原电池的“前世今生”：基于科学史的项目式学习设计与分析

吴晗清 刘玉飞

(1.首都师范大学教师教育学院，北京 100037；2.北京师范大学教育学部，北京 100875)

科学史蕴含丰富的教育资源，合理发掘相应的项目式学习，不仅有利于学生科学知识的建构，还能在历史情境的探索中水到渠成地获得科学思想和方法的训练。在科学问题是如何产生的、科学实验是如何设计的、科学理论是如何发展的等一系列的思考与讨论中，深刻认识科学以及科学发现的本质，濡养科学家严谨的科学态度、感受高尚的人格魅力，在潜移默化中塑造健康的价值观。事实上，一幅辽阔的科学史图景，就是不同时代科学家们凝心聚力不断探究的历史画卷。精心重构科学史，并与项目式学习相结合，让学生重温科学家的探索历程，拨开历史的迷雾、澄清错误的认识，边做边思考，手脑并用、知行合一，从而在实践活动中落实学生的核心素养。

原电池作为高中化学的核心内容之一，也是重点和难点，由于内容融合了物理、生物等相关学科，加之其历史发展极为复杂，导致教学中往往“不见庐山真面目”。学生在学习时更是困难重重，对原电池工作原理的理解比较浅显，缺乏系统思维，不能够很好地进行迁移。[1]新课标中明确指出电池的历史沿革及发展是非常重要且有效的情境素材，然而在实践中缺乏系统的关注。因此，本文拟通过梳理原电池的相关发展历史，结合项目式学习，帮助学生从化学史的角度认识原电池，破除迷思概念，促进学生从装置与原理两个角度系统认识原电池，建构原电池认识的一般模型。从而在实践活动中，不仅建构扎实的相关知识，更重要的是感受科学技术对人类文明进步的重要价值，进一步培养学生的实践能力和创新精神。

一、科学史中原电池相关内容的发展阶段

1.人类对电的认识

人类很早就开始了对电的认识，如古希腊泰勒斯就记录了摩擦后的琥珀吸引轻小物体的现象[2]，我国东汉时期的王充在也提到“顿牟掇芥”[3]，但当时只是发现了摩擦后的琥珀和玳瑁可以吸引轻小物体，并没有深究。1600年，英国医生吉尔伯特发现金刚石、水晶、硫磺、玻璃等物质，用呢绒、毛皮和丝绸摩擦后也能吸引轻小物体，有“琥珀之力”。后来根据希腊文“琥珀”一词的词根，拟定了一个新名词“电”。1660年，普鲁士马德堡市市长盖里克发明了第一台摩擦起电机，只要用手和硫磺球相互摩擦就可产生大量的静电，引发电学实验的热潮。1729年，英国人斯梯芬·格雷通过实验证明金属能从电源导出电来，而蚕丝不能，于是区分了导体与非导体，认识到电是一种流体，脱离了以前静电的认识。

1734年，法国物理学家杜费伊根据摩擦玻璃和松香把电分为两类，即“玻璃电”和“松香电”。后来，富兰克林干脆称其为“正电”和“负电”[4]，并认为电是一种流质，从正流向负，直到中性平衡为止，但是此时的科学家还一直无法有效地保存电量。1746年，荷兰穆森布罗克在做电学实验时，想到如果电是如同水一样的流体，那么储存水的方法应该也能储存电。于是他将水倒入瓶子，将一根导线的一端插入水中，另一端则与起电器相连。为了保证电荷不跑掉，他在瓶子和桌子之间垫了一块绝缘体。然而不论他如何转动起电器，都没法把电荷留在瓶子里。有一天，他意外地把瓶子拿在手里就开始充电，当用手去触碰瓶盖时，受到猛烈的电击，几乎跌倒。莱顿瓶所发生的电击是之前人们从未见过的，更让人惊讶的是，它可以将电存储数个小时，甚至数天。随后，穆森布罗克尝试用各式各样的瓶子储电。他发现不一定要装水，只要在玻璃瓶内外壁各贴一层相互绝缘的金属箔，内层与起电机相连，外层与大地相连，电就会储存在瓶子里。瓶子越大、玻璃壁越薄，存的电就越多。如果用导线将内外金属箔相连则会激烈放电。由于玻璃瓶储电实验是从莱顿大学传开的，因此人们把这个最早的可以储存电荷的容器叫莱顿瓶。典型的莱顿瓶是一个玻璃容器，内外包覆着导电金属箔作为极板。瓶口上端接一个球形电极，下端利用导体(通常是金属锁链)与内侧金属箔连接。莱顿瓶的充电方式是将电极接上静电产生器或起电盘等，外部金属箔接地；内部与外部的金属将会携带数量相等但极性相反的电荷。

2.电池的诞生

1786年，意大利生理学家伽伐尼在解剖一只青蛙时，旁边有一台起电机正好在工作，解剖刀无意碰到了起电机，他在解剖青蛙神经时，发生了一个神奇的现象，青蛙腿部肌肉明显地抽搐起来。这一现象引起伽伐尼的极大兴趣，经过反复实验，他认为人工电可以让青蛙恢复一定的“生命”迹象。随后一次实验中，助手的手术刀碰到青蛙腿，青蛙腿竟然也出现轻微跳动，表明抽搐和发电机没什么关系。伽伐尼认为这种电是来自青蛙本身的“生物电”，而不是环境的影响。他把观察的注意力集中在肌肉收缩上，错误地认为动物体内存在某种形式的神经电流体。[3]

1791年，伏特了解到这一实验后，开始重复伽伐尼的实验。现象是重复出来了，可作为物理学家的伏特却有了其他的想法。他把注意力集中在两种金属的接触上，认为“蛙腿抽动的电能，不是来自青蛙，而是来自于蛙腿接触的金属”。为了证实自己的假设，他将放在舌尖上的锡箔与一枚银币接触，感觉到满口酸味。由此他猜想肌肉收缩不一定由动物电引发，很可能是受到电的刺激。伏特继续试验，把铜板和锡板，或是银板和锌板，成对叠成几十对，在这些金属对之间放上用盐水湿过的布片，重叠成一个柱状，便产生明显的电流。柱叠得越高，电流就越强，这就是后来所称的伏特电堆或伏特电池。基于实验，伏特提出“接触电”的理论。[3]他认为各种金属含有不同数量的“电流体”，当两种金属相互接触时，电流体总是倾向于由含量高的流到含量低的，如果在金属中插入某种湿导体并把它们接成回路，电流就会产生出来。证明伽法尼实验用的青蛙腿只是一种非常灵敏的验电器，而非电的来源。

如此，人们对电的认识就跃出静电的领域，就不再是摩擦毛皮上的电、雷雨中的电、莱顿瓶里的电，也不只是动物身上的电，而是能控制流动的电。伏特电堆的发明使人类第一次获得可供实用的持续电流，从而将电运用于化学研究中。1800年，英国尼克尔逊和卡里斯尔采用伏特电池电解水获得成功。1807年英国化学家戴维组装了一个特别大的电池用于实验，选择木灰(即氢氧化钾)作为第一个研究对象。他将其饱和水溶液进行电解，结果在两极分别得到的是氢和氧。后来改用熔融的氢氧化钾，成功地制得金属钾单质，后来又陆续制得钠、镁、钙、锶、钡等金属。

3.电池的大规模使用

伏特电堆的发明让获取持续电流成为可能，但是伏特电池作为最原始的电池，还存在许多无法克服的问题，如工作持续时间过短、释放的电流存在衰减和不稳定等。其后，原电池的研究得到快速发展，进入大规模使用阶段，代表性的有丹尼尔电池、铅蓄电池和干电池。

(1)关于丹尼尔电池。1836 年，丹尼尔改良了伏特电池，将电解质溶液由硫酸改为硫酸锌与硫酸铜，并在两者中间加入一个多孔性隔板，有效阻隔了锌离子向铜电极侧的电解液渗透，避免在铜电极析出单质锌，这样的电池结构分割了阴极池和阳极池，避免正极与负极的接触；铜电极侧电解液改为硫酸铜溶液后，成功克服了氢气的析出，析出的铜沉积在铜电极上，对电池整个发电过程没有影响。相比伏特电池，正负极没有直接接触，且正极没有锌和氢气的析出，丹尼尔电池的持续性和稳定性得到明显提升。但是，尼尔电池的隔膜虽达到去极化的目的，但同时也引发电池内电阻的增大，会损耗部分能量。总体来看，隔膜应用所带来的去极化积极结果，要远大于内电阻提高所带来的不利影响，近代商业性电池生产即起始于丹尼尔电池。

4.新时代电池的完善与创新

进入20世纪，随着化学理论的发展，以及人们对高品质多样化的电池需求，新型电池应运而生。主要代表有燃料电池、锂离子电池及太阳能电池等。

(3)关于太阳能电池。环境的污染与能源的短缺是21世纪人类面临的最大挑战，而这正是太阳能电池的优点。太阳能电池的研究，最早可以追溯到1954年，由贝尔实验室所发明，研发的动机是希望为偏远地区供电，不过当时的转化效率只有6%。随着人造卫星、登月计划等的需求，太阳能电池越发重要。在太阳能电池中，硅片是核心，硅结构中的硅原子没有运动自由度，假如在硅晶体中注入外层有5个电子的磷原子，那么就会剩下一个自由移动的电子。当电子获得足够的能量如光照时就可以自由移动，但运动方向是随机的。如果将三价电子的硼注入纯硅中，硼原子与硅原子形成共价键时会产生一个“空穴”，自由移动的电子就会自动填充空穴，从而形成能量势垒区，这样就为电子定向移动提供了驱动力，即“P-N结”，P代表正极，N代表负极。当光线照射到P-N结处，使得在势垒区产生电子，向负极即磷侧定向移动，而硼侧形成空穴，从而产生电位差。如果连上负载，电子就会定向移动形成回路。由于太阳能电池不消耗燃料、无污染，市场前景广阔。

二、基于科学史的原电池项目式学习设计

由于学生对概念的认识与概念发展的历史进程具有相似性，所以本文在项目式教学的基础上，融入科学史相关内容。让学生以历史发展中的驱动性问题为主线，以科学史为载体，直观、真切地感受到科学技术的变革过程，从而更好地促进学生学科知识的意义建构、科学思维和学科思想的形成，深刻把握原电池的本质；同时在实践活动中，培养他们的实践能力和创新精神。

1.知识基础：原电池相关内容在中学物理、化学与生物课程中的分布

原电池这一主题的教学在高中阶段既是重点也是难点，内容涉及了复杂的知识、原理，既有实验又有理论。理论方面，在新版高中化学课标中明确要求学生能够认识化学能与电能相互转化的实际意义和重要应用，能够分析和解释原电池和电解池的工作原理，能够设计简单的原电池，能够从物质和能量两个角度综合考虑化学变化，分析和解决实际问题，例如新型电池的开发等。实验方面，要求学生能够制作简单的燃料电池。原电池包括许多有关“电”的基础知识，除了化学，还分布于中学的物理、生物等课程中。物理学中，学生需要知道静电场中的电荷具有电势能，了解电势差的含义，能够认识电容器并了解电容器的充放电现象。生物学中，需要能够从细胞膜内外存在电势差的角度阐述动作电位的产生。可见，从知识层面上来讲，原电池的相关历史涉及复杂的学科内容，具体内容的结构组成如图1。

图1 原电池相关基础知识在理化生学科中的分布

2.任务驱动：基于原电池发展阶段的科学探索

通过电池发展历史的梳理，可以将其分为四个阶段，即人类对电的认识、电池的诞生、电池的大规模使用以及新时代电池的完善与创新。基于此，提出本项目式学习需要解决的核心问题：通过史料探究原电池的本质。详细的流程分为四个部分(如图2所示)，对应的驱动性问题分别为：电是什么？怎么产生电流？怎么制作更加实用的电池？我们如何设计符合当今社会发展需求的电池？通过四项问题的探索，深刻认识原电池的本质。

图2 基于原电池发展阶段的项目驱动任务群

3.活动环节：原电池项目式学习的实施

本项目基于教育重演律，整合原电池相关科学史素材，让学生像科学家一样思考和探索，从而系统经历原电池的“前世今生”，深刻认识什么是电、什么是电池，了解化学能与电能相互转化的过程以及实际意义，认识并分析电池的工作原理，继而建构原电池的一般认识模型，即原电池由内电路和外电路构成。内电路，由于化学反应，阴离子向负极移动、阳离子向正极移动，从而正负极之间形成电势差。外电路，电子在电势差的作用下，由负极向正极定向移动。电流在闭合回路中，朝一个方向循环。内电路来看，电流方向是负极到正极。外电路来看，电流方向为正极到负极。具体设计流程如表1所示。

4.教学建议：在实践活动中落实学科核心素养

恩格斯曾说：“历史从哪里开始，思想进程也应当从哪里开始。而思想进程的进一步发展，不过是历史过程在抽象的、理论上前后一贯的形式上的反映。”[5]在科学历程中，概念、规律、理论等的形成和发展是极其复杂的，而这些复杂过程中的重大困境、关键突破口等，往往是学生学习的障碍点，因而势必成为教学中的难点和重点。教学实践中，虽然我们不能完全重现历史原貌，但是可以梳理其中的重大历史节点与研究结果，然后根据教学实际进一步整合，设计相应的课程，从而在较为有限的教学时空范围内，让“重走”科学家之路变为可能。

表1 “原电池”项目式学习环节与实施流程

如让学生亲手制作伏特电堆与丹尼尔电池，分析这两种电池设计的不同点，体会丹尼尔电池避免极化作用而做出的实验创新，实现手脑并用、做学合一；又如分析湿电池在实际应用中的缺点，然后引入干电池的发明历史，让学生制作勒克朗谢电池，直观了解淀粉和碳粉的作用，认识干电池能够大规模应用于计算器、闹钟、电动玩具等的原因，体会工程设计的魅力；再如通过锂离子电池的探讨，让学生了解离子脱嵌型电池与传统电池的异同，体会科学家们在研发电池过程之中的思维创新。

一言以蔽之，在“重走”科学家之路的实践过程中，学生能够深刻体验研究方法、思维方式、实验手段等对科学研究的重要性，感受化学学科的发展与社会进步的休戚相关，体悟并濡养良好的科学态度、探究精神、社会责任等核心品质[6]，从而落实学生的学科核心素养，促进教师的专业成长。