“化學能轉化為電能”教學設計中的不同選擇

　　摘 要： 本文以人民教育出版社《普通高中課程標準實驗教科書化學2（必修）》為藍本，對比“化學能轉化為電能”教學中各環節的不同處理方式，以期尋找一個較好的教學設計。
　　關鍵詞： 化學能轉化為電能 教學設計 處理方式
　　
　　1.情境創設方式
　　方式1：“地球一小時”活動視頻，展現活動發起的原因、傳遞的方式等→火力發電，分析討論火力發電原理、弊端→提出三個問題：能否將化學能直接轉變為電能，實現能源的清潔、高效利用？電能的產生需要電流，電流如何產生？哪類化學反應與電子移動有關？→提出本節研究主題“能否將氧化還原反應的化學能直接轉化為電能”。
　　方式2：正在觀看喜愛的體育比賽突然停電，想用收音機碰巧也沒有電池［１］，怎么辦→本節主題“能否利用身邊的物品制作電池［２］”→制作檸檬電池，使賀卡奏響音樂。
　　教學中兩種方式都受到了學生的歡迎。本節常規教學安排在4月初，“地球一小時”發生在每年的3月最后一個星期六，情境1體現了鮮明的時代特色，拉近了化學與學生的距離，從能量轉化角度處理化學電池（原電池）知識，也契合第二單元“化學反應與能量”的主題。情境2貼近學生生活，體育比賽，檸檬電池，從一開始就吸引了全體學生的注意力，通過檸檬電池的構造，很好地過渡到了電池共同結構的討論。
　　二者相比，情境1高屋建瓴地提出理論主題，一切圍繞它展開，每一個問題的解決都回饋主題，強化本節主干知識，但通過課下與學生交流發現整個體系理論性偏強，更適用于學優生。情境2主題設置更貼近學生，一切娓娓道來，學生最起碼不害怕這節理論課。
　　2.“火力發電”知識的呈現方式
　　方式1：同情境1。
　　方式2：解決了“如何利用身邊的物品制作電池［２］”的問題后，對比分析化學電池與火電中能量轉化的優缺點，再引出其他新的發電方式優缺點的課下討論。
　　二者相比，方式1過于強調火電弊端，給學生留下火電不好的印象。方式2幫助學生建立一個正確評價思想，全面正確認識各種新舊能源。還有一節課時間畢竟有限，方式2則拓展了學生學習知識的時間和地點。
　　3.化學電池構成條件、工作原理的呈現順序
　　方式1：同課本［３］。
　　方式2：分析不同的電池（課本［３］插圖2-11、2-12、2-15）得到電池結構的共性→利用材料自主構建原電池，比較得出化學電池構成條件，推理發現電池能產生電流的工作原理，最終解決本節主題。
　　人們認識事物總是從現象到本質，由表及里。當學生們通過自主構建原電池討論得出化學電池的構成條件后，自然會問到為什么這種裝置能產生電流。教師再幫助學生透過現象看本質，更符合學生的認知規律。
　　4.化學電池實驗的設計
　　4.1化學電池構成條件的實驗設計
　　實驗中均使用萬用表代替靈敏電流表測量電流。因為靈敏電流表量程小（常見0—30μA），測量時指針容易滿偏，不利于學生正確操作，而萬用表可以測量0—200μA的微弱電流，靈敏度高，能直接標示電流讀數；且萬用表有黑、紅兩個探針，若電流讀數為正，黑色探針碰觸的是電池負極，若為負值，黑色探針碰觸的是電池正極。
　　方式1：分組實驗，鋁絲、銅絲、鉛筆芯、塑料吸管、稀鹽酸、植物油、萬用表、導線。［４］通過討論，學生確定三個電極兩兩組合，再分別與鹽酸、植物油組成的可能電池組合數為12，利用萬用表測量該裝置有無電流，確定電極材料的特點、電解質溶液的作用，同時觀察電極表面有什么現象。
　　方式2：分組實驗，鐵釘、銅鑰匙、鉛筆芯、塑料吸管、檸檬、植物油、萬用表。操作同上。
　　方式3：分組實驗1，鐵釘、銅鑰匙、鉛筆芯、塑料吸管、檸檬，操作同上；分組實驗2，青霉素小瓶、硫酸銅溶液、植物油、鐵絲、銅絲、萬用表，用萬用表連接青霉素小瓶的鐵絲和銅絲，測量有無電流產生，再顛倒小瓶，測量有無電流產生（圖1［５］）。
　　方式4：分組實驗1，鐵釘、銅鑰匙、鉛筆芯、塑料吸管、檸檬、萬用表，操作同上；分組實驗2，濾紙條、鐵釘、銅鑰匙、鉛筆芯、稀鹽酸、食鹽水、稀氫氧化鈉溶液、植物油、萬用表，用眼藥瓶分別在相同電極組合的濾紙上滴加適量稀鹽酸、食鹽水、稀氫氧化鈉溶液、植物油，用萬用表測量有無電流產生。（圖2）
　　其中，方式1具有開放性，實驗結果令人欣喜，學生在長達20分鐘的時間內充分完成有關實驗探索，自然過渡到對鋁絲、銅絲、碳棒表面現象的探討，比較好地實現了設計初衷，但實驗整體有一定的操作難度與復雜性，在一節課里想充分討論化學電池構成條件與工作原理難度比較大。方式2中將稀鹽酸更改為檸檬等水果，操作難度降低，實驗速度有了比較大的提升，更好地體現了化學與生活的親密關系。方式3與方式4的亮點在與對電解質溶液的處理方式，前者結論唯一，后者需要學生討論如何設計實驗證明電解質溶液與非電解質溶液的區別，充分驗證各種類型電解質溶液的相同結論。
　　我比較喜歡方式2，既具生活化，又具開放性，給學生留有足夠的探討空間。
　　4.2鋅—鹽酸—銅原電池實驗設計
　　分組實驗，鋅粒、粗銅絲、導線、稀鹽酸、表面皿、萬用表。經學生討論得出，在表面皿中加入適量稀鹽酸，先用萬用表測量有無電流產生，再用導線接觸鋅粒與銅絲（鋅粒與粗銅絲不能接觸）（圖3），觀察實驗現象。
　　5.幾個值得探討的問題
　　5.1化學電池構成條件中電極材料的選擇
　　電極材料的選擇上，我沒有選擇相同金屬電極的組合，原因是在檸檬、稀鹽酸等酸性較強的電解質溶液中兩個相同的金屬電極也能產生微弱電流，因為兩個完全相同的金屬是不存在的。當然，我在這次優質課中也見過在蘋果中插入兩個鋅板靈敏電流表指針沒有偏轉，可能是因為蘋果汁中電解質濃度較低電流強度不大的緣故。
　　5.2化學電池工作原理的分析方法
　　通常習慣在分析時回避鋅極表面的氣泡，通過分析銅極表面的“氣泡”是氫氣（可以從溶液中各元素化合價升降的可能性分析）銅不可能失去電子給氫離子（有人更進一步分析銅極附近溶液不變藍可說明銅沒有失去電子），電子從何而來呢，只能是來自于鋅，從導線中有電流證明推測，并根據電子流動方向驗證。也有老師從氫離子得電子的難易程度分析為什么電子會沿導線從鋅到銅，進一步幫助學生理解這個過程。
　　在整節課的設計中我們一直利用萬用表確定電池的正負極，同時確定導線中電子的流向。在組內老師的幫助下，我最終確定了先得出鋅上的氣泡是氫離子直接在鋅表面得到電子，提出問題：鋅失去的電子是否被氫離子全部得到呢→你有什么實驗結果能證明你的猜測（電路中有電子從鋅流向銅）→鋅失去的電子分作兩份，一份由氫離子在鋅表面直接得到，另一份也由氫離子得到，不過是改在銅表面得到（圖4）。
　　這種分析明確了原電池能量利用率相對較低的一個原因，選修模塊4《化學反應原理》中引入“鹽橋”的設計也很容易理解，減少副反應，提高電子轉移的百分比（我驗證得到加入鹽橋后可使賀卡奏響音樂，而單純原電池則不能）。
　　而“化學電池是如何使氧化還原反應中電子轉移形成定向移動的呢”這個問題僅止步于課本提出的解決方法“化學電池將氧化反應和還原反應分別在兩個不同區域進行……”。而課下仍然有許多學生提到的是什么動力使電子發生定向移動，《化學概念與應用》［１］中就明確提出電極電勢差（電壓）的概念，個人也認為完全可以在講課中簡單提及，所以在課下作業欄中點明概念，以備學生檢索。
　　5.3興趣實驗度的把握
　　制作什么電池能使收音機響起來，是一個大問題。《趣味科學館》［２］中介紹了幾種鋁—鹽水—木炭電池，串聯后均可以使收音機正常工作（圖5）。我最終選擇了類似于干電池造型的第一幅圖例，將紙更換為紗布就可以重復多次使用。
　　也有老師提出實驗中鋁與碳，以及前面化學電池構成條件實驗中的銅與碳原電池原理超出本節所學，能用嗎？我認為，銅碳原電池得到的電池正負極結論與本節課的結論一致，鋁碳電池作為興趣拓展也有它存在的必要性，原理可在課下作業欄中簡單介紹“空氣電池”，引導感興趣的學生去解決自己的疑問。
　　參考文獻：
　　［1］［美］Phillips，J.S.等著.王祖浩等譯.科學發現者：化學概念與應用（下冊）［M］.杭州：浙江教育出版社，2008：619-639.
　　［2］［日］米村傳治郎主編.大澤幸子著.徐繼維等譯.趣味科學館［M］.北京：科學出版社，2007：64-67.
　　［3］宋心琦等.普通高中課程標準實驗教科書：化學2（第3版）［M］.北京：人民教育出版社，2007：39-45.
　　［4］李芳，唐樂天，楊捷.“化學能與化學電源——電池生電的奧秘”課例分析：教育部全國中小學教師繼續教育網.
　　［5］李勝榮，荊峰.“原電池原理及其應用”教學過程的設計與探析［J］.化學教學，2010，（03）：39-43.
　　 注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”