基于化学认识思路的学生必做实验课教学——以“设计一个简单的原电池”为例

江苏省前黄高级中学国际分校(213161) 华丽芬

化学研究的最终价值在于运用“学生必做实验”是2017年版《普通高中化学课程标准》中的一个重要栏目，确保了学生基本的实验活动，有利于学科素养的培育。“化学能转化成电能”是必修主题3“物质结构基础与化学反应规律”指定的三个学生必做实验之一，相关学科知识的教学要求是：知道化学反应可以实现化学能与其他能量形式的转化，以原电池为例认识化学能可以转化为电能，从氧化还原的角度初步认识原电池的工作原理。化学认识思路是对物质及其变化的特征及规律进行认识的程序、路径或框架，是解决“怎么想”的问题。必做实验辅助课堂教学，有利于学生构建化学认识思路，深入理解化学知识，并能运用所学知识解决与之相关的实际问题，感悟学科价值。

“设计一个简单的原电池”是在新课标指导下并依据苏教版(2019)必修第2册开展的一节实验教学课。在必修模块原电池的学习中，学生需要建立原电池与氧化还原反应的关联，能够正确认识原电池的构成要素，初步建立对原电池的认识模型，所以本节课制定如下教学目标：①认识原电池反应的本质是自发的氧化还原反应，能多角度、动态地分析原电池中物质的变化及能量的转换，发展“宏观辨识与微观探析”素养；②能利用典型的铜锌原电池装置，分析原电池原理，进而建立原电池设计的思维模型，发展“证据推理与模型认知”素养。

1 初识原电池(理解模型)

原电池是基于自发进行的氧化还原反应并将化学能转化为电能的装置，通过环节一的分组实验(见表1)，学生初步认识到构成铜锌原电池的基本要素：活泼性不同的两个电极(锌片和铜片或是锌片和碳棒)浸泡在电解质溶液(稀硫酸)中形成闭合回路。然后教师运用微观动画(见图1)帮助学生进一步理解原电池的工作原理，通过书写电极反应式进行符号表征，引导学生深化对氧化反应和还原反应分开进行的必要性的理解。

图1 原电池工作原理示意图

表1 探究原电池的构成条件

2 设计原电池(建构模型)

图2 设计一个简单原电池的基本思路

表2 实验过程

3 改进原电池(优化模型)

教师在肯定学生的设计方案(见图3)的基础上，请学生判断图4是否构成原电池，预测灵敏电流计能否偏转？多数学生认为盐桥应该有沟通电路的作用，预测有电流产生。教师进一步提问：如何沟通？有的学生认为是Fe3+沿着盐桥运动到左侧烧杯与铜片反应。通过提问，发现学生能从图4中找到与氧化还原反应有关的物质(Fe3+与Cu反应)，但是不清楚盐桥所起到的作用，存在迷思概念。所以，教师接下来进行演示实验，一是验证图4是否构成原电池，二是请学生仔细观察盐桥的颜色是否有变化，三是请学生分析两个原电池的优缺点。

图3 学生设计的原电池装置图

图4 教师展示的装置图

盐桥中装有饱和的KCl、KNO3等溶液和琼脂制成的凝胶，作用是连接内电路、形成闭合回路以及平衡电荷(如图4中Cl-进入左侧烧杯、K+进入右侧烧杯)，使原电池不断产生电流。演示实验验证了学生的猜测也消除了部分学生的疑虑，在教师引导下，学生进一步发现图3装置中，还原剂Cu与氧化剂Fe3+是直接接触的，化学能既转化为电能，又转化为热能，会造成能量损耗，而图4装置中，还原剂Cu与氧化剂Fe3+不直接接触，化学能主要转化为电能，避免了能量的损耗，所以电流更稳定，持续时间也更长。

作为学生必做实验，教师要舍得给学生充足的时间开展活动，条件允许的情况下可以两位学生为一组，与学科知识的教学同步展开。在学生汇报实验方案时要强调实验设计的思路，以达成“依据原电池设计的思维模型设计原电池”的教学目标。教师在三个环节实施结束之后，还可以让同组学生互相出题，一位学生举例任一能自发进行的氧化还原反应，另一位学生根据该反应设计成原电池，说明设计思路并且画出装置图。然后出题人再作出评判，评判的依据主要有两方面：一是电极反应物、电极材料和离子导体三要素是否符合基本要求；二是能否有效控制氧化反应、还原反应分开进行。通过组内互动环节，进一步帮助学生建立电池构成要素之间的关联，提升“模型认知”素养。