自制簡易原電池實驗教學(xué)設(shè)計

王露路

摘 要：電化學(xué)內(nèi)容是高中化學(xué)的一個重要組成部分，具有很強(qiáng)的綜合性、實踐性和應(yīng)用性。原電池是電化學(xué)的基礎(chǔ)，在必修二和選修四中都有不同程度的體現(xiàn)。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生不能熟練掌握并運(yùn)用氧化還原反應(yīng)原理去理解原電池的知識，通過必修二課本書中經(jīng)典銅鋅原電池實驗和水果電池實驗得以啟發(fā)，利用生活中的常見物品（鋁制品易拉罐、不銹鋼洗滌器、食鹽）進(jìn)行原電池實驗，利用該裝置進(jìn)行高中化學(xué)教學(xué)，可以幫助學(xué)生掌握電化學(xué)知識，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建電化學(xué)思維模型，既能突破電化學(xué)教學(xué)難點(diǎn)，又能提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)，真正做到讓電化學(xué)實驗飛入尋常百姓家，發(fā)揮學(xué)生的主動性、積極性。

關(guān)鍵詞：電化學(xué);原電池;氧化還原反應(yīng);核心素養(yǎng)

一、教學(xué)背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（簡稱《新課標(biāo)》）的基本理念指出，課程以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，選擇體現(xiàn)基礎(chǔ)性和時代性的化學(xué)課程內(nèi)容，重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)。因此，我們在課堂中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的同時，課外也應(yīng)組織學(xué)生參加興趣小組或化學(xué)社團(tuán)，開展課外興趣活動，拓展學(xué)生的思維。

二、教材分析

電化學(xué)內(nèi)容是高中化學(xué)的一個重要組成部分，具有很強(qiáng)的綜合性、實踐性和應(yīng)用性。原電池是電化學(xué)的基礎(chǔ)，高中化學(xué)人教版必修二第二章第二節(jié)《化學(xué)能與電能》中用經(jīng)典銅鋅原電池和水果電池實驗，引出原電池，選修四第四章第一節(jié)和第二節(jié)也不同程度地呈現(xiàn)了原電池知識。通過教材中經(jīng)典的實驗，結(jié)合當(dāng)下比較熱門的鋁空氣電池，利用生活中常見物品可進(jìn)行原電池實驗[1]，同時，為了增加實驗的趣味性，還可以引入小彩燈和音樂盒。

三、學(xué)情分析

趣味探究實驗小組是由高一、高二學(xué)構(gòu)成生成，每組3～4人，完成分組合作探究。他們對化學(xué)充滿好奇與熱情，并且對化學(xué)專業(yè)知識有著較好的基本功，作為信息時代的高中生，他們利用網(wǎng)絡(luò)的能力較強(qiáng)。

四、教學(xué)方法

信息檢索法、數(shù)字化實驗直觀教學(xué)法、探究式教學(xué)法

五、設(shè)計目標(biāo)

【知識與技能】

1.理解原電池的原理及結(jié)構(gòu)、了解原電池的組成條件。

2.會判斷電子、電流的移動方向，熟練書寫電極反應(yīng)方程式。

【過程與方法】

1.通過探究性合作學(xué)習(xí)，設(shè)計并優(yōu)化實驗方案，完成實驗操作，學(xué)會合作、創(chuàng)新。

2.實驗過程中能提出問題，并通過討論、查詢文獻(xiàn)、尋問老師等方法有效解決問題。

3.學(xué)會運(yùn)用控制變量法探究實驗最優(yōu)條件。

4.能對觀察記錄的實驗信息進(jìn)行加工并獲得結(jié)論。

【情感態(tài)度與價值觀】

1.通過實驗探究，培養(yǎng)學(xué)生思考、分析、討論、歸納總結(jié)電化學(xué)知識，構(gòu)建電化學(xué)思維模型[2]。

2.遇到困難要有直面困難的勇氣，具有終身學(xué)習(xí)的意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度。

六、實驗設(shè)計

【引入】人教版必修二第二章第二節(jié)《化學(xué)能與電能》中用經(jīng)典銅鋅原電池和水果電池實驗，引出原電池，選修四第四章第一節(jié)中也同樣用了銅鋅原電池實驗，但在實際學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生不能熟練掌握并運(yùn)用氧化還原反應(yīng)原理去理解原電池的知識，同時，原電池種類繁多，習(xí)題設(shè)置難度較大等情況，更加讓我們覺得學(xué)習(xí)原電池吃力。那么，有什么方法能夠讓我們簡單易懂地去學(xué)習(xí)和理解這部分知識呢？現(xiàn)在，我們一起來探討。

【提出問題】

1.原電池的本質(zhì)是什么？需要具備哪些條件？

2.生活中哪些反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)？哪些反應(yīng)可以設(shè)計為原電池？

3.你了解鋁空氣電池嗎？鋁空氣電池的原理是什么？

【回憶復(fù)習(xí)】學(xué)生回憶復(fù)習(xí)原電池知識

【查閱資料】引導(dǎo)學(xué)生利用CNKI、萬方、維普等數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息檢索

【初步設(shè)計】利用生活中的常見物品：鋁制品易拉罐、不銹鋼洗滌器、食鹽、進(jìn)行原電池實驗、初步設(shè)計原電池草圖

【實驗原理】電解質(zhì)為堿性環(huán)境下氯化鈉溶液，鋁制品易拉罐中的鋁作為負(fù)極失去電子和環(huán)境中的氫氧根結(jié)合成氫氧化鋁，正極則是不銹鋼洗滌器上負(fù)載的氧氣得到電子成為氫氧根，整個裝置組成一個鋁空氣電池，電極方程式如下：

負(fù)極：Al+3OH--3e-→Al（OH）3

正極：O2+2H2O+4e- →4OH-

總反應(yīng)：4Al+3O2+6H2O→4Al（OH）3

【實驗用品及儀器】鋁制飲料罐、不銹鋼洗滌器、紙巾或者濾紙、剪刀、砂紙、100 mL量筒、250 mL燒杯、電子天平（量程100 g）、食鹽、氫氧化鈉、電流電壓傳感器、電流表、電壓表、小彩燈、音樂盒

【實驗條件探究】影響實驗中電流電壓的因素有：電極材料表面積的大小、電解質(zhì)濃度、電解質(zhì)溫度、電解質(zhì)體積等。通過控制變量法，常溫下，同樣大小的電極材料，對體積為100 mL的氯化鈉溶液（含氫氧化鈉0.12 g）用電流和電壓傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，探究濃度對電流和電壓的影響，結(jié)果如圖所示：

多組實驗探究表明：氯化鈉濃度最佳反應(yīng)條件為2 mol/L時實驗效果最佳。

【實驗步驟】

1.配制100 mL、2 mol/L 氯化鈉溶液。（含0.12 g NaOH）

2.制作原電池裝置

（1）剪刀剪去鋁制飲料罐上邊緣

（2）砂紙打磨鋁罐內(nèi)部四周，洗凈擦干

（3）剪刀剪取15×30 cm 紙巾或者濾紙

（4）不銹鋼洗滌器弄成絨毛狀

（5）紙巾或者濾紙包裹住不銹鋼洗滌器，小心放進(jìn)鋁罐里

3.測量

（1）向鋁罐中加入100 mL、2 mol/L氯化鈉溶液，連接導(dǎo)線，用電流表和電壓表測量電流和電壓，記錄數(shù)據(jù)，用小彩燈或者音樂盒測試，看彩燈是否變亮，音樂是否響起。

（2）與同學(xué)合作，把四個鋁罐放在一起用導(dǎo)線串聯(lián)起來，測量電壓和電流，錄數(shù)據(jù)，用小彩燈或者音樂盒測試，看彩燈是否變亮，音樂是否響起。

【實驗測試】對體積為100 mL的2 mol/L NaCl進(jìn)行實驗測試：

【實驗結(jié)論】

1.利用生活中常見物品鋁制品易拉罐、不銹鋼洗滌器、食鹽、可以制作原電池。

2.單個原電池不能夠讓小彩燈發(fā)光變亮和音樂盒響起，但是串聯(lián)3個或3個以上可以讓小彩燈發(fā)光變亮和音樂盒響起。

3.影響實驗結(jié)果的因素很多，要學(xué)會科學(xué)運(yùn)用控制變量法去探究實驗。

【實驗拓展】

該實驗除了探究不同電解質(zhì)及濃度的影響外，還可以探究電極材料表面積的大小、電解質(zhì)溫度、電解質(zhì)體積等對實驗結(jié)果的影響，同時，還可以用實驗產(chǎn)生的電壓驅(qū)動電動玩具小汽車等。

七、教學(xué)反思

本實驗的意義在于實現(xiàn)了生活和原電池知識的融合，真正做到讓創(chuàng)新進(jìn)入課堂，讓科技引領(lǐng)學(xué)生前行。在實驗基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生思考、分析、討論、歸納、構(gòu)建電化學(xué)思維模型，突破電化學(xué)難點(diǎn)，體驗“證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)”;在實驗過程中，學(xué)生通過宏觀電流表指針的偏轉(zhuǎn)，微觀電子移動形成電流，體驗“宏觀辨識與微觀探析”;電流表電壓表指針偏轉(zhuǎn)變化，感受“變化觀和平衡思想”;通過動手操作和觀察實驗，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”;聯(lián)系生活，取材生活，讓學(xué)生明白化學(xué)來源于生活，服務(wù)于生活，讓學(xué)生不再談“化學(xué)”色變，從而感知“科學(xué)精神與社會責(zé)任”。數(shù)字化與傳統(tǒng)檢測結(jié)合，實驗結(jié)果直觀化;彩燈與音樂盒結(jié)合，增加實驗趣味性;當(dāng)然，最重要的一點(diǎn)，實驗簡約、通用、易操作，無論是學(xué)生在學(xué)校還是在家，都能夠完成該實驗。

總之，化學(xué)來源于生活，服務(wù)于生活，讓學(xué)生動起來，知識才能“活起來”。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡致平.鋁空氣可行性電池探究設(shè)計[J].求知導(dǎo)刊，2016（3）.

[2]鄒標(biāo).自制電化學(xué)裝置培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)[J].實驗教學(xué)與儀器，2018（11）：52-53.

編輯 段麗君