數字化實驗在原電池課堂教學中的應用

常娟

摘要：將數字化實驗與傳統實驗相結合應用于“原電池”的課堂教學。使用發光二極管讓學生直觀感知電流產生;用傳統實驗視頻讓學生清晰看到銅鋅原電池銅片上的氣泡，理解原電池原理;用電壓傳感器分別測定不同數量水果電池串聯時的電壓，用電流傳感器測定干電池產生的電流，用電壓傳感器檢測電極間距、電極插入水果的深度等對電壓產生的影響，讓學生深入探究和理解原電池原理和影響因素。

關鍵詞：數字化實驗;原電池;課堂教學;教學設計

文章編號：1008-0546（2020）02-0087-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.02.028

一、教學內容分析

原電池實驗源于人教版必修2第二章第二節的教學內容，是本節教材的重要實驗。原電池原理是電化學部分重要的基礎知識，是選修4電化學學習的鋪墊。本節教學內容抽象，學生學習很困難。如何將抽象的內容形象化，激發學生的學習興趣并喚起學生學習的內在驅動力？筆者將教材中的傳統實驗作了改進，引入了發光二極管，通過這種改進學生能直觀地體驗到化學能轉變為電能。筆者將傳統實驗與數字化實驗融合，引入了電壓傳感器和電流傳感器分別測定原電池電壓的變化和電流的變化。通過曲線的變化讓學生實時、準確、直觀地捕捉到原電池發生的動態的變化，這是傳統的實驗手段體現不了的。實驗改進后更有效地讓學生體驗原電池的構成條件，理解并掌握原電池的工作原理，初步形成原電池的概念，并能夠寫出電極反應式和電池反應方程式。

二、教學過程設計

1.教學目標

①通過實驗探究認識原電池的工作原理和構成條件，初步形成原電池概念;能夠寫出電極反應式和電池反應方程式;訓練學生的實驗操作技能。

②通過情境創設，學生進行實驗探究。幫助學生自主構建原電池概念，理解和掌握原電池原理;通過實驗，體驗科學探究的過程，初步養成科學探究的能力。

③通過探究化學能轉變為電能的奧秘，獲得成就感提高學生學習化學的內在驅動力;通過原電池發展史體驗科學探究的艱辛與喜悅，贊賞化學科學對個人生活和社會發展的貢獻。

2.教學過程

本節課以實驗展示貫穿始終。

實驗設計1：

【情境引入】展示一張會發光和唱歌的生日賀卡，卸掉一顆紐扣電池，連接上自制的水果電池，如圖1。

設計意圖：以生活中現有的素材入手引入自制的原電池，喚起學生好奇心。為接下來的學習作一個好的鋪墊。

實驗設計2：

【視頻展示】課堂教學中考慮到時間的因素，傳統的實驗采取了事先錄制視頻的形式。筆者所在學校教室都安裝了白板，視頻播放效果較好。圖2和圖3分別是兩個視頻中的圖片。通過觀察和畫面定格學生觀察到圖2視頻中鋅片和銅片上都有大量氣泡冒出，根據已學知識學生能分析出是氫氣。圖3視頻中觀察到發光二極管亮了，且可以發出三種顏色的光，學生一下子就能分析出產生電了。在老師的引導下學生體會到原電池是將化學能轉變成電能的裝置，原電池工作原理：

實驗設計3：

【學生探究實驗】引導學生四人一組自主探究構成原電池的要素。提供給學生的材料有：小番茄、白醋、無水乙醇、蒸餾水、鋅片、銅片、碳棒、導線、發光二極管、燒杯。探究圖片如圖4、圖5。

探究完實驗后請學生歸納構成原電池的要素。

設計意圖：給學生一個動手的機會，討論交流的平臺、思考的空間，更有利于抽象思維的發展，更有利于培養學生發散思維，更有利于將抽象的知識內化。

思考與探究：影響燈泡發光時間長短的因素有哪些？

實驗設計4：

【課堂演示實驗】數字化實驗演示水果電池與簡易電池電壓、電流的變化（圖6-11）。

【學生課后拓展研究】不同電極材料、不同水果、各種蔬菜構成原電池時發電情況。

白板課件展示原電池發展簡史。

設計意圖：讓學生了解科學發展的曲折與艱辛，體會人類的智慧與偉大，培養科學自豪感與成就感。

三、教學反思

本節課得以順利開展的前提是：筆者所在學校教室安裝了白板，學校成立了數字化實驗社團，這些都為數字化實驗引入課堂提供了支持。

本節課引入課題時使用了賀卡，現場演示時因為離學生距離較遠，學生觀察時沒有預期的教學效果，建議此處改為視頻演示效果更好。教材中的實驗設計原電池的正負極間接入電流表來驗證產生了電流，筆者作了一些改進，將電流表換成了發光二極管，更貼近學生的生活體驗，更能喚起學生的成就感、興趣和內在驅動力。因為一個原電池產生的電壓太小，不足以使發光二極管亮，所以筆者設計了3個原電池串聯，使用稀硫酸作電解質溶液時，學生能明顯觀察到燈泡由亮到暗的全過程。為什么1個原電池發光二極管不亮，3個原電池串聯才亮？受什么因素影響？傳統的實驗手段我們只能看到最終的結果，不能直觀體驗原因，筆者引入了電壓傳感器分別測定了1個原電池產生的電壓，2個原電池串聯時產生的電壓，3個原電池串聯時產生的電壓。數據顯示串聯的電池越多，電壓等倍數增加，學生體會到了數字化實驗直觀、定量的優勢。這對于原電池在生活中的應用起到啟示作用。使用稀硫酸作電解質溶液時，燈泡很快熄滅，電壓傳感器和電流傳感器檢測到電壓和電流逐漸減弱的過程。而使用白醋和水果作電解質溶液時燈泡可以亮很長時間，電壓傳感器和電流傳感器檢測到電壓和電流一直保持穩定。社團活動中我們用三個圣女果串聯的3個水果電池可以使發光二極管亮五天五夜。同時我們用電壓傳感器和電流傳感器檢測使用過的干電池發現，電壓和電流始終保持穩定的數據。驗證了同學們心中的猜測，原電池在生活中應用時需要保持穩定的電壓和電流。從而衍生出同學們的好奇心：怎么樣才能保持穩定的電壓和電流呢？為高二選修四電化學的學習提供鋪墊和動力。接著筆者設計實驗探究影響電壓大小的因素，數字化實驗給了同學們直觀、實時、準確、靈敏的體驗。開闊了學生的視野，拓寬了學生科學研究的思路。

因為時間的限制，課堂上沒有深入探究更多的變量變化帶來的結果，筆者建議可以在課后小組活動或社團活動中開展。