基于學科核心素養的“原電池”教學設計

馬長燕

［摘 要］“原電池”是高中化學學科體系的核心知識之一，是學生認識化學反應與能量變化的重要載體。以發展學生化學學科核心素養為目標，創設真實情境，采用任務驅動、提供學習支架等方法，組織學生進行實驗探究，引導學生對單液電池的構造進行改進，優化裝置，分析原電池的工作原理及構成要素，并建構原電池的裝置—原理二維模型，最后通過分析新能源汽車動力磷酸鐵鋰電池，應用二維模型圖實現表征轉換，在問題解決過程中實現學生高階思維的培養，達成學生學科核心素養的培養目標。

［關鍵詞］核心素養；原電池；教學設計

［中圖分類號］ G633.8 ［文獻標識碼］? A ［文章編號］ 1674-6058（2023）26-0067-04

一、“素養為本”的教學設計理念

“原電池”是高中化學學科體系的核心知識之一，本節內容選自新人教版高中化學選擇性必修1的第四章第一節。新課標中提出課程要以發展學生化學學科核心素養為主旨，以真實問題情境為載體，開展實驗探究活動，運用化學知識解決實際問題，促進知識向素養的轉化［1］。如何把核心素養落實到教學中，指導教學設計，值得我們思考。原電池在高一化學中已有所涉及，學生已經初步了解原電池的工作原理，具備守恒思想，但是批判性思維、創造性思維、問題解決能力等高階思維及能力的整體水平較低，需要進一步培養。

本節課借助數字化實驗將“看不到”的微觀世界可視化，測量不同的原電池的工作電流，引導學生探究影響電流的因素，分析實驗宏觀現象及其微觀原理，促進學生關聯宏觀—微觀—符號三重表征，自主建構原電池的裝置—原理二維模型［2］。課中設計問題鏈，引導學生進行深入有效的思考，利用實驗結果分析解釋情境問題，促進學生高階思維的發展。同時，對電池裝置進行優化，并通過實驗驗證，讓學生了解鹽橋、離子交換膜的作用，進一步認識原電池的裝置—原理二維模型，最后遷移應用裝置—原理二維模型分析新能源汽車動力磷酸鐵鋰電池的工作原理及結構，促進學生科學素養和關鍵能力的發展。其過程如圖1所示。

二、教學目標

1.通過實驗探究，分析單液原電池的不足，設計改進方案，進一步學習雙液、隔膜電池的構成及其工作原理，聯系氧化還原反應，能從宏觀、微觀層面分析化學能轉化為電能的原理。

2.自主建構原電池的二維模型，形成從裝置和原理兩個維度分析陌生原電池的思路和方法，發展模型認知素養。

3.通過新能源汽車的動力分析，感受化學學科的社會價值。

三、教學流程

基于教學目標，設計教學活動，主要流程如圖2所示。

四、教學過程

環節一：創設情境，引入新課

【新課導入】目前我國是全球最大的新能源汽車銷量國家。新能源汽車種類有：燃料電池汽車、插電式混合動力汽車、純電動汽車。

教師：不論是哪一種，都與電有關系，都有對應的電池。我們在必修第二冊中學習了原電池的相關知識，新能源汽車的能量轉化方式與傳統汽車相比有什么不同？轉化率如何？

學生1：新能源汽車是將化學能轉化為電能，電能再轉化為機械能，轉化率更高。

教師：本節課我們一起繼續學習原電池。

設計意圖：先從生活走進化學，讓學生感受化學與生活密切相關，再回顧原電池舊知，喚醒學生已有認識，激發學生學習的興趣。

環節二：宏微關聯，建構裝置—原理二維模型

【創設情境】下列裝置（如圖3）是否能夠構成原電池？請說明理由。

【學生表現】學生的回答基本正確并能說明原因。

【建構模型】從微觀角度分析單液原電池（如圖4）；關聯宏觀—微觀—符號三重表征，從裝置和原理兩個維度分析原電池（如圖5）。

【提出問題】這樣一個簡單的原電池能否投入實際應用中呢？

【學生活動】（1）分組實驗：銅鋅硫酸銅單液原電池。（2）觀察并記錄實驗現象：電流讀數不穩定，電流很快減小，銅片表面有紅色固體析出，但是鋅片上也有紅色固體物質析出。測試反應前后的溫度，溫度隨反應的進行而升高。

【提出問題】（1）鋅片表面為什么會有紅色固體析出？（2）鋅片與硫酸銅溶液直接接觸，會產生什么結果？

學生2：鋅片與硫酸銅溶液接觸會發生放熱反應，有部分化學能轉化為熱能，能量轉化效率低。這就是反應后溫度升高的原因，并且析出的固體覆蓋在鋅片表面，阻止原電池進一步反應，隨著時間的延續，電流減小，由此可以看出這樣的原電池不能投入實際應用當中。

設計意圖：通過分析原電池的工作原理，讓學生關聯宏觀—微觀—符號三重表征，自主建構原電池的裝置—原理二維模型；通過實驗探究，讓學生了解單液原電池的不足并思考改進方法。

環節三：實驗探究，完善裝置—原理二維模型

【提出問題】怎樣改進原電池裝置？怎樣阻止Cu2+與鋅片直接接觸？鋅片應放入什么樣的溶液中？該用什么樣的物質溝通內電路，形成原電池？

【學生活動】學生思考后改進實驗裝置，設計實驗方案。（實驗器材：銅片、CuSO4溶液、鋅片、ZnSO4溶液、飽和KCl溶液、飽和KNO3溶液、燒杯、導線、鹽橋、濾紙、數字電流表、溫度計）

【提供信息】溶液中的陰陽離子的遷移率接近可以提高導電能力。一些離子在水溶液中的遷移率如表1所示。

【學生表現】展示設計的實驗方案。方案一：用鹽橋搭建橋梁；方案二：用濾紙條搭建橋梁；濾紙條含飽和KNO3或KCl溶液。

【學生活動】（1）分組實驗：利用自己設計的實驗方案進行實驗。（2）觀察并記錄實驗現象：溫度計示數不變，搭建濾紙或鹽橋時溶液的電流表讀數穩定，工作一段時間無變化，但是電流很小，取出濾紙或鹽橋后，原電池停止工作。

【提出問題】為什么電流讀數穩定？為什么搭建濾紙條和鹽橋的效果是一樣的？鹽橋中離子移動方向是怎樣的？鹽橋的作用是什么？為什么電流讀數比較??？

【提供信息】離子運動的距離長、通道窄會增大電阻。展示雙液—鹽橋原電池微觀分析圖（如圖6）。

學生3：溶液的導電能力與離子的遷移速率有關，KCl或KNO3溶液中陰陽離子的遷移率接近，所以鹽橋可以選擇飽和KCl或KNO3溶液。根據資料信息可知鹽橋電阻大，所以電流小。

【提出問題】在實際應用的電池中我們很少看到鹽橋的影子，主要的原因是鹽橋的內阻太大。那么我們還可以怎樣改進裝置呢？

【提供信息】隔膜又叫離子交換膜，只允許特定的離子通過，常見的有陽離子交換膜、陰離子交換膜、質子交換膜。

學生：根據資料信息，可以得出改進裝置的方法，即縮短鹽橋的長度，增大鹽橋的橫截面積，或選用隔膜代替鹽橋。

【演示實驗】按照改進后的實驗裝置（如圖7），做演示實驗。

教師：上述兩個裝置電流穩定且較大。但是鹽橋的離子容量有限，需要及時更換，而且鹽橋比較重，隔膜比較輕，所以實際電池中采用的多是隔膜。隔膜可以阻止兩種反應物直接接觸，同時起平衡電荷、形成閉合回路的作用。請同學們按照相同的思路從裝置構成和工作原理兩個維度對隔膜原電池進行分析，并完成裝置—原理二維圖。

【學生任務】歸納討論隔膜原電池的裝置—原理二維模型（見圖8）。

【提出問題】分析單液原電池與隔膜原電池在裝置上有什么不同？

學生4：電解質溶液不一樣，離子導體不同。

設計意圖：通過分析單液原電池的不足，引導學生設計方案優化電池裝置，并通過實驗驗證，了解鹽橋、離子交換膜的作用，進一步認識原電池的裝置—原理二維模型，經過不斷反思，批判性思維得到發展，形成“科學探究與創新意識”核心素養。

環節四：應用模型，分析新能源汽車動力

教師：為了滿足社會的需要，現代化學電源正朝著更尖端的方向發展，科學研究者們正致力于研究新型電池以滿足人類的需求，比如純電動汽車使用的鋰電池。

【創設情境】PPT展示磷酸鐵鋰原電池電子轉移動態圖以及總反應方程式。

教師：請同學們將該電池的裝置—原理二維圖補充完整。

【學生活動】從總反應出發，分析電極反應，選擇電極材料及離子導體，完成填寫。

設計意圖：讓學生將所學知識應用于分析磷酸鐵鋰電池，體會從裝置和原理兩個維度分析原電池的意義，形成從裝置、原理兩個維度分析陌生原電池的思路和方法。

五、小結

（一）創設真實問題情境，設計實驗探究，培養高階思維

從生活中的新能源汽車動力出發，走進化學，以學生熟悉的銅鋅原電池為例，設計問題鏈，引導學生開展探究活動；利用數字化實驗可視化特點，測量電池電流；通過電流的具體數值，分析電池優劣，進行電池結構的微觀探析，了解設計關鍵因素，優化原電池。讓學生歷經科學探究的過程，加深了學生對原電池工作原理的理解，再回歸生活，讓學生運用知識分析純電動新能源汽車的磷酸鐵鋰電池，使學生的批判性思維、創造性思維以及問題解決能力得到了發展，提升了學生的學科核心素養。

（二）模型建構，優化認知結構，形成學習方法

首先，通過原電池的實驗和原理分析這兩個活動，促進學生自主建構原電池的裝置—原理二維模型；接著，通過分析雙液—鹽橋原電池和隔膜原電池，讓學生進一步認識裝置—原理二維圖；最后，讓學生應用裝置—原理二維模型分析磷酸鐵鋰電池，并繪制二維圖解決實際問題，形成分析陌生原電池的思路和方法。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版［M］.北京：人民教育出版社，2018．

［2］? 張瑞林，劉曉華，姜言霞.整合多重表征 促進概念深度理解：以“原電池”為例［J］.化學教育（中英文），2022（3）：23-31.