基于学习进阶理论的实验创新设计

黎秀梅 王彦迪 苏忠波 高超

学习进阶是学生在各学段学习同一主题概念时所遵循的连贯的、典型的学习路径，一般呈现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列^[1]。以原电池为主题的相关概念教学涉及高一、高二两个学段，如何遵循学生的认知规律使其通过不同学段的学习实现思维螺旋式上升是值得思考的问题。为引导学生探究不同装置的铜锌原电池实验效能，笔者利用化学原电池实验原理、物理电阻公式以及生物学实验材料，开展进阶式实验，激发学生深度思考，让学生直观认识本质，实现从定性到定量的实验进阶，提高学生的化学学科核心素养。

一、实验功能价值分析

人教版高中化学教材编排的实验是循序渐进的。《普通高中教科书 化学 必修 第二册》编排了单液原电池实验（实验6—3），在《普通高中教科书 化学 选择性必修1 化学反应原理》编排了双液原电池（实验4—1），教材中实验的进阶虽然解决了电池电流不稳定的问题，但U形管盐桥双液原电池电流小、效能低，实际应用意义有限^[2]。生产生活应用较多的是离子交换膜电池，而教材对这部分内容较少涉及，学生无法感知生活中的电池是如何由实验室的原电池逐步进阶而来的。笔者以教材上的实验为基础，基于化学思维进阶理论改进琼脂块原电池和膜电池，利用手持技术探究不同种类铜锌原电池的电池效率以及显化内电路离子移动情况，促进学生理解原电池装置各部分的作用，同时实现从定性分析到定量实验的转变，深化学生对原电池的实际应用的认识，让学生认识化学的本质和价值。

二、实验改进要点

笔者设计了5组对照实验，即单液原电池、U形管盐桥双液原电池、琼脂块双液原电池、离子交换膜电池、生活膜材料电池（如图1），意在培养学生基于现象和数据进行实验推理的能力。

实验在以下方面有所创新。

在琼脂块双液原电池实验中，笔者用温度传感器和电流传感器让学生直观感受琼脂块双液原电池的电池效能高于U形管盐桥双液原电池。在膜电池实验中，笔者将其与纸巾相结合改进微型化实验，同时引导学生通过实验对比阳离子交换膜、阴离子交换膜的电流变化曲线，认识阴阳离子膜的作用。

在生活膜材料电池实验中，笔者用玻璃纸、鱼鳔、洋葱表皮等廉价的生活膜材料代替昂贵的离子交换膜，引导学生增强化学应用的成本意识。

笔者利用电导率传感器使内电路的阴阳离子移动可视化，帮助学生对原电池工作原理进行微观本质探析。

三、实验方法

实验前，笔者准备以下设备、器材、工具和药品。

实验材料：数字化探究实验仪器（无线传感器，包括温度传感器、电流传感器、电压传感器、电导率传感器）、数据采集与分析软件、自制琼脂块、电流表、导线、纸巾、玻璃片、阴离子交换膜、阳离子交换膜、玻璃纸、鱼鳔、橙子。

实验药品：铜片（6 cm×4 cm）、锌片（6 cm ×4 cm）、KCl固体、饱和CuSO₄溶液、饱和ZnSO₄溶液、0.05 mol/L CuSO₄溶液。

实验方法如下。

（一）组装铜锌单液原电池

实验准备（如图2）：向原电池反应器中加入160 mL CuSO₄溶液，将电流传感器红导线一端连接铜片，黑导线一端连接锌片，插入溶液中，注意防止短路。

用数字传感器测温度、电流、电压变化情况：将温度传感器用铁架台固定好，插入至溶液中央；打开传感器蓝牙连接平板电脑，设置好收集时间（5分钟），开始采集数据；将电流传感器换成电压传感器，重复上述操作。

（二）组装铜锌U形管双液原电池

向小烧杯中分别加入40 mL ZnSO₄溶液和40 mL CuSO₄溶液，将电流传感器红导线一端与铜片连接，黑导线一端与锌片连接，依次插入CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液中；将温度传感器用铁架台固定，插入ZnSO₄溶液中央；用数字传感器测温度、电流、电压变化情况。

（二）组装琼脂块双液原电池

琼脂块制作：首先向烧杯中加入3 g琼脂和97 mL蒸馏水，水浴加热至完全溶解，然后加入30 g KCl充分搅拌，完全溶解后趁热倒入长方体模具中冷却（如图3），用的时候再切割至原电池反应器中即可^[3]。

实验步骤：向琼脂块两边分别注入40 mL ZnSO₄溶液和40 mL CuSO₄溶液，将电流传感器红导线一端与铜片连接，黑导线一端与锌片连接，依次插入CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液中；将温度传感器用铁架台固定，插入ZnSO₄溶液中央；将电导率传感器分别插入CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液中；用数字传感器测温度、电流、电压变化情况。

（三）组装离子交换膜原电池

将两片玻璃片分开放在桌面上，用纸巾分别包裹铜片和锌片，包裹部分约占2/3，分别吸取约2.5 mL CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液，分别放在玻璃片上固定，中间用离子交换膜隔开；将电流传感器红导线一端与铜片连接，黑导线一端与锌片连接，用数字传感器测温度、电流、电压变化情况（如图4）。

（四）组装生活膜材料原电池

将两片玻璃片分开放在桌面上，用纸巾分别包裹铜片和锌片，包裹部分约占2/3，分别吸取约2.5 mL CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液，分别放在玻璃片上固定，中间用玻璃纸或者鱼鳔隔开；将电流传感器红导线一端与铜片连接，黑导线一端与锌片连接；用数字传感器测温度、电流、电压变化情况（如图5）。

四、实验教学过程

（一）提出学习任务，回顾原电池知识

实验任务：设计一个微型原电池，带动小风扇工作，分组合作起草电池评价方案并设计实验方案。

（二）实验探究，优化电池设计

设计一：评估单液原电池效能

实验评价：单液原电池电流大，但不稳定，短时间内会衰弱，溶液温度上升明显，小风扇短时间内便停止转动，该电池不具备实用价值。

实验改进：学生观察发现，锌片上附着较多红色物质（铜单质），说明锌与铜离子发生了置换反应。学生将锌片与硫酸铜分开，在两个烧杯中同时用盐桥连通内电路。

设计二：评估双液原电池效能

实验评价：观察双液原电池，电流、温度10分钟内未发生变化，很稳定，但小风扇不转动，电流非常微弱，该电池也不具备实用价值。

思考问题：盐桥是什么？盐桥起什么作用？分析盐桥构造，思考为什么双液原电池的电流变小。

学生分组讨论得出如下结果：

1.盐桥一般由琼脂和饱和氯化钾或饱和硝酸钾溶液构成。

2.盐桥的作用是形成离子通道和平衡电荷。

3.实验室中的盐桥一般是将溶液加入至弯曲细小的玻璃管中，内阻很大。

实验验证：测量单液原电池和双液原电池的电压，对比分析发现，二者差别不大。因此，双液原电池电流小的原因是内阻过大。

实验改进：根据电阻公式R=ρL/S，学生用增大横截面积的方法减小电阻，设计出含饱和氯化钾溶液的琼脂块并制成盐桥。

设计三：评估琼脂块盐桥原电池效能并探析盐桥中离子移向

实验评价：该电池可使小风扇持续转动，电流大、温度变化不明显，很稳定，初步达到实验目的。

实验拓展：该电池电流大，溶液中电导率变化明显，可用电导率传感器探析盐桥原电池中内电路的离子移动方向。

实验反思：该电池溶液耗液量大、体积大、不方便携带，能否设计出微型高效原电池？

教师引导：介绍碱性锌锰干电池，引入隔膜。

实验改进：离子交换膜可以看作是横截面积变大、长度变短的盐桥，故用离子交换膜代替琼脂块。

设计四：膜电池

实验评价：离子交换膜电池可使小风扇持续转动，电流大且稳定，但是成本很高。

实验改进：寻找生活中的膜材料代替离子交换膜的实例，如玻璃纸、鱼鳔、洋葱表皮等，实验材料简单易得，成本很低。因此，生活膜电池电流较大且稳定，装置小巧，成本低，是理想的自制电池。

（三）课外探究，构建原电池装置模型，提升素养

成果展示：课外化学兴趣小组展示“自制碱性锌锰干电池”成果（如图6）。

笔者引导学生建构原电池装置模型（如图7）。

（四）深度探究实验，课后研学

发现问题：学生研究琼脂块双液原电池时发现，当铜片锌片接触不同厚度琼脂块时，其电流会变化；当铜片锌片与琼脂块接触面积不同时，其电流也会变化。

课后研学：教师让学生基于以上述两因素对琼脂块盐桥原电池的电池效能影响进行最优实验条件探究，找出琼脂块盐桥的最优厚度以及最佳接触面积，分组完成实验报告（如图8）。

五、实验结果与分析

（一）不同锌铜原电池的优缺点对比分析（见表1）

分析实验数据可知，单液原电池电流大，但不稳定，短时间内会衰弱，溶液温度上升，能量转换效率不高；双液原电池稳定，但是电流微小；琼脂块电流大且温度、能量转换效率高，但是溶液耗量大，体积大；离子交换膜电池电流大且稳定，但是成本很高；玻璃纸、鱼鳔等生活膜电池电流大且稳定，成本很低。

（二）不同锌铜原电池的能量转化效率对比分析

能量转化效率η=             ×100％，电流是单位时间里通过导体任一横截面的电量，I=      ，推导出Q（实测）=        ，故利用数据采集和处理软件的积分功能可算出导线中通过的电荷量^[4]。根据法拉第电解定律可得：上述单双液电池的正极发生Cu²⁺+2e^-=Cu的过程中，当有nmol Cu²⁺被还原为Cu时，转移的电荷量为Q（理论）=Q（Cu）=2×n（Cu）×F（F为法拉第常数，F=96484.5 C·mol）。表2是师生根据上述公式计算出来的不同锌铜原电池的能量转化效率。

（三）琼脂块双液原电池两半电池电导率分析

电导率传感器用于测量溶液的导电性强弱，测定离子浓度。相同温度下，同种溶液电导率越大、离子浓度越大。实验中，实验者借助技术手段通过电导率数值外显双液原电池内电路离子移动方向，在CuSO₄溶液中的Cu²⁺获得电子成为金属Cu并沉积在铜片上，盐桥中的K⁺移向CuSO₄溶液，使得铜半电池离子浓度变化不大，电导率几乎不变。在ZnSO₄溶液中，锌片逐渐溶解，锌失去电子形成Zn²⁺进入溶液，同时盐桥中的Cl^-会移向ZnSO₄溶液，导致锌半电池中离子浓度增大，电导率增大（如图9）。由此可知，双液原电池中内电路离子方向为盐桥中的K⁺移向正极，Cl^-会移向负极，避免学生进入认识误区——溶液中离子迁移至盐桥抵消电荷的变化。

六、评价与总结

（一）实验现象直观，过程真实，数据准确

教师应用多种传感器让学生直观感受电流大小、变化、能量转化率以及内电路离子移动方向，化抽象为直观。实验过程被录制，保证实验数据的真实性。同时，师生用软件进行数据采集与分析，数据处理过程简单、数据准确、现象直观，便于分析；实验重现性好，可重复进行数据采集。

（二）融合多学科知识，制成性能优异的电池

实验中，师生基于化学知识，融合物理学科的电阻知识，借用生物学实验材料，制备出琼脂块双液原电池和膜电池，其在电流、稳定性、能量转化率等方面性能表现优秀。

（三）关注探究过程，促进学生化学学科核心素养提升

创新实验要挖掘实验价值——帮助学生理解科学本质，否则实验创新无意义。上述实验活动过程中，教师不断引导学生探析微观过程中的离子移动，引导学生思考微观层面的本质问题，从物理电子导体出发，通过电阻公式R=ρL/S分析原因，按照增大横截面积、减少长度的思路，完成探究活动，得出离子交换膜可以看作是横截面积变大、长度变短的盐桥的结论，将生活实际的电池与实验室的原电池建立关联，使学科核心素养外显，达到“在用中学，在学中用，学了就用”的效果。

参考文献

[1] 周广，刘翠，李德前.基于化学思维进阶的实验创新设计[J].实验教学与仪器，2020（2）：38-40.

[2] 马翠翠，卢玲，董军.手持技术数字化实验探究夹心式膜电池的创新改进[J].化学教育（中英文），2020（7）：64-71.

[3] 杜爱萍，芦琴燕.双液原电池盐桥的实验改进[J].化学教与学，2019（11）：80-82.

[4] 王春.运用手持技术探究单双液原电池的能量转化效率[J].教育与装备研究，2017（10）：71-73.

（作者黎秀梅、王彦迪、苏忠波系广东省佛山市顺德区李兆基中学教师；高超系广东省佛山市顺德区均安中学教师）

责任编辑：祝元志