第六届全国中小学实验教学说课_原电池的传承与发展_江苏

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视频课题：第六届全国中小学实验教学说课_原电池的传承与发展_江苏

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2018年第六届全国中小学实验教学说课_原电池的传承与发展_江苏

原电池的传承与发展
一、使用教材
人教版化学选修4《化学反应原理》，第四章第一节《原电池》
二、实验器材

类别	名称
专用装置	自制柱形盐桥电池自制离子交换膜电池
药品	0.5mol/L ZnSO₄溶液 0.5mol/L 稀硫酸
器材	饱和氯化钾溶液浸泡过的琼脂盐桥 Zn片 Cu片导线检流计电流传感器

三、实验创新要点/改进要点
“原电池的传承与发展”实验教学旨在通过实验改进以及电流传感器的使用，让学生理解原电池发展的自然科学历程。本创新设计共有四组对照实验，即普通原电池电池、U形管盐桥电池、柱形盐桥电池和离子交换膜电池。我们专门设计，并组装了新的实验装置，同时结合电流传感器的使用。该创新实设计方案能解决如下问题：
①可控制两电极间距离（虽电池形状不同，但电解质溶液浓度相同，两极间距离可控制相同）。
②方便添加电解质溶液。
③及时观察并监测电池的电流大小。

图1 自制柱形盐桥电池图2自制离子交换膜电池
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图3拆开的聚合物锂离子电池（白色的锂离子交换膜）图4课堂教学
四、实验原理/实验设计思路
教学活动以原电池工作原理为基本实验原理，结合原电池的发展过程：普通原电池→盐桥电池→离子交换膜电池，实验教学中设计了如下教学思路：

五、实验教学目标
（一）知识目标
1．了解原电池的工作原理。
2．认识到电极反应、电极材料、离子导体、电子导体是原电池体系的基本要素，重点掌握离子导体的构成和原理。
（二）方法目标
1．通过原电池的组装，体验化学能转化为电能的实验探究过程。
2．能够从能量转换效率的角度考虑原电池的发展，利用对微观过程的想象力理解双液电池。
3．能够发挥类比思维理解离子交换膜的引入。
（三）素养目标
1．培养宏观辨识与微观探析素养：能分析物质化学变化和伴随发生的能量转化与物质微观结构之间的关系。
2．培养科学探究与创新意识素养：能对实验中的“异常”现象和已有结论进行反思、提出质疑和新的实验设想，并进一步付诸实施。
六、实验教学内容
（一）实验1：锌片放入稀硫酸中的现象，写出离子方程式，标出电子转移。
思考与交流：锌失电子是因为H⁺的存在吗？
（二）实验2：讨论Zn-Cu-稀硫酸原电池，寻找其缺陷之处。
（三）实验3：用0.5 mol/L稀硫酸、Cu片、Zn片和U形管盐桥组装盐桥电池，从能量转换效率理解使用盐桥的意义。
（四）实验4：用电流传感器监测实验2和实验3两电池的电流大小。针对盐桥电池电流变小这一现象进行反思，提出质疑和新的实验设想。
（五）实验5：教师演示横截面积增大、长度变短的柱形盐桥电池，测量其电流大小。检验探究方案是否合理。
（六）实验6：教师演示离子交换膜电池，测量其电流大小。检验探究方案是否合理。
七、实验教学过程

教学环节	教师活动	学生活动	设计意图
新课引入	【实验演示】选用实验用品：锌片，铜片，0.5mol/L稀硫酸，0.5mol/L硫酸锌溶液【要求】锌片放入稀硫酸。描述实验现象、写出反应的离子方程式，用单线桥标出电子转移的方向和数目。【提问】是因为H⁺存在Zn才失电子的吗？反过来，没有H⁺，Zn就不会失电子吗？【提示】Zn放入ZnSO₄溶液中，Zn有溶解进入溶液中的趋势，Zn失去的电子留在了Zn片上，电子带负电荷，溶液中的Zn²⁺受负电荷的吸引作用又重新沉积在锌片上，形成一个沉积溶解平衡。再滴入稀硫酸： H⁺夺走Zn失去的电子，促使Zn的沉淀溶解平衡正向移动，锌不断溶解。所以H⁺的存在不是Zn失去电子的原因，而是破坏锌的沉积溶解平衡，促进Zn不断失电子。【提问】Cu片放入CuSO₄溶液中呢？【提示】研究发现，金属的沉积溶解平衡：金属越活泼溶解趋势越大，金属越不活泼，沉积趋势越大。【提问】当把Zn片和Cu片用导线相连放入溶液中呢？如果放入CuSO₄溶液中呢？ Cu²⁺得电子在Cu片上不断沉积，促使Zn不断失去电子，电子通过导线从Zn向Cu片整体迁移，导线中电流方向由Cu到Zn，溶液中电流方向（正电荷的移动方向）由Zn到Cu，自此构成一个完美的闭合回路。【提问】当把CuSO₄换成稀H₂SO₄呢？	【实验1】锌片溶解变细，有大量气泡产生。【学生讨论】应该是的吧，不然呢？学生根据前面的解释想到Cu也存在沉积溶解平衡：学生经过前面的分析回答H⁺得电子在Cu片上变成H₂，促使Zn不断失去电子，电子通过导线从Zn向Cu片整体迁移，导线中电流方向由Cu到Zn，溶液中电流方向（正电荷的移动方向）由Zn到Cu，自此构成一个闭合回路。	从学生非常熟悉的实验入手，引导学生思考更微观，更本质的问题。巧妙地避开大学化学的名词——双电层理论模型。引导分析从学生所学过的化学平衡角度，让学生在毫无压力的情况下接近科学本质。
环节一普通原电池优缺点探析	【实验】实验用品：烧杯三个，锌片和铜片，0.5mol/L稀硫酸，0.5mol/L硫酸锌溶液 $H3{D_983ZDO`WD9IFV3YC7K$ 【提问】观察铜锌原电池，电子转移到铜片，铜片上有气泡产生，但是再观察锌片。【提问】为什么锌片上还有大量气泡？从微观角度分析。【提示】有气泡说明H⁺在锌片上得电子变成H原子进而结合成H₂，同时也说明电子没有全部通过导线，化学能与电能的能量转换效率较低，这就是普通原电池的缺陷。 $5KWRG{$_{HQEG(_QRS2$CR7$ 【问题延伸】如果将锌丢失的电子尽可能多的甚至全部从外电路流过，原电池能量转换效率就将提高。怎么才能做到这点呢？【提示】如何将锌与氢离子分隔开？想象有一只无形的“手”将溶液中的氢离子都从锌周围“推开”并推向另一个烧杯中，同时锌放入硫酸锌溶液中。此时是断路。然后架起一个联通两烧杯的桥梁——“盐桥”。检流计偏转。	【实验2】 1.组装普通铜锌原电池。 2.学生观察发现锌片上仍有大量气泡产生。【学生讨论】【学生讨论】【实验3】学生拿出两个烧杯，分别把锌片放入硫酸锌溶液，铜片放入硫酸铜溶液中。接入检流计，发现无偏转。放入盐桥，检流计偏转。	通过重新审视锌片与稀硫酸的反应分析，学生应该学会从微观角度来思考问题。引导学生从电流效率的角度，充分发挥想象力来解决锌片上有气泡的问题。
环节二盐桥电池的优缺点探析	【提示】盐桥是一个装有用饱和KCl溶液浸泡过的琼脂的U形管。琼胶是含水丰富的一种冻胶，离子在其中既可以运动，又能够起到固定作用。实验用品：烧杯两个，盐桥一个，锌片和铜片，0.5mol/L稀硫酸，0.5mol/L硫酸锌，导线，电流传感器，电压计。【盐桥电池的工作原理】 Zn失去电子，生成的Zn²⁺溶入ZnSO₄溶液中，导体中电子在电场作用下向Cu片整体迁移，H₂SO₄溶液中的H⁺在Cu片表面得到电子，产生H₂。右侧H₂SO₄溶液中因H₂的析出造成的正电荷的缺失，会引发U形管中的K⁺向H₂SO₄溶液中迁移，U形管中正电荷的缺失，以及左侧ZnSO₄溶液因Zn²⁺的溶入造成正电荷的富余，会使Zn²⁺迁移入U形管并向右侧烧杯迁移，形成闭合回路。【提问】从理论分析发现，盐桥电池的能量转换效率提高了很多，那是不是电流也相应大一些？【实验测量】测量发现，与想象相反，盐桥电池的电流不但没有更大，反而与普通原电池还小了很多。【提问】为什么电流很小？什么原因造成的？学生讨论，非常容易联系到欧姆定律：I=U/R，并主动要求测量电池电压。【提问】两电池电压相差不大，那么电流差距很大的原因就只能是盐桥的电阻太大了。那么该如何减小电阻？由导体电阻与材料的关系：R=ρL/S 对于电子导体，材料一定时，横截面积越大，长度越短，则导体电阻越小。【类比思维】盐桥属于离子导体，类比电子导体，思考能否增大盐桥横截面积，缩短盐桥长度，来减小盐桥的电阻？【提问】同学们的实验改进思路是合理的。那么能不能让盐桥长度更短即更薄一些？	【学生讨论】盐桥电池如何形成闭合回路？【实验4】 1.学生测量盐桥电池的电流。 2.学生测量普通原电池的电流。【学生讨论】盐桥电流变小的原因，联想到欧姆定律。 3.测量两电池电压。【学生讨论】学生很容易联想电子导体电阻与材料的关系；类比电子导体思考如何减小离子导体的电阻。【实验5】教师演示横截面积增大、长度变短的盐桥电池（自制柱形盐桥电池）并测量其电流大小来检验学生的方案是否合理。	从微观角度分析盐桥的作用原理，体会离子导体盐桥引入的精妙。但是测量电流发现盐桥电池电流太小，引发认知矛盾，通过欧姆定律分析电流变小的原因。由电子导体电阻与材料的关系类比思考如何减小离子导体盐桥的电阻。
环节三理解离子交换膜电池工作原理	【提示】科学家在后来的研究中发现了离子交换膜，由于膜的结构特性而将其应用在了电池中。离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。【离子交换膜电池的工作原理】本节课所用的阴离子交换膜，只允许阴离子通过。左侧ZnSO₄溶液中因Zn²⁺的溶入造成正电荷的富余，同时右侧溶液中因H₂的析出造成的负电荷的富余，会引发右侧SO₄^2-通过阴离子交换膜向左侧迁移，从而形成闭合回路。【提示】科学家后来制备了各种离子交换膜，而且发现同一种材料构成的膜，越薄其电阻越小。离子交换膜，不可以看做是横截面积变大，长度变短的盐桥吗？【提问】离子交换膜的电阻是否更小呢？我们测量电压和电流。发现实验结果符合我们的猜想。【展示】教师展示锂离子电池的内部构造，理解离子交换膜在电池中的真实应用。	【实验6】 1.教师演示离子交换膜电池并测量其电流大小来检验学生的方案是否合理。 2.用电压计测量其电压。	将学生认为离他们很遥远的离子交换膜电池带到他们眼前，会让学生感觉很真实，从而感觉先进的科学理论可以学到也可以应用。
总结	同学们，今天我们先通过实验，发现普通原电池的缺陷，然后想象自己有一只无形的手将H⁺全部推离开锌片到另一个烧杯中，从而理解了引入盐桥的必要性和巧妙性。又通过实验发现盐桥电池的电流太小，电阻太大，通过类比电子导体的电阻影响因素，对于离子导体，能否扩大盐桥横截面积，缩短盐桥的长度来减小盐桥电阻？从而理解了科学家在电池中引入离子交换膜。原电池还会有怎样的发展？创造力是在解决问题的过程中产生的，希望同学们能够去发现问题、解决问题，充分发挥你们的创造力，为推动化学科学的发展贡献自己的一份力量！	总结今天所学，帮学生进一步建立对原电池的系统分析思路，提高学生对原电池本质的认识，并对学生提出希望。	希望通过本节课提高学生对科学的兴趣，让学生觉得自己将来也完全有可能为化学电源的发展贡献一己之力。

八、实验效果评价
围绕原电池的传承与发展这一主线，本节课紧紧抓住八个字“守正出新，注重理解”。既有实验创新又有理论创新。实验和理论是推动化学学科向前发展的两大工具，同时也是学生对化学认识不断向前推进的工具。在实验方面，从锌片放入稀硫酸的小实验微观本质的分析到普通铜锌原电池，又从普通原电池过渡到盐桥电池，从盐桥电池过渡到离子交换膜电池，还展示了锂离子电池的内部的膜结构，把看起来很遥远的离子交换膜电池带到学生面前，让学生感觉前沿科技并不是遥不可及。
如果单纯地实验创新而没有挖掘实验背后的价值——帮助学生理解科学本质，那么这样的实验创新便是无本之末，不应该提倡。实验不是目的，如何利用实验推动学生对化学的认识和思维的发展才是更重要的。学生对微观世界的想象力不可缺少，因此引导学生去想象微观世界所发生的过程是非常必要的，这也是本节课以一个学生非常熟悉的实验入手，引导学生思考更微观，更本质的问题，但是又巧妙地避开大学化学的名词——双电层理论模型。而是从学生所学过的化学平衡的角度入手，使学生在毫无压力的情况下接近科学本质。这就是本节课的理论创新点。
接着设计层层递进的问题，以问题引发学生思考“为什么要引入盐桥电池”“为什么要将离子交换膜引入电池中”，引导学生对实验中的“异常”现象进行反思、提出质疑和新的实验设想，并进一步付诸实施，从而紧扣课程标准，并将化学思维和核心素养紧密契合。另外还注重给学生留下思维发展的空间——“原电池还将向怎样的方向发展？”真实的实验操作以及发现问题、解决问题的体验都会给学生带来信心，他们会觉得自己也完全有能力为电池的发展做出自己一份贡献。

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