原電池工作原理教與學的有效策略實踐探究

郭永強+桑文博

人教版高中化學教材有關電化學的內容分別在必修2第二章《化學反應與能量》第二節《化學能與電能》和選修4的第四章《電化學基礎》。本文主要針對高一必修2第二章第二節《化學能與電能》教學內容，通過筆者具體的教學設計、實踐、反思，總結梳理出《化學能與電能》教與學的有效策略，以期達到有助教學、提高效率之作用。

一、教材分析

化學反應有兩個基本的宏觀特征：（1）新物質的生成；（2）能量的變化。這分別是從物質觀和能量觀來認識化學應，讓學生對化學反應有更科學、更全面的認知。必修1主要通過具體的物質學習解決了第一個問題，而必修2第二章《化學反應與能量》主要學習了第二個問題。必修2《化學能與電能》是學生在對第一節《化學與熱能》學習后，對化學反應中另一種能量的轉化方式的繼續學習。這既是對初中化學相關內容的提升與拓展，又為選修4《電化學基礎》奠定必要的基礎。其教學的核心內容是原電池工作原理，以及化學電源的簡單介紹。要求學生對原電池工作原理有定性的認識，會利用原電池原理設計各種原電池并解釋一些現象，如原電池反應中氣泡產生和沉淀的生成等。

選修4的第四章《電化學基礎》是對本節內容的加深和拓寬，對學生提出了更多的定量計算分析要求，難度陡然增加，學生在后面的學習中困難重重。為消除此弊端且提高教學效率，加深學生對原電池工作原理的認識，對兩部分內容進行一定的整合是必要的。由于這兩部分內容關聯度高，有機地整合不但不會對學生的學習造成困難，而且有利于學生的學習和發展。當然，這就要求教師對學情有準確把握，拿捏好“度”。

電化學是中學化學理論的重要組成部分，與學生的生活緊密聯系，又是社會的熱點問題，自然成為各級各類考試的常客，其重要性不言而喻。由于學生之前沒有電化學的基礎，電化學理論又較為抽象難懂，對老師的教學和學生的學習都造成了一定的困難。這也是筆者研究的出發點之一。

二、策略的基本理論

1.建構主義理論支撐

建構主義認為，學生學習知識不是通過教師傳授得到，而是其在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人（包括教師和學習伙伴）的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得。建構主義提倡在教師指導的、以學習者為中心的學習，既強調學習者的認知主體作用，又不忽視教師的指導作用，教師是意義建構的幫助者、促進者，而不是知識的傳授者與灌輸者。學生是信息加工的主體、是意義的主動建構者，而不是外部刺激的被動接受者和被灌輸的對象。

2.化學學科核心素養的培養

化學學科核心素養包括五大方面的內容，即宏觀辨識與微觀探析；變化觀念與平衡思想；證據推理與模型認知；實驗探究與創新意識；科學精神與社會責任。此部分教學中涉及四點：如Cu-Zn H2SO4原電池模型的建立；Cu-Zn H2SO4原電池宏觀實驗現象和內在微觀原因探析；各種原電池的探究、設計和創新；化學電源的科學發展和污染處理的社會責任。

三、策略的實施步驟

1.課前進行調查問卷，準確把握學情，為教學策略的制定提供第一手資料的可靠依據

問卷調查的對象為高一八個班的四百多名學生，問卷形式為20道選擇題，男女分類統計。問卷內容為氧化還原、離子反應等主體知識的掌握程度，以及與電化學相關的社會生活背景的調查。發放問卷480份，回收有效問卷421份，其中男生198份，女生223份。通過對問卷的研究發現，學生對氧化還原理論和離子反應掌握程度較好，已具備學習電化學的知識基礎，97.6%的學生會判斷兩劑兩產物，對氧化還原、離子反應方程式書寫掌握較好的分別占到了73.1%、74.8%。通過調查發現，在學生的社會生活背景中，他們對化學電源還是比較關注，并且對電化學的學習愿望也比較強烈。總體而言，問卷結果男生略好于女生。

全面了解學生學習電化學的知識基礎和社會基礎，結合新課程的教學理念以及探究性教學內容，設計出符合實際的、有效的課堂教學方案。

2.教學目標制定

基于前期調查結果，將必修2和選修4部分內容整合，提高學習效率，制定以下知識目標：

【知識與技能】（1）原電池的構成條件。（2）原電池的工作原理：電子與電流流向；陰、陽離子在電解質溶液中的遷移問題；離子濃度的變化。（3）基本電極反應方程式書寫方法。（4）原電池原理的基本應用：判斷金屬活動性順序；加快氧化還原反應速率分析；簡單原電池的設計。（5）各種實用化學電源介紹。（6）鉛酸蓄電池工作原理、電極方程式書寫。（7）氫氧燃料電池的工作原理及不同電解質環境下電極方程式的書寫。

【過程與方法】（1）分組自主實驗探究、得出結論。（2）引導分析，思維提升。（3）廣泛聯系社會生活，引導學生關注生活的電化學。（4）自主學習，書寫相關調查報告

【情感態度與價值觀】（1）培養學生的抽象思維能力和分析問題能力。（2）培養學生自主實驗探究能力。（3）培養學生的科學精神和社會責任。

基于以上教材分析和目標制定，課時分配如下：第一課時原電池的基本構成和工作原理；第二課時電極方程式的書寫和原電池原理的應用；第三課時發展中的各種化學電源的介紹和廢舊電池的處理問題。

3.教學過程組織策略

（1）第一課時的教學是概念教學，原電池理論的自主構建，教學中突出學生的主體地位，以分組實驗探究為主要手段，緊緊圍繞學生化學學科素養的培養來開展。

教學流程：先由生活中電能的重要作用，引出電能的來源方式，進而引出原電池的學習（PPT展示，視頻結合）（5分鐘）；學生分組探究實驗，在教師的指導下，對Cu-Zu H2SO4原電池的構成條件進行逐項探究，實驗現象結合其中的化學變化、讓學生分組討論出原電池的構成條件，凸顯學生為主體，教師為主導的教學方式，強調學生對知識構建的基本思路和方法（20分鐘）；針對原電池的四個構成條件，分別給出幾種裝置，讓學生討論判斷是否構成了原電池，進行知識的鞏固提升（5分鐘）；對Cu-Zu H2SO4原電池的模型進行分析討論，分別從氧化還原反應的本質、閉合回路的構成（即內外電荷的傳遞方式：電子不下水，離子不上岸）、電極反應方程式的分析來明確原電池的基本工作原理，引導學生畫出原電池工作的基本原理圖，把感性的模型認知成、抽象成一般原理，提升學生的學科素養（8分鐘）；最后分組實驗探究各種水果電池：銅片、鋅片、電流表、果蔬（蘋果、橙子、西紅柿）參照Cu-Zu H2SO4原電池模板探究其中的化學原理（5分鐘）；教師總結歸納要點（2分鐘）。

（2）第二課時的教學是對理論的進一步認知和遷移應用，內容主要有兩項：原電池原理的應用和電極方程式的書寫。采用的主要教學方法是原理探析，引導分析，講練結合。

教學流程：回顧原電池的基本構成和工作原理（以Cu-Zu H2SO4原電池為例）（5分鐘）；原電池原理的基本應用和電極方程式的分析：基于Cu-Zu H2SO4原電池模型的理解，引導學生把幾個自發的氧化還原反應設計成原電池（畫出裝置圖，明確原電池的構成條件；寫出電極方程式，強調原電池的氧化還原反應本質，書寫中注意得失電子恒）：①Zu+CuSO4=Cu+ZuSO4；②2AgNO3+Cu=Cu（NO3）2+2Ag；③Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2（本節教學的核心內容，難度較大，注意教學中的引導和對比異同，歸納提升）（22分鐘）；原電池原理的另一個應用：比較金屬的活動性順序（強調對原電池電極的認識和工作中閉合回路構成的分析），回到原電池的設計中的三題再分析，另舉兩題進行自主分析討論，得出結果（8分鐘）；學習原電池原理的最后一個應用：加快氧化還原反應速率。類比法讓學生了解其中基本原理：普通的氧化還原反應得失電子幾乎在同處進行，而原電池反應讓得失電子分別在兩電極進行，互不影響，提高效率。類比于生活中人流密集的進出通道分離提高效率的做法。舉例：足量Zu分別加入到等量兩份稀H2SO4中，一份加入少CuSO4，一份不加，分析其時間-氣體體積圖象。變式練習：等量的兩份Zu分別加入到足量兩份稀H2SO4中，一份加入少CuSO4，一份不加，分析其時間-氣體體積圖象（提高學生的思辨能力和審題分析能力）（8分鐘）；最后教師總結歸納，強調難點和易錯點（2分鐘）。

（3）第三課時的教學為原電池原理在生活中的應用：發展中的化學電源。本課時教學中要廣泛聯系學生的生活，培養學生的學習興趣，同時激勵學生的科學探索精神和社會責任。

教學流程：首先回顧原電池的基本構成和工作原理，生活中的實用電池根據其設計，PPT展示幾種干電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、蓄電池、鋰離子電池等，激發學生興趣（5分鐘）；分別學習鋅錳干電池、鉛蓄電池這兩種最普遍應用的電池的工作原理，此處稍加深，共同書寫鉛蓄電池的電極方程式，對充電電池有初步認識（10分鐘）；學習新型燃料電池的工作原理，分別分析H2-O2在酸性和堿性電解質溶液中的電極方程式書寫（此處有難度，引導學生關注電解質溶液背景對電極反應的影響）（11分鐘）；生活激趣，學以致用：南孚電池聚能環宣傳的真實性揭秘（培養學生的科學精神和質疑精神）（3分鐘）；PPT展示炫酷的特斯拉、寶雞街頭的比亞迪e6電動出租車，從方興未艾的電動汽車入手，展示電池發展的活力及對社會生活的影響，激發學生學習化學的動力（4分鐘）；關注廢舊電池的危害和處理（培養學生的社會責任）（5分鐘）；引導學生分析未來電池的發展方向：穩定性；小型化、輕量化；續航能力；理論創新、材料發展（引導學生關注科技動態和前沿，為進一步學習深造培養興趣）（5分鐘）；作業布置：課外調查研究：（通過網絡、調查等方法）寶雞新能源出租車的動力來源、原理以及與普通出租車相比的優勢和缺點（價格、動力、自重、耐用性、充電速度、廢舊電池的處理），設想在哪些方面可以做哪些改進，寫成500字左右小論文（提高學生的探索精神和研究能力）（2分鐘）。

四、研究結論

依據以上教學策略，基于前期調查問卷和教學策略實施后對學生進行的問卷結果來看，原電池工作原理教與學的有效策略實踐達到了預期結果。