基于學(xué)習(xí)進階理論的實驗創(chuàng)新設(shè)計

黎秀梅 王彥迪 蘇忠波 高超

學(xué)習(xí)進階是學(xué)生在各學(xué)段學(xué)習(xí)同一主題概念時所遵循的連貫的、典型的學(xué)習(xí)路徑，一般呈現(xiàn)為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的概念序列^[1]。以原電池為主題的相關(guān)概念教學(xué)涉及高一、高二兩個學(xué)段，如何遵循學(xué)生的認知規(guī)律使其通過不同學(xué)段的學(xué)習(xí)實現(xiàn)思維螺旋式上升是值得思考的問題。為引導(dǎo)學(xué)生探究不同裝置的銅鋅原電池實驗效能，筆者利用化學(xué)原電池實驗原理、物理電阻公式以及生物學(xué)實驗材料，開展進階式實驗，激發(fā)學(xué)生深度思考，讓學(xué)生直觀認識本質(zhì)，實現(xiàn)從定性到定量的實驗進階，提高學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、實驗功能價值分析

人教版高中化學(xué)教材編排的實驗是循序漸進的。《普通高中教科書 化學(xué) 必修 第二冊》編排了單液原電池實驗（實驗6—3），在《普通高中教科書 化學(xué) 選擇性必修1 化學(xué)反應(yīng)原理》編排了雙液原電池（實驗4—1），教材中實驗的進階雖然解決了電池電流不穩(wěn)定的問題，但U形管鹽橋雙液原電池電流小、效能低，實際應(yīng)用意義有限^[2]。生產(chǎn)生活應(yīng)用較多的是離子交換膜電池，而教材對這部分內(nèi)容較少涉及，學(xué)生無法感知生活中的電池是如何由實驗室的原電池逐步進階而來的。筆者以教材上的實驗為基礎(chǔ)，基于化學(xué)思維進階理論改進瓊脂塊原電池和膜電池，利用手持技術(shù)探究不同種類銅鋅原電池的電池效率以及顯化內(nèi)電路離子移動情況，促進學(xué)生理解原電池裝置各部分的作用，同時實現(xiàn)從定性分析到定量實驗的轉(zhuǎn)變，深化學(xué)生對原電池的實際應(yīng)用的認識，讓學(xué)生認識化學(xué)的本質(zhì)和價值。

二、實驗改進要點

筆者設(shè)計了5組對照實驗，即單液原電池、U形管鹽橋雙液原電池、瓊脂塊雙液原電池、離子交換膜電池、生活膜材料電池（如圖1），意在培養(yǎng)學(xué)生基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進行實驗推理的能力。

實驗在以下方面有所創(chuàng)新。

在瓊脂塊雙液原電池實驗中，筆者用溫度傳感器和電流傳感器讓學(xué)生直觀感受瓊脂塊雙液原電池的電池效能高于U形管鹽橋雙液原電池。在膜電池實驗中，筆者將其與紙巾相結(jié)合改進微型化實驗，同時引導(dǎo)學(xué)生通過實驗對比陽離子交換膜、陰離子交換膜的電流變化曲線，認識陰陽離子膜的作用。

在生活膜材料電池實驗中，筆者用玻璃紙、魚鰾、洋蔥表皮等廉價的生活膜材料代替昂貴的離子交換膜，引導(dǎo)學(xué)生增強化學(xué)應(yīng)用的成本意識。

筆者利用電導(dǎo)率傳感器使內(nèi)電路的陰陽離子移動可視化，幫助學(xué)生對原電池工作原理進行微觀本質(zhì)探析。

三、實驗方法

實驗前，筆者準(zhǔn)備以下設(shè)備、器材、工具和藥品。

實驗材料：數(shù)字化探究實驗儀器（無線傳感器，包括溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、電導(dǎo)率傳感器）、數(shù)據(jù)采集與分析軟件、自制瓊脂塊、電流表、導(dǎo)線、紙巾、玻璃片、陰離子交換膜、陽離子交換膜、玻璃紙、魚鰾、橙子。

實驗藥品：銅片（6 cm×4 cm）、鋅片（6 cm ×4 cm）、KCl固體、飽和CuSO₄溶液、飽和ZnSO₄溶液、0.05 mol/L CuSO₄溶液。

實驗方法如下。

（一）組裝銅鋅單液原電池

實驗準(zhǔn)備（如圖2）：向原電池反應(yīng)器中加入160 mL CuSO₄溶液，將電流傳感器紅導(dǎo)線一端連接銅片，黑導(dǎo)線一端連接鋅片，插入溶液中，注意防止短路。

用數(shù)字傳感器測溫度、電流、電壓變化情況：將溫度傳感器用鐵架臺固定好，插入至溶液中央；打開傳感器藍牙連接平板電腦，設(shè)置好收集時間（5分鐘），開始采集數(shù)據(jù)；將電流傳感器換成電壓傳感器，重復(fù)上述操作。

（二）組裝銅鋅U形管雙液原電池

向小燒杯中分別加入40 mL ZnSO₄溶液和40 mL CuSO₄溶液，將電流傳感器紅導(dǎo)線一端與銅片連接，黑導(dǎo)線一端與鋅片連接，依次插入CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液中；將溫度傳感器用鐵架臺固定，插入ZnSO₄溶液中央；用數(shù)字傳感器測溫度、電流、電壓變化情況。

（二）組裝瓊脂塊雙液原電池

瓊脂塊制作：首先向燒杯中加入3 g瓊脂和97 mL蒸餾水，水浴加熱至完全溶解，然后加入30 g KCl充分攪拌，完全溶解后趁熱倒入長方體模具中冷卻（如圖3），用的時候再切割至原電池反應(yīng)器中即可^[3]。

實驗步驟：向瓊脂塊兩邊分別注入40 mL ZnSO₄溶液和40 mL CuSO₄溶液，將電流傳感器紅導(dǎo)線一端與銅片連接，黑導(dǎo)線一端與鋅片連接，依次插入CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液中；將溫度傳感器用鐵架臺固定，插入ZnSO₄溶液中央；將電導(dǎo)率傳感器分別插入CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液中；用數(shù)字傳感器測溫度、電流、電壓變化情況。

（三）組裝離子交換膜原電池

將兩片玻璃片分開放在桌面上，用紙巾分別包裹銅片和鋅片，包裹部分約占2/3，分別吸取約2.5 mL CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液，分別放在玻璃片上固定，中間用離子交換膜隔開；將電流傳感器紅導(dǎo)線一端與銅片連接，黑導(dǎo)線一端與鋅片連接，用數(shù)字傳感器測溫度、電流、電壓變化情況（如圖4）。

（四）組裝生活膜材料原電池

將兩片玻璃片分開放在桌面上，用紙巾分別包裹銅片和鋅片，包裹部分約占2/3，分別吸取約2.5 mL CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液，分別放在玻璃片上固定，中間用玻璃紙或者魚鰾隔開；將電流傳感器紅導(dǎo)線一端與銅片連接，黑導(dǎo)線一端與鋅片連接；用數(shù)字傳感器測溫度、電流、電壓變化情況（如圖5）。

四、實驗教學(xué)過程

（一）提出學(xué)習(xí)任務(wù)，回顧原電池知識

實驗任務(wù)：設(shè)計一個微型原電池，帶動小風(fēng)扇工作，分組合作起草電池評價方案并設(shè)計實驗方案。

（二）實驗探究，優(yōu)化電池設(shè)計

設(shè)計一：評估單液原電池效能

實驗評價：單液原電池電流大，但不穩(wěn)定，短時間內(nèi)會衰弱，溶液溫度上升明顯，小風(fēng)扇短時間內(nèi)便停止轉(zhuǎn)動，該電池不具備實用價值。

實驗改進：學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)，鋅片上附著較多紅色物質(zhì)（銅單質(zhì)），說明鋅與銅離子發(fā)生了置換反應(yīng)。學(xué)生將鋅片與硫酸銅分開，在兩個燒杯中同時用鹽橋連通內(nèi)電路。

設(shè)計二：評估雙液原電池效能

實驗評價：觀察雙液原電池，電流、溫度10分鐘內(nèi)未發(fā)生變化，很穩(wěn)定，但小風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動，電流非常微弱，該電池也不具備實用價值。

思考問題：鹽橋是什么？鹽橋起什么作用？分析鹽橋構(gòu)造，思考為什么雙液原電池的電流變小。

學(xué)生分組討論得出如下結(jié)果：

1.鹽橋一般由瓊脂和飽和氯化鉀或飽和硝酸鉀溶液構(gòu)成。

2.鹽橋的作用是形成離子通道和平衡電荷。

3.實驗室中的鹽橋一般是將溶液加入至彎曲細小的玻璃管中，內(nèi)阻很大。

實驗驗證：測量單液原電池和雙液原電池的電壓，對比分析發(fā)現(xiàn)，二者差別不大。因此，雙液原電池電流小的原因是內(nèi)阻過大。

實驗改進：根據(jù)電阻公式R=ρL/S，學(xué)生用增大橫截面積的方法減小電阻，設(shè)計出含飽和氯化鉀溶液的瓊脂塊并制成鹽橋。

設(shè)計三：評估瓊脂塊鹽橋原電池效能并探析鹽橋中離子移向

實驗評價：該電池可使小風(fēng)扇持續(xù)轉(zhuǎn)動，電流大、溫度變化不明顯，很穩(wěn)定，初步達到實驗?zāi)康摹?/p>

實驗拓展：該電池電流大，溶液中電導(dǎo)率變化明顯，可用電導(dǎo)率傳感器探析鹽橋原電池中內(nèi)電路的離子移動方向。

實驗反思：該電池溶液耗液量大、體積大、不方便攜帶，能否設(shè)計出微型高效原電池？

教師引導(dǎo)：介紹堿性鋅錳干電池，引入隔膜。

實驗改進：離子交換膜可以看作是橫截面積變大、長度變短的鹽橋，故用離子交換膜代替瓊脂塊。

設(shè)計四：膜電池

實驗評價：離子交換膜電池可使小風(fēng)扇持續(xù)轉(zhuǎn)動，電流大且穩(wěn)定，但是成本很高。

實驗改進：尋找生活中的膜材料代替離子交換膜的實例，如玻璃紙、魚鰾、洋蔥表皮等，實驗材料簡單易得，成本很低。因此，生活膜電池電流較大且穩(wěn)定，裝置小巧，成本低，是理想的自制電池。

（三）課外探究，構(gòu)建原電池裝置模型，提升素養(yǎng)

成果展示：課外化學(xué)興趣小組展示“自制堿性鋅錳干電池”成果（如圖6）。

筆者引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)原電池裝置模型（如圖7）。

（四）深度探究實驗，課后研學(xué)

發(fā)現(xiàn)問題：學(xué)生研究瓊脂塊雙液原電池時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銅片鋅片接觸不同厚度瓊脂塊時，其電流會變化；當(dāng)銅片鋅片與瓊脂塊接觸面積不同時，其電流也會變化。

課后研學(xué)：教師讓學(xué)生基于以上述兩因素對瓊脂塊鹽橋原電池的電池效能影響進行最優(yōu)實驗條件探究，找出瓊脂塊鹽橋的最優(yōu)厚度以及最佳接觸面積，分組完成實驗報告（如圖8）。

五、實驗結(jié)果與分析

（一）不同鋅銅原電池的優(yōu)缺點對比分析（見表1）

分析實驗數(shù)據(jù)可知，單液原電池電流大，但不穩(wěn)定，短時間內(nèi)會衰弱，溶液溫度上升，能量轉(zhuǎn)換效率不高；雙液原電池穩(wěn)定，但是電流微小；瓊脂塊電流大且溫度、能量轉(zhuǎn)換效率高，但是溶液耗量大，體積大；離子交換膜電池電流大且穩(wěn)定，但是成本很高；玻璃紙、魚鰾等生活膜電池電流大且穩(wěn)定，成本很低。

（二）不同鋅銅原電池的能量轉(zhuǎn)化效率對比分析

能量轉(zhuǎn)化效率η=?????????????×100％，電流是單位時間里通過導(dǎo)體任一橫截面的電量，I=??????，推導(dǎo)出Q（實測）=????????，故利用數(shù)據(jù)采集和處理軟件的積分功能可算出導(dǎo)線中通過的電荷量^[4]。根據(jù)法拉第電解定律可得：上述單雙液電池的正極發(fā)生Cu²⁺+2e^-=Cu的過程中，當(dāng)有nmol Cu²⁺被還原為Cu時，轉(zhuǎn)移的電荷量為Q（理論）=Q（Cu）=2×n（Cu）×F（F為法拉第常數(shù)，F=96484.5 C·mol）。表2是師生根據(jù)上述公式計算出來的不同鋅銅原電池的能量轉(zhuǎn)化效率。

（三）瓊脂塊雙液原電池兩半電池電導(dǎo)率分析

電導(dǎo)率傳感器用于測量溶液的導(dǎo)電性強弱，測定離子濃度。相同溫度下，同種溶液電導(dǎo)率越大、離子濃度越大。實驗中，實驗者借助技術(shù)手段通過電導(dǎo)率數(shù)值外顯雙液原電池內(nèi)電路離子移動方向，在CuSO₄溶液中的Cu²⁺獲得電子成為金屬Cu并沉積在銅片上，鹽橋中的K⁺移向CuSO₄溶液，使得銅半電池離子濃度變化不大，電導(dǎo)率幾乎不變。在ZnSO₄溶液中，鋅片逐漸溶解，鋅失去電子形成Zn²⁺進入溶液，同時鹽橋中的Cl^-會移向ZnSO₄溶液，導(dǎo)致鋅半電池中離子濃度增大，電導(dǎo)率增大（如圖9）。由此可知，雙液原電池中內(nèi)電路離子方向為鹽橋中的K⁺移向正極，Cl^-會移向負極，避免學(xué)生進入認識誤區(qū)——溶液中離子遷移至鹽橋抵消電荷的變化。

六、評價與總結(jié)

（一）實驗現(xiàn)象直觀，過程真實，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確

教師應(yīng)用多種傳感器讓學(xué)生直觀感受電流大小、變化、能量轉(zhuǎn)化率以及內(nèi)電路離子移動方向，化抽象為直觀。實驗過程被錄制，保證實驗數(shù)據(jù)的真實性。同時，師生用軟件進行數(shù)據(jù)采集與分析，數(shù)據(jù)處理過程簡單、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、現(xiàn)象直觀，便于分析；實驗重現(xiàn)性好，可重復(fù)進行數(shù)據(jù)采集。

（二）融合多學(xué)科知識，制成性能優(yōu)異的電池

實驗中，師生基于化學(xué)知識，融合物理學(xué)科的電阻知識，借用生物學(xué)實驗材料，制備出瓊脂塊雙液原電池和膜電池，其在電流、穩(wěn)定性、能量轉(zhuǎn)化率等方面性能表現(xiàn)優(yōu)秀。

（三）關(guān)注探究過程，促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提升

創(chuàng)新實驗要挖掘?qū)嶒瀮r值——幫助學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，否則實驗創(chuàng)新無意義。上述實驗活動過程中，教師不斷引導(dǎo)學(xué)生探析微觀過程中的離子移動，引導(dǎo)學(xué)生思考微觀層面的本質(zhì)問題，從物理電子導(dǎo)體出發(fā)，通過電阻公式R=ρL/S分析原因，按照增大橫截面積、減少長度的思路，完成探究活動，得出離子交換膜可以看作是橫截面積變大、長度變短的鹽橋的結(jié)論，將生活實際的電池與實驗室的原電池建立關(guān)聯(lián)，使學(xué)科核心素養(yǎng)外顯，達到“在用中學(xué)，在學(xué)中用，學(xué)了就用”的效果。

參考文獻

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（作者黎秀梅、王彥迪、蘇忠波系廣東省佛山市順德區(qū)李兆基中學(xué)教師；高超系廣東省佛山市順德區(qū)均安中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志