发现人类思维的脉络——“原电池”教学实践与思考，本文主要内容关键词为：脉络论文,教学实践论文,思维论文,人类论文,发现论文，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。
著名物理学家费曼曾经在不同时间和地点，对蚂蚁的行为进行过有趣而细致的观察。有一天，他在住所的浴盆附近发现有一些蚂蚁在活动，“这个机会太难得了！”他对自己说。他在浴盆的另一头放了些糖，坐在旁边看了一下午，终于等到有一只蚂蚁找到了糖。一旦蚂蚁发现了糖的所在，他就拿起准备已久的彩色笔跟在蚂蚁的后面画，这样便可知道它返回蚁巢的痕迹是什么形状（以前的实验使得费曼知道蚂蚁不会受到铅笔痕迹的影响）。由于这只蚂蚁在回家途中好像有点迷路，因此画出来的线有点曲曲折折，不像一般的蚂蚁痕迹。 当下一只蚂蚁找到糖，开始往回走时，他用另一种颜色来描下它走过的路径。此时他发现第二只蚂蚁是跟随第一只蚂蚁的回路走，而不是沿着自己来的路回去。费曼的想法是，当某只蚂蚁找到食物时，它所留下的痕迹要比平常闲逛时所留下的要强烈得多。第二只蚂蚁走得很急，大致沿着原来第一只蚂蚁的痕迹走。不过由于痕迹歪歪扭扭，而它又走得太快，因此常常“滑”出痕迹之外。但当它到周围乱闯时，又常常找到正确的痕迹。总之第二只蚂蚁回家的路线比第一只蚂蚁走的路线直得多。随着一只只匆忙又大意的蚂蚁走过这条通道，大约用铅笔跟踪了8～10只蚂蚁之后，痕迹得到了“改进”，愈来愈直了。 想象人类在认识自然，改造自然过程中的行为，在某些程度上与蚂蚁寻找回家的路径的方式有着很大的相似性。先行者在眼前一片黑暗的情境下，其行动只能是带有一定盲目性的尝试；后来者在总结前人经验教训的基础上，逐渐可以透过浓雾隐约发现前行的路；随着实践的增多，认识与反思的深入，人们就有能力越来越清晰地看见前景广阔。 由此引发对教学的启示，就是将化学史融入化学教学之中，其用意大约可分为三个层次：一是可以使学生了解一段史实；二是可以使学生理解对相关问题认识的起点和解决的过程；三是可以使学生在历史的回顾中发现在偶然性中蕴含的必然规律。 就整个中学而言，化学知识的教学是一个系统工程。学生对化学知识的认识是一个逐渐丰富，循环上升的过程。在《化学·必修1》氧化还原反应知识的相关学习过程中，学生曾经经历过氧化还原反应中存在电子转移的实证实验。这既是《化学·必修2》学习原电池原理的起点，也是将学生的视角自然延伸至原电池工作过程中的能量转化问题的生长点。 有关“原电池”的教学，分以下四个层次展开。 一、原电池装置中化学能与电能转化的实验证明 这是一个学生非常熟悉的实验。教师请学生完成Zn与2 mol/L硫酸反应的实验。实验中学生观察到的最显著的现象就是Zn粒表面有气体产生。教师和学生的讨论就此开始了。 实验中可以观察到有气体产生，但是在这显性现象的背后隐藏着什么不曾观察或不易观察到的现象呢？ 学生依据反应的离子方程式，在书写中或在思考中发现，原来伴随着气体的产生，不易察觉的是Zn的溶解。 “有没有同学还有其他的实验现象需要阐述？” “反应是放热的！”经过一个多学期的实验体验，有着良好实验素养的学生很自然地会用手摸一摸试管，发现试管是热的。刚刚对化学反应中能量变化有所认识的学生，马上意识到这是反应物所具有的能量总和高于生成物能量总和的表现。而因伴随着物质的转化，这部分化学能就以热能的形式释放出来。在反应物向产物转化的同时，部分化学能也转化为热能，这是同一事物变化过程中的两个方面。 “请同学们思考一下，是否还有其他的潜在变化我们不曾发现？” 由熟悉的置换反应以及对化学反应过程的理性思考，有些学生会认识到这是一个典型的氧化还原反应，因而反应过程中必然伴随着电子转移（见图1）。
当标出反应中的电子转移的方向与数目以后，能用实验证明氧化还原反应过程中电子转移吗？ 学生回顾学习氧化还原反应知识时的情境，迅速将Zn粒置于培养皿中，加入少量的硫酸，将呈U形的Cu丝一端触抵Zn粒，一端浸没于酸液，观察到浸没于酸液的另一端有气泡产生（见图2）。这即为铜丝中有电子通过的信号。
教师接着追问：“当铜丝中有电流通过时，还发生了什么？”学生对此感到比较茫然。 “让我们一起来观察一组实验吧！”教师说。 实验前教师向学生作了相关的简要说明：实验中用Mg条代替Zn粒是因为反应速率比较快，实验现象明显（Mg的金属活动性较强，反应的热效应会更加显著，同时反应速率较快，可以有效地避免因反应时间过长造成的热量散失。但反应的本质都是活泼金属与
发生的置换反应）。 取等质量的两小块Mg条，各取15 mL 2 mol/L的
溶液，置于相同的烧杯中，将两小条Mg条分别夹在铜丝弯成的螺旋线中（铜丝密度较大，夹持Mg条有助于Mg与酸的接触与反应，而相同的铜丝螺旋线是保证实验条件的一致性），见图3。
A烧杯中仅用Cu丝夹持Mg条直接与酸反应。B烧杯中，将铜丝的两端分别卷成螺旋线，a端夹持Mg条，实验时铜丝两端同时浸没在硫酸中。可以肯定的是，铜丝中将有电子通过，使得b端的铜丝上会有气泡产生。 虽然使用的两支不同的温度传感器的基础温度不同，但是依旧可以看出B烧杯中溶液温度升高的幅度较小（见图4、表1）。由于在A、B两烧杯中消耗的Mg条的质量是相等的，反应过程中释放的热量也应相等，因此A、B两烧杯中溶液的温度升高幅度也应该相同。为什么B烧杯中溶液温度升高的幅度比较小呢？
仔细观察A、B两烧杯中的装置，有学生认为，也许在B烧杯中长长的铜丝恰恰可以将Mg与酸反应产生的热量传递到空气中，使得B烧杯中溶液的温度降低。也有学生认为，B烧杯与A烧杯相比，多一个螺旋状的铜丝电极，是否会因为铜丝电极吸热使得烧杯中溶液的温度降低？ 为此，教师在A烧杯中增加一个与B烧杯中相同的两端带有螺旋Cu丝的导线（可以起到向空气中散热的作用），此时A烧杯与B烧杯相比，相当于多一个螺旋状的Cu丝电极，将更加不利于A烧杯中溶液温度的升高。重复上述实验（质量相同的Mg条溶于15mL 2mol/L的
溶液中），实验结果（见图5、下页表2）依然是A烧杯中溶液温度升高的幅度比较大（由于两次实验所用Mg条质量不同，所以升温幅度与前面实验不具有相关性）。
如果说，A烧杯中的温度升高的幅度表征了Mg条与硫酸反应过程中化学能转化为热能的总和。那么B烧杯溶液温度升高的幅度降低，意味着溶液从Mg与酸反应过程中直接捕获的热能减少，缺失的那部分能量表现为当电子从a端通过导线流向b端时，铜丝中将形成电流，可以向电路提供电能。若将电流通过的导线想象为一个小电子器件，电流通过时就将做电功。这部分电能做电功时也将转化为热能（
），但由于它是散失在空气中，所以B烧杯溶液温度升高的幅度较低。 讨论中仍有学生质疑：实验中可以观察到A烧杯中不仅Mg条表面有气泡产生，而且Cu丝的表面也有大量气泡，这不也有电子流动而产生电流吗？为什么A烧杯中溶液的温度升幅始终比较高？ 这是因为A烧杯中即便从Mg条到Cu丝有电子流动并产生电流，但是电子在流动中所做的电功，其最终将转化的热能还是全部被硫酸溶液吸收。因此A烧杯中温度的升幅依旧可以表征Mg条与硫酸反应过程中化学能转化为热能的总和。 曾经熟悉的Zn与酸所发生的置换反应，在以上的讨论和剖析中逐渐地层次分明而清晰起来。显性的气体产生与隐性的锌粒溶解相伴；物质转化的同时又与能量的转化随行，而在潜在的电子转移过程中，通过建立有序的电子转移的路径从而改变了能量转换的形式。B烧杯中发生的存在着电子转移的氧化还原反应确实构成一种能够将化学能转化为电能的装置（见图6）。
二、对原电池工作原理的基本认识 以下的讨论在锌氢原电池的理想模型中展开。 1.更正一个不合理的概念 图7所示的装置通常被人们称之为锌铜原电池，之所以有这样的名称，因为是根据原电池的两极材料命名的。 基于对原电池反应原理的理解，学生可以判断电极反应分别为：
教师请学生设想如果将Cu电极改为石墨电极、Pt电极或者Fe电极等，是否会改变原电池的反应原理？依据对金属活动性知识的认识，学生认为此时的正极反应仍然是
。这就说明正极反应并不因Cu改变而发生变化，可见将此原电池称之为锌铜原电池并没有反映出此电池反应的本质，而称之为锌氢电池应该是更合适的。 同时基于以上分析，学生对原电池中电极概念的理解也更加深入：电极并不仅仅指用以导电的材料，电极应该是由电极反应物和导体共同构成。 2.建立对原电池整体工作状态的认识
三、真实反应与理想模型比对中的困惑与解决方案的研讨 学生在理解了原电池的工作原理之后，再将培养皿中的溶液与锌粒接触之后，眼前的实验现象，又使他们产生新的困惑。 理想的原电池装置应该表现为这样的现象：Zn粒直接与酸接触时，Zn粒表面将有气泡产生；当Zn粒表面与Cu丝接触构成原电池以后，Cu丝浸没于酸的另一端有气泡出现，说明有电子通过导线流动到Cu丝的b端，既然电子已经由a端向b端迁移，Zn粒表面就应该没有气泡才是。可真实的实验现象是Zn表面依旧有气泡产生（见图9），似乎并不见明显减少。这是怎么回事？ 依据对实验的观察，想象中对反应的微观过程的追溯就这样发生了：
a.当Zn片与Cu片以导线相连，同时浸入酸溶液中时，因为Cu片表面会有气泡产生，可以想见Cu片周围有大量的
存在（见图10a）。
在Zn粒表面“不理想”的现象得到初步解释之后，不禁要追问：Zn粒表面产生气泡的后果是什么？学生由于已经在前面对照实验中形成的对化学能转化为电能的基本认识，所以不难理解当外电路有电子流过时，这部分化学能将转化为电能；而Zn与酸的直接反应将使化学能转化为热能。因此，Zn表面气泡的出现，就是该电池以消耗Zn和酸为代价，以获得电能的过程中能量转换效率较低的信号（其实这也是一种显性的“漏电”方式）。 设想如果能将Zn丢失的电子尽可能多的甚至全部从外电路流过，这样原电池工作过程中的能量转换效率就将提高。怎么才能做到这点呢？
教师展示了学生的设计：将Zn片插入
溶液中，Cu片插入
溶液中，Zn片和Cu片用导线相连。实验现象出乎学生的意外：导线中间的检流计指针并没有发生偏转，这就意味着电路中并没有电子通过，亦即此时并不能实现化学能向电能的转化。 虽然实验的装置是陌生的，但是从电子的流动和溶液中离子迁移的分析中，学生还是找出了问题的症结：这就是上述装置中两烧杯间出现了断路。如何将两烧杯中的电解质溶液连接起来呢？
为此学生再次展开了他们的想象力：可以设计这样新的装置（见图12），在两烧杯中间钻个小孔，用导管将两烧杯中的电解质溶液连接起来；导管中可以填充棉花，既可以被两侧的电解质溶液浸润，同时也需要防止两侧的电解质溶液迅速地扩散混合；因为想象中刚刚将
从Zn片的周围推开！ 此时教师出示了一件有趣的小仪器，这是一个装有用KCl溶液浸润的琼脂的U形管（见图13）。将其倒插入两溶液之间，此时检流计立即出现偏转！重复，U形管拔出，检流计归零；U形管插入，检流计偏转！想象中的设计付诸实践以后获得成功，学生是喜悦的。
学生意想不到的是，在以上的观察、想象、讨论以及实践中，他们就已经迈上了人类探索原电池开发与利用道路的起点。19世纪三四十年代，丹尼尔电池的出现就是用来解决电池工作时能量转化效率的基本方法之一。虽然丹尼尔电池是以锌氢电池为原型设计的，但是丹尼尔电池构造出现的缘由以及丹尼尔电池设计中的思维过程，与今天学生所经历的是一致的。随后，学生在教师的引领下，一路看着人类开发利用原电池历程中的美丽风景。 四、在现实与历史的交互中发现化学电源研发中的多元选择 教师又提出了新的问题：当初步解决了原电池工作时的能量转化效率以后，人们关注的下一个问题将是……生活中繁多的电子产品，不可或缺的电池是学生再熟悉不过的了。为此他们很容易想到电池的耐用问题——也就是电池的电容量。 如何解决电池的电容量问题呢？ 从直觉上学生首先想到的就是将电池做大，亦即扩大电池的规模。这又几乎与历史上化学电源的发展过程不谋而合。19世纪初自化学电源诞生之日起，为提高电池的电动势、扩大电池的电容量，最早采用的就是用串联电池组的方法，这就是著名伏打电堆（伏打——意大利物理学家，见图15）。——这是从开放条件下（数量扩大）解决电容量问题的视角。
但是当我们使用手机、电脑等电子产品时，都希望产品向小巧、轻薄的方向发展，如何在质量和体积一定的条件下提高电池的电容量呢？——这是在限制条件下解决电池电容量问题的视角。 教师没有直接给出答案，而是提出了一个貌似游离的问题：等质量的短周期金属单质，分别与足量的酸反应，请将其按照放出
质量由多到少的顺序加以排列。 这曾经是化学学习中的经典习题，学生经过相关的计算和推理，发现上述问题似乎可以转换为以下的命题：当有1 mol电子发生转移，所需要金属的质量按由少到多的顺序进行排列。排序是如此有趣，自然就从短周期元素向长周期元素拓展开来（见图16）。
有没有比上述金属材料更轻的负极反应物？学生仔细思考以后，发现真是太有趣了，所谓上述命题的标志物—
，竟然就是摩尔质量与价电子数之比最轻的物质。 如果说金属Be是因为其他的一些因素不适合作为化学电源的负极材料，有其特殊的原因，那么当教师标注了使用相关金属作负极反应物的化学电源研制使用的年代以后（见下页图17），学生真是惊讶了！
没想到如此经典的、简单的习题背后，承载着如此重大的历史使命。如果说人们在化学电源的研发中，一个重要的主线就是寻找和追求单位质量电容量高的物质，那么一路走来，其历程就像蚂蚁寻路一样，虽历经曲折，但是最终逐渐走向高电容量物质的极限。 纵观人类研发化学电源的历史，还会有新的思考：为什么最早的化学电源的负极材料会选择Zn呢？虽然在实际生活中，确实可以感受到锂电池比铅酸电池轻便很多，但是铅酸电池依旧在动力车中广泛使用？为什么人们仍然会研制以Na、Mg、Al为负极材料的化学电源？ 虽然无法准确知道19世纪初西方工业生产发展的具体状况，然而一份2010年中国除产量最高的钢铁以外基本金属产量统计表（见表3），可以使我们初见端倪。
表3的数据至少说明金属资源在日常生活中的地位。在19世纪初，人们还不具备大量获得金属铝的能力，锌显然是最容易接触到的活泼金属，加之锌与酸反应时不温不火的性质，也许这就成为人们最初选择Zn来研制原电池的缘故。 随后研制的与Fe、Ni、Pb等金属材料有关的化学电源，显然在一定程度上都与金属资源有关。 如果我们能够了解各种化学电源的基本性能（见图18），就能够发现化学电源研制过程中不同的价值取向，造就了不同的化学电源研制的选择性。同时也就更能理解化学教材选择锌锰干电池（它代表着化学电源研制的起点，同时也是生活中广泛使用的碱性电池的原型）、铅酸电池（汽车是如此深入地影响着变革中的人们的生活方式，车载电源是不可或缺的一部分）、燃料电池（未来能源的发展方向）作为化学电源的代表加以介绍的意义之所在。
五、对实验的反思 在本节课的最后，教师再次向学生展示了这样一个实验：Zn粒与酸反应，向反应着的溶液中滴加几滴
溶液，Zn粒表面颜色变深，同时产生氢气的速率显著加快。熟悉的反应原理（当向溶液中滴加
溶液以后，Zn将优先与
发生置换反应，置换出的Cu附着在Zn表面）、切实的感受（反应速率显著加快），使学生可以深刻理解Zn与Cu形成的微小原电池有利于加快反应的速率。 反思能量转化中的对照实验，学生终于明白在A烧杯中Mg条用Cu丝夹持的意义不仅仅就是为了起固定作用，而是与在B烧杯中一样，Mg与Cu丝也构成了原电池，保持了反应速率的一致性（这也被实际的实验所证实）。 在费曼的故事中还有一个未曾叙述的隐情：费曼通过描绘蚂蚁回家的路径，就想象后面的蚂蚁之所以能够越来越直接地寻找到回家的路，是因为前面的蚂蚁可能分泌出某种物质，对后面的蚂蚁起到引领的作用。若干年以后这种物质被分离出来，人们称之为“信息素”。 回眸历史，虽然人类研制电池的征程是具体而曲折的，但是无论是后来者的继承，还是先行者的开拓，在化学学习或研究中都注重观察实验、富于想象、建立思维模型，这样人们就容易找到“最粗”的那条“回家的路”。在这里思维过程与思维模型就是人类活动中的“信息素”。
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