“原电池的工作原理”教学设计及课堂实录，本文主要内容关键词为：教学设计论文,工作原理论文,课堂实录论文,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。
一、教学设计理念 建构主义的教学理论认为对学习内容较为深刻的理解和掌握是通过学生主动建构达到的，而不是通过教师向学生传播信息获得的。学习者在一定的情境下学习，或利用原有认知结构的有关经验同化新知识，或通过顺应、改造、重组原有的认知结构来同化新知识，理解、掌握学习内容，达到对新知识的意义建构。因此，教学设计强调以学生为中心，强调教学情境的设计，强调利用各种信息资源来支持学生的自主学习和合作学习，强调学习过程的最终目的是完成知识的意义建构。“原电池的工作原理”的教学设计将充分利用学生已学知识，精心设计情境，注重活动探究的设计，通过学生的自主学习、合作学习掌握原电池的工作原理，同时充分理解原电池的工作原理的功能和价值。 二、教材分析 （一）教材知识体系（如图1、图2所示）
“原电池的工作原理”处于《化学反应原理》教材第1章第3节，其他2节依次为：化学反应的热效应、电能转化为化学能——电解。教材以“能量转化”为纲，首先介绍如何通过实验测定方法和理论计算方法来定量描述化学反应的热效应，其次介绍电能与化学能相互转化的具体形式——电解和电池。先学热化学后学电化学、先学电解后学原电池，符合由易到难，由简单到复杂的认知过程。第3节“化学能转化为电能——电池”又包含3部分内容，其先后顺序分别为原电池的工作原理、化学电源、金属的腐蚀与防护，先学习原理，然后再学习原理的应用，体现了原理的价值和功能。 （二）学科价值 原电池作为化学电池的一种，不仅与物理学中的电学有重要的联系，它与化学学科中的几大领域也有着密切的关联。 通常人们都说原电池的本质就是氧化还原反应，但原电池之所以能够产生电流是由于原电池的两极存在电势差，而造成电势差的原因就是两极物质的结构不同，得失电子的能力就不同。物质的结构决定着物质的性质（氧化性和还原性）和氧化还原电极的电极电势，从而影响了氧化还原反应的过程和反应的方向以及限度，实现了物质的化学能到电能的能量转化，这些维度的研究便形成了物理化学中可逆电池研究的基础，而可逆电池的研究也为这些维度的发展提供了理论指导，研究化学电池的科学家更关注的是如何设计出可以批量生产的电池，这与材料科学的领域又有着密不可分的关系。 因此，原电池与化学学科的分支领域有着密切的联系，例如，物质结构、物质性质、化学反应、能量转化、反应方向和限度、分析化学、物理化学以及材料科学等。所以，有关原电池的研究是非常有价值的，对于学生化学学科的学习也是有很大帮助的。 三、学情分析 （一）学生认知起点及障碍点 通过初中化学和高中化学必修模块的学习，学生已经了解了氧化还原反应的知识，也已经初步认识到原电池的功能即将化学能转化为电能，选修中又学习了热化学和电解的知识，从物质的反应、微粒的运动、能量的转化等各个角度，为原电池的学习奠定了基础。 但原电池内容涉及发展学生对氧化还原反应、微粒观的认识发展以及分析体系中化学反应的基本思路的培养，这些都会对学生的认知发展带来障碍。虽然关于原电池的知识难度从必修到选修阶段是一个螺旋上升过程，但是由于学生关于电化学知识的欠缺、受到物理学知识的影响以及对语言的错误理解，导致学生存在一定的认知障碍。例如，如何认识电极材料与电极反应物的关系、电解质溶液与电极反应物的关系？如何认识原电池中氧化反应、还原反应分开进行？怎样从微观视角分析原电池中微粒的运动与反应？ （二）学生思维发展点 首先，可以发展对氧化还原反应的认识。在原电池学习中让学生认识到电子可以在物质之间转移，也可以从外部得到和向外部输出，实现氧化反应和还原反应在体系中的不同部位发生。其次，对原电池原理的认识从宏观到微观逐渐深入。学生在必修阶段了解到由于电极活性的不同产生了电流，而进入到选修阶段以后，认识到本质上是由于电势差的存在。最后，让学生对体系中的微粒认识上升到微观的、相互作用的、动态的认识。学生在必修阶段知道微粒在体系中是不断运动的，而通过原电池原理的学习，让学生认识到体系中微粒的运动方向和运动规律，以及使微粒定向运动的动力来源。 四、教学目标及重难点 （1）知识与技能：了解原电池原理，知道原电池中电子、离子的运动方向、电极反应之间的关系；能写出简单电池的电极反应式和电池反应式。 （2）过程与方法：通过铜锌原电池电流形成过程的探究，认识到微粒运动（导线中电子和溶液中阴阳离子的运动）和物质变化（电极反应）的内在联系；通过比较分析单液电池和双液电池的异同，拓展对化学反应的认识，更加深刻理解原电池。 （3）情感态度与价值观：通过学习原电池的功能，让学生体会原电池对于解决能源问题的意义；通过探究实验，比较单液电池和双液电池，让学生体会科学研究对于人类社会可持续发展的重要意义。 （4）教学重点：原电池的工作原理，书写电极反应式和电池反应式。 （5）教学难点：原电池中电流形成。 五、教学过程 （一）教学设计流程图（图3） （二）课堂实录 1.通过生活中的原电池和必修知识的复习，引出原电池原理 [教师]“2013年冬季，全国许多城市出现雾霾天气，再次引起大家对环保节能型汽车的关注。”播放视频：中央电视台新闻频道关于我国氢燃料电池汽车的新闻报道。“氢燃料电池是依据什么原理制造的？” [学生]认真观看视频并自主思考。大部分同学回答：“原电池原理。” [教师]“那么它是怎样设计的呢？我们先来看看在必修2中已经学过的锌铜稀硫酸原电池，你能否试着画出该装置图，并且写出该装置中发生的总反应方程式呢？” [学生]学生A上黑板板演，其他学生在练习本上完成。 [教师]“我们请一位同学评价这位同学画得是否正确。” [学生B]评价学生A的板演并修改、完善。 [教师]“我们怎样证明原电池中有电流形成呢？” [学生A]“将外电路中接入一个检流计，根据检流计的指针偏转，证明原电池中有电流形成。” 2.通过铜锌原电池的设计、分析，学习单液原电池原理 [教师]“上述装置可以将锌与稀硫酸反应的化学能转化为电能，那么换成是其他的反应是不是也可以呢？请利用提供的试剂和仪器完成下列探究任务。”PPT展示以下内容：
锌与
溶液反应中的能量变化与能量转换 （1）将锌粉加入
溶液中，测量溶液温度的变化，分析能量变化情况。 （2）如果锌与
溶液的反应是放热反应，请设计实验将该反应所释放的能量转化为电能并实施你所设计的实验。 试剂和仪器：
溶液，锌粉，锌片，铜片，温度计，检流计（G），导线，大烧杯。 要求：小组内先自主思考，然后小组合作讨论实验方案并实施实验，组长负责协调。 [学生]各小组按照要求依次完成实验1，设计实验2方案并进行实验，记录实验现象。 [教师]巡视，指导。 [教师]“哪个小组展示一下你们的实验现象？” [学生C]“我们小组实验1的现象：锌粉溶解，温度计示数上升，溶液颜色变浅，有铜析出。” [学生D]“我们小组实验2的装置与锌铜稀硫酸原电池相同，实验现象是：检流计指针发生偏转；锌片溶解，表面也有红色固体物质附着；铜片表面出现一层红色固体物质；
溶液颜色变浅。” [教师]“请同学们结合实验现象分析以下几个问题：①铜片表面析出的红色物质是什么？这些物质是怎样产生的？发生了什么反应？②锌片上发生什么反应？③电流是怎样产生的？同学们自主思考后，可以在小组内交流讨论。” [学生]先自己思考后小组讨论。 [教师]“哪个小组展示一下自己的成果？” [学生E]“我们小组认为，锌片失去电子发生氧化反应，电子转移到铜片上，溶液中的铜离子移向铜片得到电子发生还原反应，铜片上析出的红色物质是铜；检流计的指针发生了偏转，说明有电流产生，这是因为电子发生了定向移动。” [学生F]“我们小组认为电流的产生不只是电子发生定向移动，还与溶液中的离子定向移动有关。” [学生]鼓掌。 [教师]“同学们回答得很好，我们再从微观角度分析电流的形成过程。”PPT动画模拟原电池工作原理。 “因为负极上锌失电子，电子沿外电路的导线流向了铜电极，而内电路中
要移向铜极，定向移动形成了电流，
在铜电极上得到电子生成了铜。我们将两极的反应过程表示如下。”
[教师]“在该装置中我们将一个氧化还原反应分在了两极发生，锌电极称负极，铜电极称正极。可以利用电子的流向记住电极的名称。将正极反应和负极反应相加就可以得到总反应式。请大家写出总反应式。” [学生]写出锌和
溶液反应的化学方程式。 [教师]“请同学们接着思考，刚才我们做的2组实验，实验1是锌片直接与
溶液反应，实验2采取了这样一个装置，那么这2个反应是否相同？结合教材第20页图1-3-3回答。” [学生]看课本图片，进行思考。 [教师]“请一位同学谈谈他的观点。” [学生G]“我的观点是，从本质上看它们都是锌与
溶液的反应，反应本质是相同的；不同点有2点，一是电子转移方式不同，在铜锌原电池中电子转移是有序的，锌片与
溶液的反应电子转移是无序的；二是能量转化方式不同，原电池中是化学能转化为电能，而锌片与
溶液反应是将化学能转化为热能。回答完毕。” [学生]鼓掌。 [教师]“请大家将今天学习的铜锌（硫酸铜溶液）原电池与必修2中学过的铜锌（硫酸溶液）原电池比较，它们有什么相同点呢？你能不能从中提炼出这类反应构成原电池的条件呢？” [学生H]“我觉得构成这类原电池的条件有2点，一是负极是活泼性较强的金属，并能与电解质溶液发生反应，正极材料导电即可；二是必须将两金属电极用导线连接后插入电解质溶液中。回答完毕。” [教师]“非常好，我们可据此设计原电池。” 3.从原电池的能量转化效率出发，学习双液原电池原理 [教师]“刚才做实验时，D同学所在小组观察到电池工作一段时间后，锌片上也有少量的红色物质析出，这是为什么呢？请同学们先自主思考，然后小组内交流自己的看法。” [学生]自主思考，然后小组讨论。 [教师]“哪个小组说一下你们小组的结论？” [学生1]“我们小组认为产生上述现象的原因是锌和铜盐直接接触，电子在Zn与
之间直接转移，发生了置换反应。” [教师]“可以通过哪些方法证明你们的判断？你们的依据什么？” [学生]思考，小组讨论。 [学生I]“我们可以通过温度计测量反应前后的温度变化来证明我们的判断，因为如果直接接触发生置换反应，化学能就有一部分转化为热能，导致电解质溶液反应前后温度不同。” [教师]“如何避免这种现象发生呢？” [学生]思考，小组讨论。 [学生J]“为了避免这种情况的发生，只能将锌与
溶液隔开。但隔开又形成了断路，不能形成原电池了。我们能否再用导线将其连接起来形成闭合回路呢？” [教师]PPT展示锌与
溶液隔开后的装置图。“从图中可以看出，用导线是不能将2种电解质溶液连接起来的。我们可以采用盐桥将其连接，那么大家看一下教材第21页，什么是盐桥？盐桥有什么作用？” [学生]看书。 [教师]准备双液原电池的装置。“这是我们制作的盐桥——1只U型管，请同学们观察，未插入盐桥之前，检流计指针是否发生偏转？” [学生]“没有。” [教师]“请同学们认真观察插入盐桥后的现象。”演示实验。 [学生]“检流计指针发生偏转，锌片溶解，铜片表面出现一层红色固体物质，
溶液颜色变浅。锌片表面无红色固体物质。” [教师]“比较图1-3-2和图1-3-4表示的原电池，两者有何区别？你觉得哪个装置更适合设计成化学电源呢？为什么？” [学生]先自己看图思考，后小组讨论。 [教师]巡视指导，参与讨论。 [教师]“哪个小组愿意把你们的结果展示给大家？” [学生K]“我们小组认为，2电池均实现了化学能向电能的转化，但图1-3-4所表示的原电池能量转化效率更高，因为它避免了Zn与
直接发生置换反应。因此，有盐桥的原电池更适合设计成化学电源。” [学生]鼓掌。 [教师]“我们通过分析可以发现，加入盐桥后的原电池，负极上的锌，也就是还原剂不再接触该反应的氧化剂，也就是说，通过这样一个盐桥装置将氧化反应和还原反应分在了2个电极发生，提高了能量转化效率。” [教师]“我们前面曾提到过氢氧燃料电池，想一想氢气和氧气能不能混在一起？它是怎样设计的？” [学生]思考。 [教师]PPT展示氢氧燃料电池的装置图。“分析如图所示的氢氧燃料电池，其中所发生的氧化还原反应是什么？两极发生反应的物质分别是什么？” [学生]先自己思考，后小组交流。 [教师]巡视指导，参与讨论。 [教师]“哪个小组展示你们的想法？” [学生L]“我们小组认为，该原电池中发生的反应是氢气和氧气反应生成水，其中负极上反应的物质是氢气，正极上反应的物质是氧气。” [教师]“回答得很好。根据以上学习，你认为原电池中电极反应的反应物一定来源于电极材料或者电解质溶液吗？” [学生L]“电极材料和电解质溶液可以不参与反应，只起导体作用。” [教师]“很好。那么对于原电池的电极和电解质溶液的作用和选择，你有何更深的理解？你能否将前面总结的原电池的构成条件进行完善？” [学生]思考。 [学生M]“形成原电池的条件可以总结为：①根据反应，选择合适的金属或非金属导体材料做电极材料；②将氧化剂和还原剂分别置于两极表面；③将两极连接后浸入电解质溶液中。” 4.利用原电池的形成条件，设计原电池 [教师]“如果给你一个氧化还原反应，你能否将其设计成原电池？应该考虑哪些因素？请大家思考。” [学生]“我认为，对于铜锌（硫酸铜溶液）这类原电池，我们可用金属作为原电池的电极；而对于氢氧燃料电池，我们可选择石墨做电极，然后将氧化剂和还原剂分别置于两极的表面，最后用导线连接两极，并将两极插入电解质溶液中即可。” [教师]“分成了2类进行分析，非常好。那么根据构成原电池的条件，你能否将氯化铁溶液与铜的反应设计成原电池？请尽可能采用多种方法画出它的装置图。” [学生]画图（2位同学到黑板上画）。 [教师]巡视指导。 [教师]“请大家看一下黑板上2位同学画的图。先看第1位同学的，你为什么设计出了这样一个原电池？” [学生N]“我根据铜和氯化铁溶液反应的离子方程式，判断出铜为负极，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，并且正极导电就可以了，所以我选择了石墨。关于电解质溶液，我选择了氯化铁溶液。所以构成了这个原电池。” [教师]“大家作图要规范，我们再来看第2位同学的图，请你谈一谈为什么设计成这样一个装置图。” [学生O]“为了不让氯化铁和铜直接接触降低转化率，我设计了将石墨和氯化铁放入一个烧杯中，将铜和硫酸铜放入另一个烧杯中，中间用盐桥连接，石墨做正极，铜做负极，电子沿导线移向石墨电极，三价铁离子得电子后生成二价铁离子。” [教师]“好，盐桥在这里起到导电的作用。很好！有的同学将铜和氯化铁溶液放在了同一烧杯中，能否避免直接反应？” [学生]“不能。” [教师]“同学们在用盐桥设计原电池时，不能将负极与能够反应的盐溶液直接接触。” [教师]“下面请同学们回顾本节课所学内容，并画出本节课的思维导图。” [学生]画图（各小组各安排一位同学到黑板上画）。 [教师]“请解释你们所画的思维导图。” [学生]学生解释思维导图，各小组组长及时补充，教师及时给予引导。 [教师]“这一节课我们学习了原电池的工作原理和构成条件，特别是设计原电池时，我们一定要根据反应类型来科学合理地设计。 六、教学反思 “原电池的工作原理”是各个版本《化学反应原理》教材中非常典型的内容，各种资源较多，在进行本教学设计之前，查阅了很多该课时的设计，发现存在以下问题： （1）没有注意各模块教材之间知识的总体设计，对必修和选修的知识深广度把握不准。课堂教学中对必修中已经解决的问题重复设计，既浪费了时间，又让学生失去了学习的兴趣，降低了教学效益。 （2）对教学素材的组织和挖掘不够深刻。没有认识到素材证据对学生学习知识的重要性，教学素材单一，照本宣科，缺失了知识应有的学习过程，学生的学习难以形成正确的认识，难以形成严谨的知识体系。 （3）学生活动的探究价值体现不到位。仅仅探究完铜锌原电池的原理就停止了，没有拓展开来，学生对于原电池的认识不够深刻甚至是片面的，对后续学习造成障碍。 （4）教学中没有充分体现原电池的功能和价值。为什么要学习原电池？学习的意义是什么？导致学生学完原电池的工作原理后，不知道能够利用所学知识解决什么问题。 （5）对于教材的功能价值理解不到位，割裂了本节知识和本章其他节知识的关系，学生学完本节知识不知道和其他章节内容的宏观联系。 基于以上问题，通过集体研究课程标准、教材和学生基础，在本教学设计中努力还原本部分内容的功能和价值： （1）从学生熟知的氢能源和化学电源入手设置情境，既体现本章“能量转化”主线，又体现本节“电池”这一线索，同时还利用新的任务促使学生产生学习的兴趣和动力。 （2）充分利用活动资源，层层设计问题，促使学生在思考的过程中，对知识逐渐加深认识的同时，利用已有知识解决问题并发现问题，充分体现探究功能，培养学生的思维能力和创造能力。 （3）充分挖掘教学素材，利用“问题”驱动知识学习的深入展开，形成科学严密的知识学习证据链条，为形成正确的认识奠定基础。同时也解决了单双液原电池的教学设计问题，实际上都是学习原电池的证据链条上不同层次的具体体现。
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