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视频标签：第8届全国中小学实验
所属栏目：高中化学说课视频
视频课题：【视频+课件+说课稿】《基于传感技术的原电池教学改进》第8届全国中小学实验教学说课活动 西安
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【视频+课件+说课稿】《基于传感技术的原电池教学改进》2020年第8届全国中小学实验教学说课活动 西安市经开第一中学 王海利
基于传感技术的原电池教学改进
一、使用教材
人民教育出版社高中化学选修4《化学反应原理》第四章第一节原电池。
二、实验器材
（一） 实验仪器：医用输液器、医用10ml注射器、烧杯、脱脂棉、滤纸、餐巾纸、U型管、导线、电压传感器、温度传感器、电流传感器、微电流传感器、发光二极管。
（二）实验材料：铜片、锌片、硫酸锌、稀硫酸、玻璃纸、鱼鳔、鸡蛋、橘子、
浓盐酸、硬币（1元和5角）。
三、实验改进要点
（一）利用数字化实验探究仪——捕捉宏观现象背后的微观本质。利用电流、电压、温度传感器对比分析单液原电池、双液原电池的优缺点，直观展示单液原电池能量转化率低、电流、电压均不稳定，难以控制，实用性不大；双液原电池电流电压稳定可控，但是由于内阻太大，电流太小。
（二）让学生通过设计探究实验，寻找生活中的常见的材料——滤纸、脱脂棉、餐巾纸代替琼脂，进行盐桥实验，拓展学生的科学思维能力。同时，组织学生进行合作交流，设计探究，改进双液盐桥电池，制作纸张电池，为膜电池的引入打下基础。利用生活中的橘子瓣膜既可以分隔溶液，又可以传导离子，引入隔膜电池，利用玻璃纸、鱼鳔、蛋膜等半透膜做隔膜电池，最后让学生利用生活中的一元五角硬币，设计隔膜硬币电池。
（三）由于玻璃纸、鱼鳔、蛋膜作为电池隔膜不好固定，利用输液器滴斗自制了实验改进装置，既可以分隔溶液，防止短路，提高能量利用率，又方便试剂的添加，电极的插入，剂量小，实验现象明显，效果好。
四、实验设计思路
整个教学活动以原电池原理、氧化还原反应原理为基本实验原理，结合电池的发展——“单液原电池→双液盐桥电池→膜电池”的线索，在实验教学中设计了如下教学思路：
数字实验、创设情境（发现问题）→拓展思维、盐桥改进（解决问题）→橘子瓣膜、引发思考（隔膜电池，拓展探究）→联系生活、学以致用（硬币电池，应运而生）。
五、实验教学目标
（一）宏观辨识与微观探析
通过对比观察单液原电池、双液原电池正负极的现象，让学生从宏观和微观相结合的视角进行讨论、分析、思考产生这些现象的原因。
（二）证据推理与模型认知
借助于数字化实验，通过单液原电池、双液原电池、瓣膜电池一系列的探究实验，培养学生的证据意识，能基于证据提出可能的假设，通过分析推理实验验证，建立认知模型，运用模型解释现象和规律。
（三）科学探究与创新意识
通过引导让学生发现并提出有价值的问题，从问题和假设出发，依据探究目的设计探究方案，认识到科学探究是进行科学解释、发现、创造和应用的重要实践活动，鼓励学生勤于实践，善于合作，敢于质疑，勇于创新。
（四）科学态度与社会责任
通过实验过程，培养学生严谨求实的科学态度。利用生活中的废旧材料自制实验装置，培养学生节约资源，绿色低碳的生活态度。体会化学来源于生活，服务于生活。
六、实验教学内容
本节课是必修化学2第二章“化学能与电能”为基础，进一步介绍原电池的组成和工作原理，通过对原电池中闭合电路形成过程的分析，引出半反应、盐桥、内电路、外电路等概念，帮助学生对电化学研究和应用范围形成一个概貌性的认识。
利用生活中的橘子、鱼鳔、蛋膜、餐巾纸及实验室常见的玻璃纸、滤纸为材料，用输液器滴斗改装自制实验装置和现代化技术传感器，探究单液原电池与双液原电池的优缺点，同时引导学生从单液电池、双液电池过渡到膜电池，引领学生科学思维的发展，培养学生的科学探究与创新意识及严谨求实的科学态度。
七、实验教学过程
（一）
数字实验，创设情境
（1）利用数字化实验探究仪—温度传感器，比较单液原电池和双液原电池，同一时间，温度的变化规律。
通过实验可以观察到：单液原电池温度升高，双液原电池温度基本不变，说明单液原电池有一部分化学能转化成了热能，能量的利用率低。
（2）利用数字化实验探究仪—电压传感器，比较单液原电池和双液原电池，同一时间，电压的强度和稳定性。
通过实验可以观察到：单液原电池电压低，而且很快衰减，双液原电池电压高且稳定，说明双液原电池的稳定性和实际应用的可控性。
（3）利用数字化实验探究仪—电流传感器，比较单液原电池和双液原电池，同一时间，电流的强度和稳定性。
图1 单液原电池和双液原电池电流对比（盐桥大U型管）
图2 单液原电池和双液原电池电流对比（盐桥小U型管）
通过实验可以观察到：双液原电池可以持续提供稳定的电流，但是强度不大。同时电流的强度与盐桥的大小口径都有关系，U型管越小，电流强度越大，推测原因可能是大U型管内电路太长电阻太大。
总结：单液原电池能量转化率低、电流、电压均不稳定，难以控制，实用性不大；双液原电池电流电压稳定可控，但是由于内阻太大，电流太小，而且琼脂盐桥的制作麻烦，浪费试剂。
（二）
拓展思维，改进盐桥
学生查阅资料，小组合作讨论，学生找到了生活中的常见材料——脱脂棉、餐巾纸、滤纸代替盐桥，并设计了两种实验装置进行实验。通过实验证明，这三种材料的使用，微电流传感器数据稳定，实验效果很好。
装置一如图3所示：
图3中分别为脱脂棉、滤纸、餐巾纸为盐桥时的电流强度曲线
装置二如图4所示。
图4中表面皿中为脱脂棉、滤纸、餐巾纸为盐桥时的电流强度曲线
通过实验，可以看出，利用生活中的脱脂棉、餐巾纸、滤纸为原料制作盐桥，制作简单，取材方便，电流强度大且稳定，效果明显，方便学生分组实验。
通过学生的改进，我们发现滤纸、餐巾纸等这薄薄的一层盐桥，其电流强度和单液电池几乎相当，那我们能否找到一些更好的隔膜呢？既可以分隔溶液和电极，不造成短路，提高能量的转化率，又能降低内阻增大电流呢？
（三）
橘子瓣膜，引发思考
将锌片和铜片同时插入一瓣桔子中，有电流通过；将锌片和铜片分别插在两瓣桔子中，没有电流通过；将锌片和铜片分别插在两瓣桔子中，将两瓣桔子合并，有电流产生，引入膜电池。
通过查阅资料，与生物老师进行交流，我们知道了玻璃纸、鱼鳔、蛋膜等都是半透膜，但是这些材料不太好固定，于是我们利用生活中的材料输液器自制了实验装置，进行实验，发现电流计指针偏转很明显。
图5 输液器自制的双液膜电池，半透膜分别是玻璃纸、鱼鳔、蛋膜
我们知道生物膜的透过性与膜上的离子通道有关，一般情况下，离子通道中的电闸门通道往往是关闭的，但是受到电刺激（电势差)后会立即打开，大量相关离子会顺离子浓度梯度迅速通过。我们使用的锌片和铜片就是两个不一样的电极，产生了电势差，快速打开了离子通道的电闸门，于是这些半透膜在电池中就起到了隔膜的作用。
通过实验，我们发现玻璃纸、鱼鳔、蛋膜等作为隔膜，既可以分隔溶液，离子传导能力强（微电流数值均在6uA左右），这些隔膜电池，安全无毒，无污染，与我们现在使用的锂离子聚合物隔膜电池工作原理类似，可以很好的帮助学生理解并掌握隔膜电池。
（四）联系生活，学以致用
通过以上的实验探究过程，同学们体会到了实验探究的乐趣，极大的激发了学生的学习热情，我让学生寻找生活中的材料设计电池，硬币电池应运而生了。学生利用生活中常见的硬币（1元和5角），由于他们的颜色不一样，通过查阅资料，知道了一元硬币材质主要是钢芯镀镍，五角硬币的材质是钢芯镀铜，于是他们利用是氯化铵和氢氧化钾为电解质溶液，玻璃纸为隔膜，设计了隔膜硬币电池，产生了微弱的电流，点亮了红色二极管，极大的激发了学生的学习兴趣和成功感。
八、实验效果评价
（一）直观
通过数字化实验动态的解释了学生难以理解的单液、双液电池电压、电流、溶液温度的变化，改变了学生的认知观念，思维方式，让学生能从宏观的现象与微观粒子的性质解释实验中的问题，引导学生发现带“盐桥”的原电池在结构的紧凑型和实用性角度也存在不足，进而升级为“离子交换膜”，在学生设计的一系列探究活动中，培养了学生的科学探究能力和创新意识，让学生的思维有一个质的飞跃。
（二）严谨
这节课中，以实验事实设疑，又以实验事实释疑，每一个实验，每一个数据，都必须一一对应，在这个过程中培养学生严谨求实的科学态度。让学生从直观，生动的实验中发现问题，引导学生进行推理和分析，在探究活动中让学生参与到动眼观察，动手操作，动口表达、动脑思维等一系列活动，改变了部分学生的学习方法和思维习惯，引导学生知道科学研究的过程，科学家就是从本节课起步，慢慢一步一步成长起来的。
（三）创新
这节课中利用废弃输液器滴斗自制实验器材，方便半透膜的固定，电极的插入，密封性好，组装便捷、省时省力。输液器软管本身透明，便于观察实验现象，同时具有一定的形变空间，可以适应生成气体等瓶内压强变化。学生利用硬币自制的隔膜电池点亮了红色二极管，极大激发了学生的学习兴趣和成功感。
（四）转变
本节课中最大的亮点，就是转变学生的思维方式，转变偏差认识，建立了证据意识，让学生能够基于证据提出合理的假设，建立观点、证据和结论三者之间的逻辑关系。学生通过一系列的探究实验，认识到了要形成电池，必须得有电势差，还得电流电压稳定可控，电流强度及电容量还得大，提高了学生对电化学本质的认识。
王海利，西安市经开第一中学，13572537240,37895248@qq.com。
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