜锌原电池（铜片和锌片用导线连接，平行插入稀硫酸中）实验现象的观察、水果电池的设计，建立“化学电池的反应本质是氧化还原反应”的基本观念。
3.苏教版教材中原电池内容的编排特点
苏教版《化学2》中“化学反应与能量转化”，在“活动与探究”栏目中设计了4个探究实验（锌片插入稀硫酸中、铜片插入稀硫酸中、铜片和锌片插入稀硫酸、铜片和锌片用导线连接平行插入稀硫酸中），让学生体验化学能转化为电能的过程，从离子反应和电子转移的微观角度认识并建立“化学能转化为电能”的基本观念，教材还通过实验制作了解氢氧燃料电池。
《化学反应原理》专题1以含盐桥的铜锌原电池为载体学习原电池工作原理，使氧化反应和还原反应在彼此隔离的条件下进行，锌与铜离子不直接发生反应，能更有效地将化学反应产生的能量转化为电能。《实验化学》专题5课题1原电池实验，铜锌原电池能使小灯泡发光，改变条件使化学能更有效地转化为电能。
二、“化学能转化为电能”教学案例分析
“化学能转化为电能”的优秀教学设计非常多，其中乌晓璐老师的教学设计发表在《中学化学教学参考》2007年第8期，是通过实验探究建立概念的典型代表。教学设计通过1条主线、1个动画、两个实验开展相关概念和原理的学习。
（1）课堂主线
情感主线和知识主线交互式推进。情感主线：伽伐尼青蛙实验（1780年）→伏打电池（1800年）→丹尼尔电池（1836年）；知识主线：铜锌原电池→原电池形成条件→新型电池展望。
（2）两个实验
引课实验设计：用舌尖感受水果电池的电流（理解伽伐尼青蛙实验）。
原电池形成条件的实验设计：①以铜锌原电池为基础，更换电极（锌—铁、锌—锌、铁—碳）；②以铜锌原电池为基础，更换溶液（硫酸铜溶液、酒精）；③以铜锌原电池为基础，重点探究闭合回路对原电池形成的影响；④在一块表面无锈的铁片上滴一大滴含酚酞的食盐水，放置一段时间。
本案例基于实验探究的过程，以及对实验现象的分析，建立“化学能转化为电能”的基本观念，并在解决问题的过程中拉近学生与科学家的距离，让学生能尝试沿着科学家发现的足迹去体验发现的过程。
三、原电池教学问题分析
1.两种认知观点
一是认为化学能转化为电能，虽生活中有多种化学电池，但原电池的工作原理学生是没有认知基础的，需要通过实验探究才能建立原电池的概念。苏教版《化学2》创设了一种实验探究的情境，通过4个探究实验的体验，然后将原电池概念固着在氧化还原反应的化学键重组和电子转移上，建构化学能转化为电能的基本观念。
二是认为原电池反应的本质是氧化还原反应，原电池是将氧化还原反应转移的电子由无序运动转变为有序运动。人教版《化学2》认为氧化还原反应中电子转移引起化学键重组，只要设计一种装置，使氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行，再通过实验验证来构建化学能转化为电能的基本观念。
2.学生认识发展障碍点分析
（1）如何让学生建立原电池反应的本质是氧化还原反应这一认识
原电池反应建立在氧化还原反应电子转移的基础上，还是建立在分4步实验探究、或是纯粹偶然发现的基础上，原电池设计的依据是什么？
氧化还原反应在氧化剂和还原剂之间发生电子转移引发化学键重组，化学能转化为热能，如燃烧反应、锌粒与稀硫酸反应等等，我们能否设计一种装置，把还原剂失去的电子不是直接传递给氧化剂，而是通过导线再传递给氧化剂？通过对实验装置设计的思考、讨论与实验探究，帮助学生建构原电池反应的本质是氧化还原反应，且氧化反应和还原反应分两个区域进行的基本观念。
（2）如何让学生全面认识构成原电池的条件
对原电池构成条件的认识，学生往往停留在4个基本条件：两个活动性不同的电极、有电解质溶液、闭合回路、较活泼的电极能与电解质溶液发生自发反应。
含盐桥的铜锌原电池中，氧化反应和还原反应是在彼此隔离的条件下进行的，使学生认识到两极材料与接触到的电解质溶液均不反应，而且锌与
也不直接发生反应，这样的装置也形成了原电池。燃料电池是通过燃料、氧化剂分别在两个相同的电极上发生氧化反应和还原反应而转化为电能，使学生认识到原电池装置中两极材料可以相同，并且与电解质溶液均不反应。铜锌原电池还能使小灯泡发光，使学生进一步认识到改变条件可以提高原电池放电效率。
理论上讲，任何一个氧化还原反应都可以设计成原电池，一种是电极本身失去电子，化学能储存在原电池中；另一种是电极本身不参与电极反应，化学能与原电池装置分离。
（3）如何让学生认识到原电池电子定向移动的原因
含盐桥的铜锌原电池，在硫酸锌溶液中的锌是怎样失去电子的？盐桥的作用是什么？氢氧燃料电池中碳棒上的氢气为什么会自发失去电子？金属（或导体）与溶液界面两侧“双电层结构”理论，已经超过了高中学生的认知水平，事实上已成为学生不可回避的一个认知障碍点。
四、基于观念建构的教学设计
1.以观念建构为本的教学内容分析
“化学能转化为电能”是本节内容的核心观念。氧化还原反应中化学键重组与电子无序运动，化学能转化为热能；将氧化还原反应中转移的电子由无序状态转变为有序、定向移动，化学能转化为电能。知识间的层级关系如图1。
2.以观念建构为本的教学设计
以苏教版《化学2》专题2第三单元“化学能转化为电能”为例（片段）。
引课实验：锌粒投入盛稀硫酸的试管中，可观察到锌粒表面有气泡，感受到试管外壁发热。
氧化还原反应有电子转移，在溶液中还原剂（Zn）失去电子直接传递给氧化剂（
），由于转移的电子是一种无序运动，因此化学能转化为热能。提出问题：能否设计一种装置（电路），把锌原子失去的电子不是直接传递给溶液中的，而是通过导线再传递给溶液中的？即导线中有定向移动的电子经过（如图2所示）。
假设：导线的一端连接锌原子（大量锌原子堆积的锌片），另一端连接溶液中的氢离子，导线中就有定向移动的电子流过，实现化学能转化为电能（如图3所示）。
发现问题：一是导线无法连接溶液中的；二是怎样使锌原子失去的电子自发经过导线再传递给溶液中的。
问题解决一：导线的另一端连接一个导体，使溶液中的在导体的表面获得电子（如图4所示）。
问题解决二：电子发生定向移动的条件——电势差（或电压），由于导体材料不同，在溶液中失去电子的能力不同，两个电极之间形成了电势差。探究导体材料的实验设计：导体材料为Zn或Fe或Cu或石墨等，用导线连接锌片和导体后平行插入稀硫酸中（如图5所示），观察电流计指针是否发生偏转。
结论：原电池反应可以看成是把一个氧化还原反应拆分成两个半反应（氧化反应和还原反应），在两个半反应之间用导线连接，在导线上实现了电子的定向移动，电解质溶液中阴阳离子发生定向移动，从而持续产生了电流，实现了化学能转化为电能。
五、讨论及建议
苏教版教材将“化学能转化为电能”内容分散到3个模块中，教学内容和要求层级不明显，有交叉、重复之嫌，学生对原电池的认识发展不连贯，教师的教学定位困难。
建议将《化学2》中“化学能与电能的转化”和《实验化学》专题5课题1原电池的内容全部整合到《化学反应原理》专题1第二单元“化学能与电能的转化”中。
如“化学能转化为电能”教学内容整合：第1课时《化学2》“化学能转化为电能”，从氧化还原反应的视角建构化学能转化为电能的基本观念；第2课时《化学反应原理》“原电池工作原理”通过含盐桥的铜锌原电池和《化学2》氢氧燃料电池的分析，全面认识构成原电池的条件；第3课时《实验化学》专题5课题1“原电池”学生实验，重点让学生认识原电池的放电效率；第4课时化学电源，拓展原电池的视野和应用；在学习电解原理后学习金属的腐蚀与防护；5或6课时就能完成2009版《浙江省化学科教学指导意见》规定的累计7课时的教学内容，学生对原电池的认识发展连贯、层次清晰、教学效率高。