原电池工作原理的探究性教学实践*

管凌云 张婷

摘要： 介绍以原电池工作原理为问题情景进行探究性教学的过程。教学中模拟历史上记载的一些曾经发生的电池案例问题，引导学生利用假设、推理、实验验证等问题解决方式进行探究学习，而后呈现化学史知识，让学生体验科学发展的过程和规律，在探索中提升学生的创造性思维，促进化学学科核心素养的发展。

关键词： 原电池原理; 探究性学习; 实验探究; 化学史

文章编号： 1005-6629（2021）02-0038-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  教学背景

“原电池的工作原理”是苏教版选修4《化学反应原理》专题一“化学能与电能的转化”第一节的内容。学生在必修模块的学习中已经认识了铜锌原电池的工作原理和形成条件，本节课在必修的基础上重点介绍双液原电池模型，进一步了解化学电源的工作原理，帮助学生认识电池的重要意义。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出，教学中应创设真实情境，组织学生开展基于能量利用需求选择反应、设计装置等活动，提升科学探究与创新意识等化学学科核心素养。真实、具体的问题情境是学生化学核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会。因此，教师在教学中应重视创设真实且富有价值的问题情境，促进学生化学学科核心素养的形成和发展[1]。

探究性学习是指学生通过自主地参与获得知识的过程，加深对知识的体验，掌握研究自然所必须的探究能力，同时，形成认识自然的基础——科学概念，进而培养探索未知世界的积极态度。教师可在教学过程中创设类似科学研究的真实问题情境，引导学生主动参

与、积极思考与探索，最终解决问题。在历史的回顾中发现，在偶然性中蕴含着必然的规律，学生的认知发展规律与科学发展脉络有很多相似性。因此，在探究性学习过程中，将化学史融入化学教学中，让学生体会科学家们的探究历程，一步步获得新知识，帮助学生从已有认知水平发展到更高级的认知水平。高二学生对电压、电容、电流强度、电阻、供电效率等内容已有初步了解，为探究电池性能提供了必需的知识储备。

本文以“原电池的工作原理”的教学过程为例，谈谈如何利用真实的问题情境进行探究性学习。

2  教学流程

2.1  真实的电池应用问题，引起学生对探究的好奇和兴趣

[教师]汽车是我们生活中重要的出行工具，但是随着环境的污染和石油资源的紧张，传统燃油车的弊端已逐步显现。面对环境和资源的压力，全球许多国家已经给出了禁售燃油车的时间表。种种迹象表明，燃油车将退出历史舞台，取而代之的将是电动汽车等新能源交通工具。因此，化学工作者们在提高电池性能、增大能量转化效率方面，必将大有作为。电池的基本原理在同学们高一的时候已经学习过了，今天这堂课我们还将进一步深入学习。

设计意图： 本环节能让学生意识到电池在现实生产生活中的重要性，引起学生对本节课学习内容的好奇和兴趣，激发学生的探究欲望。

2.2  真实的电池效率问题，在探究中推动学生的创造性思维

[问题提出]我们已经知道，可以将一个自发进行的氧化还原反应通过原电池装置，把化学能转化为电能，现在请大家把Zn+H2SO4ZnSO4+H2↑设计成原电池，并分析其工作原理。

[学生]上讲台画装置图并说明工作原理。

[教师]这样的电池是否实用呢？你认为电池可以成为实用电池，电池性能方面需要满足哪些要求？

[学生]稳定的电流、满足用电器电压要求、电容要大（用的时间要长）、能量转化效率要高（如电池不用的时候不能漏电）。

[教师]我们通过实验检测一下这种原电池的电流是否稳定？通过一些实验现象，判断这个原电池的供电效率怎么样？

[学生实验1]见表1。

1. 用实验盒里的材料组装成Zn/稀硫酸/Cu原电池，观察实验现象

2. 用电流传感器测量该原电池电流强度

学生4人一小组进行实验，讨论后进行汇报，教师补充。

[小结]（1）观察到锌片的表面产生大量气泡，这是负极锌与硫酸直接发生反应，而且锌也会含有杂质，和硫酸形成微小原电池，自放电很严重，导致供电效率低。

（2）组装成的原电池中电流不稳，数值逐渐下降（见图1）。由于在铜极上聚集了许多气泡，把铜电极跟稀硫酸逐渐隔开，这样就增加了电池的内阻，使电流不能畅通。（其他导致电阻增大的原因暂不讨论）

[教师]如何解决铜锌原电池存在电流不稳定、供电效率低的问题呢？请同学们先独立思考2分钟，再进行小组讨论3分钟，改进原电池装置并画出装置图。

[学生1]首先，避免氧化剂和还原剂直接接触，另外可以改用硫酸铜溶液，以减少氢气的产生。我们把原电池发生的两个半反应分别在两池中进行，一个池中放有铜电极、硫酸铜溶液，实现半反应： Cu2++2e-Cu;另一个池中放有锌电极、电解质溶液（不与锌反應），实现半反应： Zn-2e-Zn2+。

[教师]如何构成一个完整的回路？

[学生2]用导线连接或者电解质溶液连接（电解质溶液由于具有流动性，可以想办法固定，例如用滤纸浸泡电解质溶液）两种方法。

[教师]是否可行呢？要用实验来检验。

[学生实验2]实验用品： 饱和KCl溶液、铜电极、锌电极、硫酸铜溶液、硫酸锌溶液、滤纸、铜丝，用电流传感器测量两种连接两池的方法是否有电流，见表2。

实验内容现象结论

1. 用铜丝连接两池，用电流传感器测量电流强度

2. 用浸有饱和KCl溶液的滤纸连接两池，用电流传感器测量电流强度

学生4人一小组进行实验，讨论可行性后进行汇报。

[小结]铜丝连接的办法能形成通路，但铜丝会成为电极，“电极/溶液”界面上有电子得到或失去的反应，整套装置四个电极都有反应，工作原理改变，不属于装置改进研究范畴。浸有饱和氯化钾溶液的滤纸可以形成通路，但滤纸不够牢固，易破损。

[教师展示]盐桥实物。

[教师]用琼脂（一种凝固剂）可以把饱和氯化钾溶液凝固在“U”型管中，离子可以在其中迁移，这种装置被人们形象地称为盐桥。导电效果怎么样呢？要用实验来检验。

[教师演示实验1]组装电池装置（见图2），用电流传感器测量该原电池电流（见图3）。

[小结]实验结果表明，使用盐桥后，既能克服自放电的问题，又使得电流稳定。

[学生任务]分析使用盐桥装置的原电池的工作原理：

（1） 写出电极方程式。

（2） 盐桥中的离子会怎样运动，会不会进入两池溶液？

（3） 盐桥能像金属导线那样长期使用吗？

（4） 盐桥中的电解质可不可以换成别的？如果可以换，电解质要满足什么要求？

[学生汇报]

（1） 使用盐桥装置的原电池的电极反应与单液原电池相同。

（2） 负极随着Zn-2e-Zn2+，溶液中阳离子过剩，氯离子进入，才可电荷平衡;正极随着Cu2++2e-Cu，溶液中阳离子减少，阴离子过剩，钾离子进入，才可电荷平衡。所以氯离子应向负极迁移，钾离子应向正极迁移，盐桥中的离子会进入两池。

（3） 使用一段时间会失效，需重新放入浓溶液中浸泡。

（4） 能，电解质要满足的要求是不与电池中的溶液发生反应。（教师可让学生补充了解其他要求，如高浓度、阴阳离子迁移速率接近、不与电池中的溶液发生反应等。常用饱和氯化钾、硝酸钾、硝酸铵溶液。琼脂固化后，既能实现离子迁移，又不会倒流）

[投影]教师小结（见图4）。

设计意图： 该环节设计思路模拟历史上从伏打电池发展到丹尼尔盐桥电池的过程。创设真实的问题情景，激发学生的探究兴趣，推动学生的创造性思维的形成和发展，基本思路为： 发现问题—分析原因—分析解决关键点—设想方案（创造性思维启动）—实验确认。本环节也承载了本堂课重点知识与技能的学习，教学方法为： 设计问题串，由学生总结与感悟，完全避免了枯燥的知识传授，知识的获得与能力的提升齐头并进。

2.3  真实的供电新问题，在探究中发展学生的创造性思维

[教师]没用盐桥时电流强度起始值为1047μA，180秒时为945μA（见图5），使用盐桥时电流强度约为666μA（见图6），为什么使用盐桥后电流强度会变小呢？猜测可能的原因。

[学生]电流强度小，是因为电阻大。盐桥的装置拉大了正负极之间的距离，导致电阻增大，电流强度变小。

[教师]猜测是否正确呢？要用实验来检验。

[教师演示实验2]用一根长的盐桥和一根短的盐桥进行对比实验，分别用电流传感器检测电流强度（实验结果见表3）。

[教师演示实验3]向含有一根盐桥的装置中添加盐桥，变成两根、三根，进行对比实验，分别用电流传感器测量电流强度（实验结果见表4）。

[学生小结]盐桥越短，电阻越小，电流越大;盐桥越多，接触面积越大，电流越大。

[教师]让电流增大，可以怎么做？

[学生]盐桥尽量短，接触面积尽量大。

[教师提示]极限的短，极限的长，会是什么样？

[学生]一层膜！

[教师]这个膜应该具有什么样的功能？

[学生]隔开氧化剂和还原剂，避免接触;某些离子能通过，保持两侧电荷平衡。

[投影]随着高分子材料的发展，1950年W.朱达首先合成了离子交换膜。离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜，也称为离子选择性透过膜。主要分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和特殊离子交换膜。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过。

[教师]在铜锌原电池中放阳离子交换膜还是阴离子交换膜？

[学生]阴离子交换膜。

[投影]碱性电池、新型电池内部构造。

[教师]电池内部是膜的结构。用这样膜的结构还可以克服盐桥装置需定期更换盐桥的缺点。

设计意图： 这个过程仿佛让学生参与了真实的电池改进过程，教师设计问题激发学生去探究，用对比实验让学生的思维产生灵感，从而使学生的创造性思维得到发展，并体验到成功的快乐。

2.4  真实的电池历史演变，激励学生继续探究与创新

[教师]今天这堂课，根据我们面临的一个又一个的问题，不断设计方案改进实验装置，这个探究过程就是历史上电池的发明和发展的过程。

[投影]见表5。

[教师]如今，电池还在进行著一次又一次的创新与突破，从金属电池发展到气体燃料电池再到太阳能电池，从一次性电池发展到可充电电池。电池的容量也在发生着巨大的变化，特斯拉纯电动汽车的续航能力已达500～800公里，这使得传统的油箱和电池基本上没有任何竞争力。每一次的变革，都来自科学家们对问题的解决。可以说，电池的发展之路，就是一条问题解决之路。技术的进步和科学的发展都需要我们不断地通过探究解决问题。希望大家能保持这种积极探索科学问题的热情，同时具有解决生产生活中化学问题的担当和能力。课后，希望同学们还能继续去探究，例如： 探究课题1： 如何提高电池的容量？探究课题2： 探究电池的电压跟什么有关？

设计意图： 用这样的课堂小结，既理清了整堂课以电池改进为主线的思维脉络，又让学生体会到以问题解决为暗线的科技创新之路。

3  教学总结

许多教师对原电池的教学进行探索： 黄元东，周青基于CoRe模型对高中化学教师在“原电池”主题的PCK进行表征研究，发现优秀教师重视原电池与生活的联系，灵活创造教学情境，选择图像、举例、实验等多种方式开展教学，注重培养学生的推理、识图和思维能力，帮助学生深刻理解某些抽象和重难点的知识[2]。李振明认为原电池的形成经历了多位科学家多年的科学研究，适合采用HPS（化学史、科学哲学和科学社会）教学模式进行原电池的教学，科学史的展示尽量以时间的先后顺序展现历史材料[3]。顾建辛对苏教版原电池教学的现状进行分析，认为教师受“考点”“热点”的绑架，课堂教学表现出只触及表面性的事实和结论，缺乏对情境假设与猜想的引导[4]。

教材呈现的铜-锌双液原电池，通过电流计指针的偏转来说明化学能转化为电能，大多数情况下师生只会关注指针有没有偏转，而不会定量读出电流数据并进行比较。本节课使用了电流传感器，学生可以从实验图像中直观感受到单液原电池中的电流强度数值的缓慢下降，从而发现电流不稳定、供电效率低的问题;在比较不同（长短、数量）盐桥的原电池时，电流传感器实时测定的准确电流强度数值可以让学生快速发现规律。本节课教学中模拟历史上曾经真实存在的一个个电池问题，引导学生一步步解決它们;在学生完成问题解决后，最后呈现科学家们探究电池的一个个历程，让学生再次感悟科学发展的历程。相比于直接呈现历史，这种“不谋而合”的方式更能够让学生体验到科学探究的魅力与成就感以及科学发展的必然规律。本节课在课堂中引入真实的问题情境，营造有利于创造的学习环境，发挥学生的想象力，同时对学生的猜想进行引导，利用实验手段培养学生的探究精神和实践能力，实现思维的提升和突破。这种创造性思维的形成，能够帮助学生今后走出课堂面对实际问题时迸发出灵感来解决问题，进行发明和创新活动。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 29， 73.

[2]黄元东， 周青. 优秀化学教师“原电池”主题的PCK表征研究[J]. 化学教学， 2019， （8）： 20～24.

[3]李振明. 基于核心素养的HPS教学模式构建——以“原电池”为例[J]. 中学化学教学参考， 2019， （9）： 29～31.

[4]顾建辛. 关于化学核心素养培育的微观思考——原电池教学中的“证据推理与模型认知”[J]. 化学教学， 2017， （11）： 34～38.