引導實驗探究，滲透科學歷史

摘要：在《原電池》一課的教學中，引導學生通過經(jīng)歷假設(shè)與猜想、設(shè)計實驗方案、進行實驗操作、觀察并分析實驗現(xiàn)象、得出結(jié)論、應(yīng)用結(jié)論解決問題的過程，學習原電池的概念、工作原理、構(gòu)成條件等知識，掌握科學探究方法，提高科學探究能力；通過分組實驗，培養(yǎng)觀察能力與分析能力，提高與他人交流、合作的能力；通過實驗探究和化學史學習，體會科學探究的艱辛過程與成功喜悅，進一步激發(fā)學習化學的興趣和信心。

關(guān)鍵詞：原電池教學設(shè)計實驗探究科學史

《原電池》是人教版高中化學必修2第二章第二節(jié)《化學能與電能》的第一課時。對此，筆者設(shè)定的教學目標為：（1）認識原電池概念，理解原電池工作原理，了解構(gòu)成原電池需滿足的條件。（2）從電子轉(zhuǎn)移角度理解化學能向電能轉(zhuǎn)化的本質(zhì)。（3）通過制作簡易原電池的實驗，學習實驗研究的方法。其中的教學難點在于：從電子轉(zhuǎn)移角度理解化學能向電能轉(zhuǎn)化的本質(zhì)。

為此，筆者設(shè)想的教學思路為：引導學生通過經(jīng)歷假設(shè)與猜想、設(shè)計實驗方案、進行實驗操作、觀察并分析實驗現(xiàn)象、得出結(jié)論、應(yīng)用結(jié)論解決問題的過程，學習原電池知識，掌握科學探究方法，提高科學探究能力；通過分組實驗，培養(yǎng)觀察能力與分析能力，提高與他人交流、合作的能力；通過實驗探究和化學史學習，體會科學探究的艱辛過程和成功喜悅，進一步激發(fā)學習化學的興趣和信心。具體教學過程與分析如下：

一、設(shè)計傳統(tǒng)實驗，形成原電池的概念，探究原電池的工作原理

師上節(jié)課我們學習了化學能轉(zhuǎn)化為熱能。生活中還有一種隨處可見的能量形式，那就是電能。本節(jié)課讓我們一起來學習化學能是如何轉(zhuǎn)化為電能的。產(chǎn)生電能就意味著產(chǎn)生了電流，也就是存在著電子的定向移動，那么我們學過的哪一類化學反應(yīng)中存在電子的移動？

生氧化還原反應(yīng)。

師非常好，今天我們就以同學們非常熟悉的一類氧化還原反應(yīng)——金屬與酸的反應(yīng)——為例，一起來學習和研究化學能是如何轉(zhuǎn)化為電能的。（稍停）如果我們將Zn片和Cu片同時放入稀硫酸中，兩者不接觸，將會看到什么現(xiàn)象？為什么？

生Zn片上產(chǎn)生氣泡，Cu片上沒有氣泡，因為在金屬活動性順序表中，Zn排在H的前面，可以置換出酸中的H，而Cu排在H的后面，不可以置換出酸中的H。

師通過前面的學習我們知道Zn片上發(fā)生的反應(yīng)為Zn失去電子生成Zn2+，H+獲得電子生成H2。（稍停）如果我們用一根導線將稀硫酸中的Zn片與Cu片連接起來，將會看到什么現(xiàn)象呢？請大家分小組一起來探究一下。

（學生完成實驗①：在盛有稀硫酸的小燒杯中同時加入Zn片和Cu片，兩者不接觸，觀察實驗現(xiàn)象。實驗②：用導線將稀硫酸中的Zn片與Cu片連接起來，觀察實驗現(xiàn)象。）

生沒有導線連接Zn片和Cu片時，只有Zn片上產(chǎn)生氣泡，而用導線連接Zn片與Cu片后，Zn片和Cu片上均產(chǎn)生了氣泡。

師Zn片上的氣泡我們后面再討論，那么Cu片上的氣體是什么？

生應(yīng)該是H2。

師Cu片上的氣體是H2，說明H+在Cu片上獲得電子生成H2，那么所需的電子從何而來呢？

生Cu片上的氣泡是在Zn片與Cu片用導線連接后產(chǎn)生的，所以電子應(yīng)該是從導線上轉(zhuǎn)移過來的。

師如何通過實驗證明Zn片上的電子通過導線轉(zhuǎn)移到了Cu片上？

生接入電流表，檢測是否有電流產(chǎn)生。

師好的。請大家用電流表開始檢測。

（學生完成實驗③：用接有靈敏電流計的兩根導線分別接觸稀硫酸中的Zn片和Cu片，觀察實驗現(xiàn)象。）

生電流表發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，指針向Cu片方向偏轉(zhuǎn)。

師電流表指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，說明Zn片上的電子確實通過導線轉(zhuǎn)移到了Cu片上，電子的定向移動產(chǎn)生了電流。從能量變化的角度來說，該裝置中化學能轉(zhuǎn)變成了電能，我們把這樣的裝置叫作原電池。

（板書“一、概念：將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置”。）

師下面我們一起來分析總結(jié)一下Zn—Cu原電池的工作原理。

[板書“二、工作原理：鋅片：Zn-2e- =Zn2+ （氧化反應(yīng)）；銅片：2H++ 2e- = H2↑（還原反應(yīng)）；總反應(yīng)：Zn+2H2e-+=Zn2++H2↑”。]

[設(shè)計意圖：通過設(shè)計三組探究實驗，引導學生仔細觀察和分析實驗現(xiàn)象，了解原電池就是將氧化還原反應(yīng)的化學能轉(zhuǎn)化成電能的裝置；并通過分析原電池的工作原理，教會學生書寫電極反應(yīng)式和總化學反應(yīng)方程式。]

二、引入數(shù)字化實驗，體會原電池中的能量轉(zhuǎn)換

師可以看到Zn—Cu原電池的總反應(yīng)與Zn與稀硫酸的直接反應(yīng)化學方程式是完全一樣的，那么從能量轉(zhuǎn)換的角度來看是不是也是相同的呢？今天我們將采用一種先進的測量裝置——傳感器——來測定兩個不同反應(yīng)體系中的溫度變化，從而得到兩種反應(yīng)體系的能量轉(zhuǎn)化。

[投影介紹傳感器原理：傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息（如溫度、電流、電壓、氣體含量等），并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)變成電信號或其他所需形式的信息輸出；如果將這些信號傳輸給電腦，在一定軟件的處理下，可以繪制出這些信息隨時間變化的函數(shù)曲線。演示實驗：用傳感器測定實驗①和②中體系的溫度變化，并展示結(jié)果，如圖1。]

師曲線0是Zn與稀硫酸的直接反應(yīng)時體系的溫度—反應(yīng)時間曲線，曲線1是Zn—Cu原電池體系的溫度—反應(yīng)時間曲線。我們可以清楚地看到，Zn與稀硫酸直接進行的氧化還原反應(yīng)時體系的溫度比Zn—Cu原電池體系的溫度上升得快，說明前者的化學能主要轉(zhuǎn)變成了熱能，后者的化學能主要轉(zhuǎn)變成了其他形式的能量——電能。

[設(shè)計意圖：通過引入高中化學教學中沒有的傳感器實驗，讓學生體會不能直接感受到的原電池反應(yīng)中的能量變化，即原電池在放電時，不是像普通氧化還原反應(yīng)那樣，化學能大部分轉(zhuǎn)換成熱能，而是化學能大部分轉(zhuǎn)化成電能。]

三、分析反應(yīng)過程，研究原電池的構(gòu)成條件

師如果我們以稀硫酸的液面為分界線，液面以上部分稱作外電路，以下部分稱作內(nèi)電路，請討論此Zn—Cu原電池中的電子流向是怎樣的。

生外電路中，Zn片上失去的電子通過導線轉(zhuǎn)移到了Cu片上。內(nèi)電路中的情況不知道。

師（提示）內(nèi)電路的稀硫酸中，存在著什么粒子？

生Zn2+、H+、SO2-4和水分子。

師Zn片上的Zn原子失去電子后成為Zn2+進入溶液，Zn片附近富集了較多的正電荷，在靜電作用下溶液中的什么離子會向Zn片移動？為什么？

生應(yīng)該是SO2-4，因為靜電吸引。

師那么H+和Zn2+這些陽離子會向哪邊移動呢？為什么？

生因為電子沿Zn片流入Cu片，Cu片上富集了較多的負電荷，在靜電引力的作用下，H+和Zn2+這些陽離子應(yīng)該向Cu片移動。

師（投影圖2）外電路中，電子沿導線從Zn片流向Cu片；內(nèi)電路中，陰離子SO2-4向Zn片移動，陽離子H+ 和Zn2+向Cu片移動，由于H+ 得電子能力比Zn2+強，所以H+獲得電子成為H2。那么如何確定Zn—Cu原電池中的負極和正極？

生電流表指針偏轉(zhuǎn)的方向是電池的正極。

生我覺得是電池的負極。

師大家的意見不一致，那么我們就用實驗來證明。

（學生完成實驗④：用接有靈敏電流計的兩根導線分別接觸一節(jié)干電池的正極和負極，觀察實驗現(xiàn)象。）

生從實驗來看，電流表指針偏轉(zhuǎn)的方向是電池的正極，所以Zn—Cu原電池中Cu片應(yīng)該是正極，Zn片應(yīng)該是負極。

師很好！一般來說原電池中電子流出的電極為負極，電子流入的電極為正極。那么此Zn—Cu原電池中的電流流向又是怎樣的？

生外電路中，電流從Cu片流向Zn片；內(nèi)電路中，電流從Zn片流向Cu片。

師非常好！這樣內(nèi)外電路中的電流就形成了閉合回路。（稍停）剛剛我們一起進一步研究了原電池的工作原理，現(xiàn)在一起來分析構(gòu)成原電池需要滿足怎樣的條件。請大家分小組討論。

（學生小組匯報。教師板書“三、構(gòu)成條件：1.自發(fā)的氧化還原反應(yīng)；2.兩個電極；3.電解質(zhì)溶液；4.閉合回路”。）

師總結(jié)得非常好！我們知道，可做電極的材料主要是金屬或非金屬導體，那么原電池的兩個電極的材料又應(yīng)滿足什么條件呢？現(xiàn)在給大家提供四種材料：2片鋅片、2根鐵釘、2片銅片、2根碳棒。請思考：它們之間做電極的可能組合有哪些？并通過實驗探究可行的組合。

生同種電極組合應(yīng)該有4種：Zn—Zn、Fe—Fe、Cu—Cu、C—C；不同種電極組合應(yīng)該有6種：Zn—Fe、Zn—Cu、Zn—C、Fe—Cu、Fe—C、Cu—C。

（學生完成實驗⑤：利用所給的試劑和用品，探究構(gòu)成原電池的電極需滿足的條件。學生小組匯報。教師板書“可行的電極組合有：Zn—Fe、Zn—Cu、Zn—C、Fe—Cu、Fe—C。兩個電極應(yīng)為兩種活動性不同的金屬或者一種金屬和另一種非金屬導體”。）

師如果將Zn片與Cu片的一端接觸后，再放入稀硫酸中，將看到怎樣的現(xiàn)象？為什么？

（學生完成實驗⑥：將稀硫酸中的Zn片與Cu片直接接觸，觀察實驗現(xiàn)象。）

生Cu片上也產(chǎn)生了氣泡，因為Zn片與Cu片直接接觸，其實也相當于組成了原電池的閉合回路。

[設(shè)計意圖：通過分析原電池中的粒子運動、進行粒子運動的繪圖講解以及設(shè)計探究實驗等，幫助學生理解原電池的正、負電極和粒子運動、電子流向以及電流方向的關(guān)系，體會原電池中的電流是怎么形成的，從而自主總結(jié)出原電池的構(gòu)成條件，并用此結(jié)論檢驗不同材料是否可以組成原電池的電極。]

四、創(chuàng)設(shè)問題情境，感悟原電池的發(fā)明和應(yīng)用

師今天我們學習了原電池的相關(guān)知識，下面看看我們能不能用這些知識來解決一些實際問題。

（出示問題1：實驗②中，在用導線連接Zn片與Cu片后，Zn片和Cu片上均產(chǎn)生了氣泡，Zn片上為什么會產(chǎn)生氣泡呢？產(chǎn)生的是什么氣體？）

生可能是Zn片不純，Zn片和其中的雜質(zhì)在稀硫酸中也組成了許多原電池，發(fā)生反應(yīng)放出了H2。

師非常好！大家已經(jīng)能用剛剛學到的知識解決問題了，讓我們再來挑戰(zhàn)新問題。

（出示問題2：圖3中的哪些裝置能構(gòu)成原電池？為什么？）

生②③⑦可組成原電池。

師非常好！同學們知道嗎，人類對原電池的研究其實源于一次偶然的解剖實驗現(xiàn)象。

（出示資料“奇妙的青蛙腿——伽伐尼電流”：18世紀末，意大利解剖學和醫(yī)學教授伽伐尼做青蛙手術(shù)時，將金屬手術(shù)刀接觸蛙腿，發(fā)現(xiàn)蛙腿會抽搐，如圖4。）

師青蛙腿為什么會抽搐？

生鐵盤、銅刀和體液構(gòu)成了原電池，產(chǎn)生的電流刺激了神經(jīng)，所以青蛙腿會抽搐。

師很好！對于這一偶然的實驗現(xiàn)象，法國科學家伏特又進行了深入的研究。

（出示資料“伏打電池——世界上第一個化學電池”：法國科學家伏特抓住上述現(xiàn)象，深入研究，在1800年3月20日宣布他的發(fā)明——人類歷史上第一個化學電池：伏打電池，如圖5。伏打電池的發(fā)明，使人們第一次有可能獲得穩(wěn)定而持續(xù)的電流，是實用電池的開端。）

師人類科學史上的很多發(fā)明都源于偶然觀察到的一些現(xiàn)象，但是只有持之以恒地去研究和實驗，才能收獲成功。下面讓

我們試著當一次“小醫(yī)生”。

（出示資料：格林太太是一位開朗樂觀的婦女，在她大笑時，人們發(fā)現(xiàn)她有兩顆金屬牙，一顆金牙是她財富的象征，另一顆不銹鋼牙是一場車禍留下的。可是令她百思不得其解的是，自從車禍后，她常常感到頭暈、頭痛、失眠、煩躁……醫(yī)生絞盡了腦汁，格林太太的病情仍未見好轉(zhuǎn)。一位年輕的化學家來看望格林太太時，為她揭開了病因。）

師請問：年輕的化學家發(fā)現(xiàn)了什么？怎樣才能為格林太太找到解決病痛的方法？

生把不銹鋼牙換成金牙，或把金牙換成不銹鋼牙，總之兩顆假牙應(yīng)該選用一樣的材料。

師非常好！只有破壞格林太太口腔內(nèi)構(gòu)成原電池的條件，才能治好她的“怪”病。同學們都是成功的“小醫(yī)生”。今天大家的課堂探究和討論非常精彩！有興趣的同學下課后還可以上網(wǎng)查閱更多有關(guān)原電池的知識。

[設(shè)計意圖：這部分是本節(jié)課的課堂反饋和知識延伸。首先是運用剛剛學習的原電池知識來判斷原電池裝置；其次是了解原電池的化學史，從伽伐尼電流的發(fā)現(xiàn)到伏打電池的發(fā)明，最后運用原電池的知識來客串一次醫(yī)生，診治格林太太的病情，從而體會到科學探究的艱辛過程和成功喜悅。]