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视频标签：全国中小学实验教学
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视频课题：【视频实录+课件+说课稿】《原电池实验的深入探索——寻找自制理想电池的最优实验方案》全国中小学实验教学说课活动 佛山
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【视频实录+课件+说课稿】《原电池实验的深入探索——寻找自制理想电池的最优实验方案》2020年第8届全国中小学实验教学说课活动
高中化学·人教版选修四《化学反应原理》第四章
《原电池实验的深入探索》说课稿
佛山市顺德区李兆基中学 黎秀梅
一、 教材背景分析
（一） 教材分析
本节实验课在教材中没有直接呈现，以高二年级所使用教材（人教版 ）选修四《化学反应原理》第四章“电化学基础”中第一节第二节知识为基础，针对原电池应用而设计的实验改进探究课。本节实验课的内容在教材第四章的首页被指明其重要性——化学能与电能的相互转换则必须通过一定的装置。装置设计的合理性，对于能量的转换效率至关重要。因此，非常有必要开展这一节实验课。
同时，尽管已经接触了很多次单液原电池和双液原电池，但是并未真正从本质上理解为什么要引入双液原电池，仅仅停留在增强电池稳定性方面，而不知道U型管盐桥双液原电池的电流很小，并不具有实际应用意义。而且，第一节第二节内容均未介绍离子交换膜在电池中的作用，恰恰这几乎是近三年全国一高考卷电池装置中均涉及到膜。所以，通过本节课自制膜电池，可以补充教材中关于膜实验的空白。
（二） 学情分析
高二学生已掌握简单原电池的工作原理，具备初步设计简单实验的能力，但是对实际生活中带膜的化学电源、电解池、工业生产问题缺乏知识迁移能力，也就是缺乏科学创新思维和实验综合分析能力以及从宏观实验到微观探析的推理能力。因此，本节课对学生思维能力的培养非常有必要。
（三） 教评目标
l 教学目标：
① 通过对原电池实验的创新改进，加深对与原电池工作原理的认识，提高学生的设计实验能力和创新能力，发展科学探究与创新意识核心素养。
② 利用数字化实验仪器，将微观发生的反应可视化，结合数据曲线，初步形成分析推理、对比归纳能力，发展宏观辨识与微观探析核心素养。
③ 通过探究原电池如何提供稳定持续电流的过程，了解科学探究的步骤和方法。在自主探究与交流互动中，培养求真务实，勇于探索的科学态度。
l 评价目标：
① 通过对原电池工作原理的微观本质的讨论和点评，诊断并发展学生对原电池本质的认识水平（物质水平、微粒水平）。
② 利用数字化实验仪器对原电池性能水平的探究，发展学生数据分析能力以及实验探究设计水平（孤立水平、系统水平）。
③ 通过对原电池改进方案探究的讨论和点评，诊断并发展学生解决实际问题的能力水平及其对化学价值的认识水平（学科价值视角、社会价值视角、学科和社会价值视角）。
（四） 教法学法分析
l 学习重点：会发现分析原电池装置的不足，能根据原理对其进行创新改进
l 学习难点：利用数字化实验仪器，进行数据分析，得到实验结果
l 教学策略：POE教学策略（预测-观察-解释）、利用情景素材促进迁移化学习。
l 教授方法：创设真实的任务情境，引导学生批判性理解、体验式学习新知识。
二、 实验方案设计
（一） 问题的提出
根据课程标准以及深化教育改革的相关文件要求可知，需要学生会评价、懂设计、能应用，以此为指导思想对本节课进行设计，通过互动，启发，体验，合作探究式教学，运用现代技术，培养学生实践能力，综合素质与创新思维。
（二） 实验材料与药品
实验材料：“创易”数字化探究实验仪器（采集器、温度传感器、电流电压传感器）、自制小风扇、玩具车、自制琼脂块、电流表、导线、滤纸、玻璃片、夹子、阴离子交换膜、阳离子交换膜 (型号：HUAMOECH )
实验药品：铜片、锌片、KCl固体、CuSO4溶液、ZnSO4溶液
（三） 实验改进要点
“原电池实验的深入探索”实验教学旨在通过实验改进以及数字化实验技术的使用，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，即单液原电池、普通双液原电池、琼脂块双液原电池、离子交换膜电池，培养学生基于现象和数据的实验推理能力。
本实验的改进要点主要为：
1.创新琼脂块双液原电池，采用温度传感器和电流传感器直观的让学生感受到琼脂块双液原电池的效能高于U型管盐桥原电池。
2.创新膜电池，与滤纸相结合进行微型化实验改进，同时通过实验对比了阳离子交换膜、阴离子交换膜、双离子交换膜的电流变化曲线，更深入的体会到阴阳离子膜的作用。
（四） 实验方法
基于定性与定量两方面对实验效果进行实时评估：
l 定性：让原电池作为电源，观察小风扇的转动情况（快慢、持续性）进行初步分析。
l 定量：利用电压电流传感器、温度传感器，对原电池的工作效率进行评估。
（五） 实验内容
1. 探究分析两类基本原电池（单液、双液原电池）的优缺点；
2. 探究原电池高效化的创新改进（琼脂块双液原电池）；
3. 探究原电池高效化与微型化的创新改进（膜电池）；
4. 原电池的实际应用研究（氢氧燃料电池）。
三、 教学过程实施
（一）新课导入，任务驱动
【实验任务】设计一个微型原电池带动小风扇工作，请通过小组合作完成电池评价方案以及实验方案设计。
（二）实验探究，优化电池
【探究一】单液原电池的效能评估
【探究二】双液原电池的效能评估，单双液原电池优缺点分析
l 问题1：原电池是一个什么装置？
l 问题2：单液电池的优点、缺点是什么？
l 问题3：盐桥的作用？盐桥如何制作的？为什么双液原电池的电流会变小？（通过小组讨论，测电压，发现是内阻变大的原因，据此寻找改进措施）
【探究三】原电池高效化的创新改进（琼脂块双液原电池）
l 问题4：改进后的电池电流大、效率高，但用量大、不便携，能否设计出高效化与微型化的原电池？
【探究四】原电池高效化与微型化的创新改进（膜电池），探析膜电池工作原理
【探究五】原电池的实际应用研究
l 展示“质子交换膜”在氢氧燃料电池中的应用
【实验结果】
【实验结论】
①单液原电池电流大，但不稳定、能量转换率低；
②双液原电池稳定，具有较高的能量转换率，但电流很微小；
③改进后的琼脂块电池电流大、稳定、能量转化率高，但用量大，不便携；
④膜电池电流大、稳定、能量转化率高、用量小等优点，因此，本实验的最优电池为膜电池。同时发现，相同牌子的不同膜之间的电池效能没大差别。
（三）构建模型，提升素养
（四）实验拓展，课后研学
四、
教学评价反思
（一）
实验创新点与亮点
① 实验现象直观可视
采用温度传感器和电流传感器直观地让学生感受到电流大小、变化以及能量转化率，化抽象为直观。
② 学科融合，设计性能优异的电池
本实验设计融合了物理学科的电阻角度以及生物实验材料灵感，制备出琼脂块双液原电池和膜电池，且其在电流强度、稳定性、能量转化率等方面性能表现优秀。
③ 实验过程真实，实验数据准确
对实验全过程利用Camtasia Studio 8录屏软件录制，保证实验过程和数据的真实性。同时，数据处理简单、准确、直观、便于分析；实验重现性好，可重复多次数据采集。
④ 探究过程，外显化学核心素养
学生发现问题，设计实验，反思评价，不断修订，层层推进。完成探究活动，将学科素养外显。
（二）
实验效果评价
① 知识问题化
设计层层递进的问题，以问题引发学生思考“为什么要引入双液原电池”、“为什么要将离子交换膜引入电池中” 、”如何逐步设计改进优化电池？“，激发学生对所学内容的再思考与质疑，提出新的实验设想，并进一步验证，从而发展学生的核心素养。
② 认识本质化
如果实验创新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不应该提倡。本节课引导学生去探析微观过程中的离子移动，以及引导学生从物理电子导体电阻类推，逐步得出原因及改进措施。本节课以学生非常熟悉的单液原电池实验入手，引导学生思考更微观，更本质的思考问题，又避免解释物理化学的理论——双电层理论模型。
③ 学习积极化
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，学习也更加主动积极。
五、
参考文献
［1］ 马翠翠.手持技术数字化实验探究夹心式膜电池的创新改进［J］.化学教育（中英文），2020,41(7):64-70.
［2］ 杜爱萍.双液原电池盐桥的实验改进［J］.化学教与学，2019,(11):80-82.
［3］ 刘玲.基于滤纸的多电极原电池实验设计［J］.化学教学，2016,(9):49-50.
［4］ 盛晓婧.利用数字化手持技术探究原电池电流和温度的变化［J］.化学教育，2016,37(5):61-65.
［5］ 许国霞.原电池的微型化演示实验［J］.化学教育，2013,(8):62.
［6］ 蒋晓乾.许国霞.锌铜原电池中锌片上气泡的成因分析与实验改进［J］.化学教育（中英文），2020,41(5):101-102.
［7］ 孙晓琴.高中化学教学中微型实验的改进开发与实践研究［D］.内蒙古师范大学:2019.
附录：实验操作指南
实验一：单液原电池
1、组装电池并定性观察小风扇转动情况
l 向100mL小烧杯中加入适量CuSO
4溶液；
l 红导线一端连接好铜片，另一端连接好小风扇的红线；黑导线一端连接好锌片，另一端连接好小风扇的黑线；
l 插入到溶液中，注意不要短路，一位同学负责固定好不要移动，观察小风扇转动情况
2、数字传感器测温度、电流变化：
l 采集器一端连接电脑USB，另一端连接电流传感器
l 设置好收集时间（5分钟，右下角），点击页面的“快速实验”（左下角第一个）
l 实验期间可以根据实际情况改变横纵坐标的大小，便于观察数值；记录电流起始与结束变化值
l 把电流传感器换成“温度传感器”
l 把探头插入到锌片附近，注意不要接触到锌片；
l 设置好收集时间（5分钟，右下角），点击页面的“开始”（左下角第6个）
实验二、双液原电池
1、组装电池并定性观察小风扇转动情况
l 两个50mL小烧杯，一个加入CuSO
4溶液，另一个加入ZnSO
4溶液；
l 红导线一端连接好铜片，另一端连接好小风扇的红线；黑导线一端连接好锌片，另一端连接好小风扇的黑线；
l 铜片插入到CuSO
4溶液中，锌片插入到ZnSO
4溶液；插入盐桥；观察小风扇转动情况
l 换成电流表，测是否产生电流
2、数字传感器测温度、电流变化：
l 采集器一端连接电脑USB，另一端用一根网线连接“
微电流传感器”，另一根连接温度传感器，温度传感器探头放在锌片附近，同时测电流与温度的变化；
l 操作与单液原电池一样。
实验三、琼脂块原电池
1、组装电池并定性观察小风扇转动情况
l 同时往琼脂块的两端加入溶液，一端加入CuSO
4溶液，另一端加入ZnSO
4溶液；
l 红导线一端连接好铜片，另一端连接好小风扇的红线；黑导线一端连接好锌片，另一端连接好小风扇的黑线；
l 铜片插入到CuSO
4溶液中，锌片插入到ZnSO
4溶液；观察小风扇转动情况。
2、数字传感器测温度、电流变化：
l 采集器一端连接电脑USB，另一端用一根网线连接“电流传感器”，另一根连接温度传感器，温度传感器探头放在锌片附近，同时测电流与温度的变化。
实验四、膜电池
1、
制作膜电池
ü
单膜原电池操作：
l 准备好两片玻璃片分开放在桌面上，一片放铜片，另一片放锌片（金属片要注意留出三分之一在玻璃片外面，便于待会插导线）
l 准备两张滤纸，将滤纸折成瘦小长方形状，分别充分浸湿在CuSO
4溶液和ZnSO
4溶液，浸有CuSO
4溶液的滤纸放在铜片上面（不要超出玻璃片），浸有ZnSO
4溶液的滤纸放在锌片上面
l 把阳离子交换膜或者阴离子交换膜放在滤纸上面
ü
双膜膜原电池操作：
l 准备好两片玻璃片分开放在桌面上，一片放铜片，另一片放锌片（金属片要注意留出三分之一在玻璃片外面，便于待会插导线）；
l 准备三张滤纸，将滤纸折成瘦小长方形状，分别充分浸湿在CuSO
4溶液、ZnSO
4溶液KCl溶液中，浸有CuSO
4溶液的滤纸放在铜片上面（不要超出玻璃片），浸有ZnSO
4溶液的滤纸放在锌片上面；
l 把阳离子交换膜放在浸有CuSO
4溶液滤纸上面，把阴离子交换膜放在浸有ZnSO
4溶液滤纸上面；离子交换膜中间放浸有KCl溶液的滤纸；
l 两块玻璃片叠在一起，用夹子夹好。
2、观察小风扇转动情况
l 红导线一端连接好铜片，另一端连接好小风扇的红线；黑导线一端连接好锌片，另一端连接好小风扇的黑线；观察小风扇转动情况。
3、数字传感器测电流变化：
l 采集器一端连接电脑USB，另一端用一根网线连接“电流传感器”，测电流变化。
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
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