“初级电池”教学设计促进学生的理解与发展_原电池论文

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      一、教学设计背景

      促进学生认识发展的教学强调将科学知识转化为学生观察、分析现象和问题的视角和思路，并且通过具体的认识实践活动，让学生形成稳定的认识方式[1]。它是一种基于过程的教学，教师提供素材创设情境，设计驱动性问题或探究活动让学生参与其中，过程中关注学生认识发展脉络，帮助学生从已有的认识水平发展到更高级的认识水平。

      原电池教学内容先后出现在必修和选修模块中，且具有一定的层级发展关系。必修模块以“铜、锌、稀硫酸”原电池为教学模型，通过具体事例说明通过这样一个装置可以将化学能转化为电能，体现了化学反应产生能量的利用价值；选修模块则以“铜、锌双液原电池”为教学模型，让学生体验化学能转化为电能的探究过程，要求学生了解原电池的工作原理，能正确书写电极反应式与电池反应式[2]。经过必修阶段的学习之后，学生对原电池的认识达到了怎样的水平？选修模块原电池教学的起点该从哪里开始？将促进学生哪些方面的认识发展？

      不少教师采取“装置改进式”的教学思路：首先，带领学生复习单液原电池，为了更好地与选修模块衔接，将电解质溶液由稀硫酸改为硫酸铜溶液进行实验演示，使学生看到单液原电池中电流衰减快，锌片上有铜析出，一部分化学能直接转化为热能的弊端；其次，引导学生从提高能量转化效率角度将原电池装置从单液改进为双液。这个过程实际上就是科学史上伏打电池（1799年）到丹尼尔电池（1836年）的发展过程。笔者在教学中也曾尝试过这样的教学思路，结果表明，学生很容易想到将锌片与硫酸铜溶液分开，但是二者分开之后具体怎么操作却遇到了很大的障碍。尽管教师使尽浑身解数进行诱导，最终双液原电池装置依然是由教师本人而不是学生“设计”出来的。

      笔者认为，从必修到选修模块关于原电池认识的发展，表面上看是装置的发展（盐桥的引入发展了学生对原电池装置构成要素中离子导体的认识），本质却是对原电池反应原理的认识发展。从原电池的单液装置发展到双液装置，主要目的就是要把氧化反应与还原反应彻底分开在两个电极材料上发生，自发的氧化还原反应为化学能向电能的转化提供了电势差。现实生活中的电池很少使用盐桥，代替盐桥将氧化剂与还原剂隔离的是各种各样的“膜”（锂离子电池）和“纸”（干电池）。因此，在选修模块原电池教学中，我们不应该将重点放在装置（盐桥）上，而应该放在加强学生对原电池反应原理的深刻认识上，帮助学生形成面对原电池分析任务和设计任务时的认识思路和角度。

      二、选修模块“原电池”教学设计

      1.主要教学环节

      本节课主要教学环节内容如附表所示。

      2.课堂实录与评价

      （1）环节一

      【师】请回忆高一学过的原电池装置（见图1），谈谈该装置是如何产生电流的？

      【生1】锌片失去电子，电子沿着导线到达铜片，溶液中的

在铜片表面得电子生成铜沉积在铜片上。（略微思索后）电流方向与电子移动方向相反，为逆时针方向。

      

      

      【师】电荷的定向移动形成电流，既然产生电流，是不是要形成一个闭合的回路？能否完整地讲述闭合回路中电荷的移动情况呢？

      【生2】电子从锌片沿导线流向铜片，溶液中

向铜片移动，在铜片表面得电子生成铜；锌失电子变成

进入溶液，吸引

向锌片移动，溶液中通过阴阳离子定向移动形成电流。

      【师】内外电路电流方向一致吗？

      【生2】一致吧？让我想想……（自言自语重复一遍后）是的，一致！正电荷移动方向就是电流方向，整个回路电流是逆时针方向。

      【师】其他同学有补充吗？

      【生3】我觉得溶液中

也要向铜片移动，它也受到铜片上电子的吸引。

      【师】原电池反应原理大家都清楚了，大家能提炼出原电池装置的构成要素吗？

      【生4】首先要有一个自发的氧化还原反应，例如

，得有两个活性不同的电极，另外必须形成闭合回路。

      【生5】我认为两个电极可以相同，例如氢氧燃料电池两个电极都是金属铂。

      【师】（对“生5”微笑）补充得非常好！（转向全体学生）自发氧化还原反应中的氧化剂和还原剂其实是在电极上参加反应的物质，大家所说的电极实际上指的是电极材料，也就是得失电子的场所。我们有必要将“电极材料”与“电极反应物”区分清楚。哪位同学能对原电池装置的构成要素再进行完整归纳？

      【生6】有自发反应的氧化剂和还原剂、电极材料、导线、电解质溶液。

      【师】我们把导线称为“电子导体”，把电解质溶液称为“离子导体”，经过同学们的思维碰撞，原电池装置的构成要素已经很明确了（板书如图2所示）。

      

      以上环节旨在通过对必修阶段单液原电池的回顾，唤醒学生已有的知识和经验。教师没有采用“一问一答”式的提问方式：“电子是从锌片流向铜片，还是从铜片流向锌片？”“溶液中的

和

往哪个电极移动？”而是设计了具有一定开放度和思维容量的问题：“该装置是如何产生电流的？”“能提炼一下原电池装置的构成要素吗？”第一个问题探查学生对原电池原理的认识，第二个问题探查学生对原电池装置的认识。这样的问题需要学生回答的不是简单的几个字，而是一段“完整的话”。当学生思维阻滞的时候，教师没有急于换人或帮学生补充，而是气定神闲、面带微笑地鼓励和等待。虽然多花了些时间，却探查到了学生存在的真实问题，如较多关注外电路电子的流向，较少关注内电路离子移动情况；在准确、完整描述电池回路方面存在困难；混淆电极材料和电极反应物；过分受到铜、锌原电池模型的影响，认为两个电极材料的活性一定存在差异，等等。这样的问题设计和教学方式是促进学生认识发展的教学所提倡的。

      （2）环节二

      【师】同学们，请分析这样的装置（见图3）能够产生电流吗？说出你的依据。盐桥是一个U形管，其中溶有饱和氯化钾的琼脂，是提供阴、阳离子流动的通道。

      【生7】可能吧？我看形成原电池的要素似乎都具备了。

      【生8】我觉得不能产生电流，因为锌与

被隔开了。

      

      【生9】能产生电流，因为右边烧杯中的

可以通过盐桥流动到左边烧杯，可以与锌接触。

      

      【师】整个过程分析得十分准确，其他同学对他提出的困惑有怎样的理解？

      【生11】电子移动的动力高一时好像提起过，锌和铜失电子能力不同，使得两个电极存在电势差。

      【师】（予以肯定后）我们刚学过“难溶电解质的溶解平衡”，认识到绝对不溶解的物质是没有的，金属也存在“溶解平衡”。

      

      由于不同金属失电子能力不同，导致不同金属的“溶解”程度不同。由于锌原子比铜原子容易失电子，锌电极上累积的电子比铜电极多，其电极电势比铜低。将两极接通构成回路时，电子由电势低的锌电极流向电势高的铜电极。电子的移动破坏了两极的溶解—沉积平衡。①中锌由于电子移走而向溶解方向移动，②中铜片的平衡由于电子移入而向沉积方向移动，结果使电荷持续移动形成电流。

      【生12】燃料电池两个电极都是铂，为什么也有电势差呢？

      【师】（略有迟疑、停顿后）同学们请看教材72页的这句话“原电池输出电能的能力，取决于组成原电池的反应物的氧化还原能力”[3]，为什么形成原电池的反应必须是自发的氧化还原反应？因为还原剂会自发将电子转移给氧化剂。在双液电池中，虽然二者没有直接接触，但是它们通过电子导体接触了。大家把电极材料和导线想象成一个充满电子的管道（见图4），一旦构成回路，还原剂失电子给负极材料（管道的一头），那么正极材料（管道的另一头）就会将相应数量的电子转移给氧化剂。正是由于氧化剂对还原剂电子自发的“强烈需求”，拉动了电子导体中电子的定向移动，再加上内电路离子的定向移动，电流回路就形成了。

      

      【生13】怪不得电极必须使用能够导电的材料呢！

      【生14】在铜锌原电池中，实际上是Zn与

自发的氧化还原反应拉动了电子转移，只不过金属锌能够导电，兼职做了负极材料，对吧，老师？

      【师】（频频点头微笑）看来同学们对原电池原理的认识越来越深刻了！那么，双液原电池比单液原电池有哪些发展呢？

      【生15】单液原电池一个烧杯；双液原电池两个烧杯，而且还有盐桥。

      【生16】双液原电池中还原剂与氧化剂不直接接触，化学能不会转化为热能。

      【生17】是不是双液原电池锌片上不会再镀上铜了？

      

      【师】带头为“生18”点赞后，利用电流传感器对比测量铜锌单、双液原电池的电流，实验结果如图5所示。

      

      此环节的教学过程是学生不断生成问题、教师不断解决问题的动态过程，充分显示了学生的认识发展脉络。从学生的课堂表现可以看出，学生对原电池原理和装置的认识水平存在明显差异。“生8”和“生9”仍存在迷思概念，认为负极材料一定得与电解液反应才能形成原电池，产生电流。“生15”对双液原电池的认识停留在最浅的表观层次上。“生10”对双液原电池原理的表达使学生的认识又进了一步，同时他提出对原电池电子移动动力的困惑。待教师利用沉淀溶解平衡这个“先行组织者”圆满解决铜锌原电池模型电势差产生的原因后，“生12”的质疑再一次把教师逼到墙角，推动教师对形成原电池电极电势差的本质原因在中学生能理解的范围内进一步做了形象生动的讲解。“生18”对双液电池原理的深入分析进一步发展了学生对盐桥平衡电荷作用的深刻认识。整个过程中，学生从对装置的认识逐渐深入到对原理的认识，逐渐形成了系统分析原电池的认识角度（装置角度和原理角度）和认识思路（对于装置关注哪些要素，对于原理如何分析微粒运动过程及产生的现象）。

      （3）环节三

      【师】请根据

设计一个原电池，说出你的设计思路。

      两位学生代表分别在黑板上画出自己设计的示意图（见图6、图7）。

      

      【生19】我的设计思路：首先看反应，发现还原剂与氧化剂都是离子，所以放在两只烧杯中隔离。为了不干扰反应，我找了两根惰性电极材料，然后连接电子导体和离子导体。

      【生20】Cu会和

反应，不能做正极材料，但是我认为可以做负极材料。

      【生21】不知道

和Cu哪个更容易失电子？如果Cu更易失，电池反应就变了。

      【师】如何证明谁失电子呢？

      【生20】可用实验验证，一段时间后向KI溶液中加入淀粉溶液，若变蓝，说明

失电子生成

。

      【生21】还是取KI溶液加入淀粉比较好！

      【生22】一段时间后，如果

失电子，KI溶液会有颜色——碘水的颜色。

      此环节呈现给学生的是一个与铜锌原电池模型十分不相近的设计型任务，学生很难凭记忆或经验完成。因此，该任务不仅能够很好地诊断出学生对原电池的认识发展水平，而且进一步加强了学生对原电池构成要素的透彻理解。从以上对话可以看出，学生已经初步建立了对原电池进行系统分析的合理思路和认识角度。他们不仅关注装置，还更多地关注了电池反应。而且，学生已不再满足于纸上谈兵，而是具有了强烈的证据意识。应学生要求，教师就两个装置进行了对比实验，结果用石墨做电极材料的电池2 min后KI溶液（0.1 mol/L）变黄，取样滴加淀粉溶液出现明显蓝色（见图8）；而用铜片做负极材料的电池短时间内同样浓度的KI溶液颜色无明显变化，也检测不到单质碘的生成（见图9）。

      

      

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