培養有序思維，發展模型認知

盧曉平 張賢金

摘要：基于有序思維的培養，在選修課程原電池工作原理的教學中，利用數字化實驗設計“原電池裝置的改進及原理”的探究教學，通過建立原電池原理的系統認識視角和分析思路，實現由單液原電池到雙液原電池裝置的改進設計、原理分析和應用舉例，培養有序思維，構建有序思維模型，發展模型認知水平。

關鍵詞：模型認知；有序思維；原電池

文章編號：1008-0546（2022）02-0048-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.010

*本文系全國教育科學“十三五”規劃2019年度立項課題教育部青年專項課題“新時代鄉村教師精準培訓體系構建研究”（課題編號：EKA190518）研究成果。

在利用系統分析思維解決化學實際問題的過程中，有序思維被認為是一種有效思維方式。所謂有序思維是在解決問題過程中，按照一定的順序、步驟，有效完成任務的思維方式[1]。有序思維化“繁”為“簡”，不僅是解決問題的有效思維方式，也是重要的學科思維方法。本文在選修課程“原電池的工作原理”教學中，打破常規教學限制，設計了“原電池裝置的改進及原理”的探究教學，通過建立原電池工作原理的認識視角——這一思維的“序”，而后利用數字化實驗依“序”解決雙液原電池的提出緣由、裝置構成和工作原理。在具體問題解決的過程中，培養學生的有序思維，構建有序思維模型，發展學生的模型認知水平。

一、教學思路和流程

在必修課程學習基礎上，以銅-鋅原電池為例，在復習原電池原理的基礎上，設計了建立認識視角、電池缺陷分析、改進設計與論證、應用舉例與總結等4個教學環節。教學流程如表1所示。

二、教學過程

1.建立認識視角

【講述】基于上節課復習建構的原電池工作原理，我們可以建立原電池原理分析的系統認識視角——電極反應、電路構成（包括外電路電子導體導電和內電路離子導體導電）、能量轉化。

設計意圖：開門見山地總結原電池原理分析的系統認識視角，建立后續具體問題分析、有序思維的出發點。

2.電池缺陷分析

【學生分組實驗】銅鋅單液原電池工作電流的測定：將打磨好的鋅片和銅片連接電流傳感器和溫度傳感器并浸入0.5 mol/L CuSO4溶液。實驗裝置和數據如圖1。

【問題】實驗現象和你預期的現象有何不同？

【學生回答】除了銅片表面有銅析出，鋅片表面也有銅析出；反應過程中電流逐漸減小，溫度逐漸升高。

【問題】結合實驗現象和原電池原理分析的三個視角思考為什么反應過程電流減小？

【學生討論、回答】原電池電流減小的原因是由于Zn與Cu2+直接接觸反應，導致外電路部分Cu2+沒有在正極得電子，致使反應過程電子移動的數目減小；溫度升高表示部分化學能轉化為熱能；生成的銅覆蓋在鋅片表面，使鋅失電子變困難。

【問題】剛才我們從反應、外電路電子移動情況和能量轉化的視角分析電流減小的原因。那么內電路離子移動的情況如何呢？是否會對電流大小產生影響呢？

【講述】下面我們來通過微觀圖示分析原電池內電路離子的移動情況和離子分布變化。首先，我們應該明確在原電池中離子移動的動力主要是電場作用和因離子濃度差引起擴散作用[2]：即在電場作用下，陰離子移動到負極，陽離子移動到正極；在離子濃度不均勻的溶液中，離子總是從濃度大的區域擴散到濃度小的區域，以使溶液中的各離子濃度分布均勻。在構成原電池裝置前，硫酸銅溶液中Cu2+、SO2-4離子分布均勻（如圖2A所示）。構成原電池后，負極Zn溶解形成Zn2+，正極Cu2+轉化為Cu析出，使負極區的Zn2+、Cu2+濃度大于正極區對應離子濃度，此時電場作用和擴散作用一致，均使Zn2+、Cu2+向正極移動（圖2B）。而SO2-4在反應過程中濃度不變，但在電場作用下，SO2-4移動到負極區，而移動過程中又會受到擴散作用的阻礙，移動較慢。由于各離子的移動速率不同（Zn2+、Cu2+移動速率也可能不同），一段時間后，溶液中就會出現電荷不平衡的情況，如負極區負電荷過剩，正極區正電荷過剩（圖2C），這種情況也可能導致電流減小。

【小結】通過我們剛才的討論，我們一起來總結一下單液原電池的缺陷——電流衰減是由哪些原因引起的？我們是如何找到原因分析的出發點的？我們從原理模型建立原電池分析的三個視角——電極反應、電路構成、能量轉化出發，分析三者的變化情況。反應的變化——鋅和硫酸銅直接接觸反應；電路的變化——外電路電子轉移數目減少，內電路離子分布不均；能量變化——部分化學能轉化為熱能，化學能轉化為電能的能量效率降低。這三個方面變化的關鍵問題都在于鋅銅直接接觸反應引起的。

設計意圖：本環節通過數字化實驗，發現銅鋅單液原電池的缺陷，討論缺陷成因，引導學生通過原電池原理分析的認識視角和思路，從裝置的反應變化、能量轉化變化、內外電路的電子移動變化和離子分布變化三個視角進行有序思維，建立解決問題的程序性思維方法。為下一環節原電池裝置的改進分析提供有序思維范例。

3.改進設計與論證

【問題】通過剛才的單液原電池的缺陷分析過程，同學們能否設計一個原電池的改進裝置，提高電流效率呢？

【學生回答】將鋅和硫酸銅分開。

【問題】非常好，如何將鋅和硫酸銅分開呢？我們同樣從三個視角——電極反應、電路構成、能量轉化出發，設計方案對單液原電池裝置進行改進。從電極反應視角分析，如何將銅-鋅單液原電池拆分為雙液原電池，使鋅與硫酸銅溶液不直接接觸？

【學生回答】鋅和硫酸鋅一個裝置，銅和硫酸銅一個裝置。

【講述】根據兩個電極半反應單液原電池拆分為兩個裝置，我們稱之為雙液原電池——負極鋅片和負極生成物鋅離子（硫酸鋅）組成負極池，正極銅片和正極反應物硫酸銅組成正極池。正負極池可以是兩個容器，也可以使用隔板隔開，形成雙液原電池。

【問題】從電路構成視角分析，如何使兩個半電池裝置，構成閉合回路。根據原電池模型可以使用離子導體聯通，也可以使用電子導體聯通。請同學們嘗試利用電子導體（鋅片、銅片、導線）和離子導體分別畫出一種改進裝置圖。

【學生討論、設計】圖3為學生設計裝置。

【設問】這里的“鹽橋”是什么？“鹽橋”的成分是什么？起到什么作用？鹽橋是在兩個分隔開的半反應裝置間架起一座“電解質橋”，為正、負極池間提供一個離子通道。這個通道需要使用一定的載體，比如濾紙、棉花以及課本中提及的瓊脂等吸收電解質溶液做成“鹽橋”。

【問題】如何證明你的設計方案是否實現了單液原電池的缺陷改進？

【學生回答】測定反應過程溫度是否不變，電流是否穩定。

【學生分組實驗】下面請同學們分組進行實驗探究，分別組裝圖3中的實驗裝置，其中裝置C的鹽橋分別使用吸收0.5 mol/L CuSO4溶液、0.5 mol/L ZnSO4溶液、飽和KCl溶液的濾紙，以及裝有吸收KCl飽和溶液的瓊脂的U型管，同時使用數字傳感器記錄反應過程的電流變化和溫度變化（圖4）。請小組同學分配任務進行實驗，然后再匯總實驗結果，并進行討論分析。

【學生匯報】使用電子導體連接兩個半電池，效果不理想：裝置A電流接近0，原因可能是電極相同，不產生電流；裝置B能產生電流，但電流仍不穩定，隨反應進行而逐漸減小，反應過程中溫度也在持續上升，推測裝置B可能因為仍然是像單液原電池一樣鋅與硫酸銅直接接觸，電流效率較低。裝置C中使用各種載體，反應過程的溫度都沒有明顯變化，但電流都很小，其中使用硫酸鋅溶液和硫酸銅溶液制作的鹽橋電流接近0，而使用飽和氯化鉀溶液制作的鹽橋，無論是用濾紙做載體還是用瓊脂做載體，形成的電流相對較大，但其電流較單液原電池還是減小很多。瓊脂和濾紙兩種載體相比，瓊脂吸收氯化鉀做鹽橋的效果最好，產生電流最穩定且最大。

【講述】同學們的討論非常好。使用電子導體連接兩個半電池，效果不理想。而使用不同溶液作為鹽橋的效果也不盡相同，為什么KCl飽和溶液的效果最佳呢？為了解決這個問題，我們首先應該弄清鹽橋的作用是什么。由于雙液原電池反應過程中負極區生成Zn2+，使正離子過剩，因此Cl-移動到負極區，平衡電荷；而正極區消耗Cu2+，使負離子過剩，因此K+移動到正極區，平衡電荷。由于在外加電場作用下，飽和KCl溶液中K+和Cl-移動速率相近，從而實現兩極區的電荷平衡，提供穩定電流，而CuSO4溶液、ZnSO4溶液中陰、陽離子的遷移速率不同，一段時間后，仍然會使兩極的電荷不平衡，因此效果不如KCl飽和溶液。而同樣使用KCl飽和溶液，載體使用瓊脂和濾紙的效果不同，可能原因是濾紙固定溶液的效果不夠理想。

【小結】1.鹽橋材料應選擇能通過離子的微孔材料，如濾紙、牛皮紙等，實驗室往往使用瓊脂方便吸收和固定溶液，形成較穩定的電流；2.選擇陰陽離子遷移速率接近的溶液，如KCl，可使兩個半電池的電荷平衡；鹽橋的作用是構成回路（離子導體），平衡電荷；3.與單液原電池相比，雙液原電池電流穩定，能量沒有明顯損失，但電流變小，可能是由于鹽橋的截面積較小，單位時間通過的電子數目少引起的【3】。

設計意圖：本環節應用原電池三個認識視角系統分析單液原電池的裝置改進，從控制電極反應不變的視角引導學生拆分單液原電池，從電子導體和離子導體兩方面設計方案構成雙液原電池的閉合回路，從電流穩定性和能量轉化效率視角論證裝置的可行性。體會有序思維方法在解決問題中的重要作用。

4.應用舉例與總結

【問題】那么我們再來思考，如果兩個半電池使用隔板隔開，中間隔板（或隔膜）有什么要求呢？這種裝置相較使用鹽橋的雙液原電池的優點有什么？

【學生回答】隔板要有孔。這種裝置更輕便。

【講述】是的，隔板（或隔膜）上要有微孔，甚至有些隔膜只允許某種特定的離子通過，這就是我們后面會介紹的離子交換膜。這種裝置除了輕便以外，研究表明[3]其電流接近單液原電池大小，因此運用廣泛。比如課本介紹的堿性鋅錳干電池（圖5A[4]），使用牛皮紙為隔膜；紐扣式銀鋅電池使用浸了KOH溶液的隔板（圖5B[5]）；鋰離子電池使用隔膜（圖5C[6]）等。

【小結】本節課通過原電池的工作原理模型，建立分析原電池問題的三個認識視角——電極反應、電路構成、能量轉化，討論了單液原電池的缺陷、改進方案，設計了雙液原電池并通過實驗檢驗得出通過鹽橋和隔膜，可以將單液原電池拆分為雙液原電池，這種電池克服了單液原電池電流衰減的問題，產生的電流穩定，電流效率高，尤其是使用隔膜的電池電流大且穩定，效果更佳。通過本節課的學習，同學們今后在解決具體化學問題時，首先應尋找問題中蘊含的化學原理，善于利用化學原理模型，建立認識視角，通過有序思維分析和解決問題，形成解決問題的一般思路（圖6）。

設計意圖：本環節通過利用隔膜拆分單液原電池的設想分析和應用舉例，引起學生對學習價值的認同。最后梳理整節課有序思維的過程，構建應用有序思維解決問題的程序模型，形成程序性學科思維方法。

三、教學反思

選修課程雙液原電池工作原理的教學中常見的設計是直接給出電池裝置，分析其優缺點，解釋鹽橋的作用。這種設計只是將知識直接給予學生，卻未關注知識的來龍去脈，導致學生學習后對雙液原電池裝置的認識不深，不理解兩個半反應裝置的設計思路，經常在遇到陌生雙液原電池時，不能有效分析其裝置原理。因此，教學中有必要就雙液原電池裝置的設計思路進行探究，讓學生知其然且知其所以然，同時在探究過程中，通過系統地建立認識視角，進行有序思維，并最終構建有序思維模型，提升模型認識水平，實現從顯性的學科知識到隱性的學科思維的升華[7]。

參考文獻

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