基于学科核心素养的“原电池”教学设计

马长燕

［摘 要］“原电池”是高中化学学科体系的核心知识之一，是学生认识化学反应与能量变化的重要载体。以发展学生化学学科核心素养为目标，创设真实情境，采用任务驱动、提供学习支架等方法，组织学生进行实验探究，引导学生对单液电池的构造进行改进，优化装置，分析原电池的工作原理及构成要素，并建构原电池的装置—原理二维模型，最后通过分析新能源汽车动力磷酸铁锂电池，应用二维模型图实现表征转换，在问题解决过程中实现学生高阶思维的培养，达成学生学科核心素养的培养目标。

［关键词］核心素养；原电池；教学设计

［中图分类号］ G633.8 ［文獻标识码］  A ［文章编号］ 1674-6058（2023）26-0067-04

一、“素养为本”的教学设计理念

“原电池”是高中化学学科体系的核心知识之一，本节内容选自新人教版高中化学选择性必修1的第四章第一节。新课标中提出课程要以发展学生化学学科核心素养为主旨，以真实问题情境为载体，开展实验探究活动，运用化学知识解决实际问题，促进知识向素养的转化［1］。如何把核心素养落实到教学中，指导教学设计，值得我们思考。原电池在高一化学中已有所涉及，学生已经初步了解原电池的工作原理，具备守恒思想，但是批判性思维、创造性思维、问题解决能力等高阶思维及能力的整体水平较低，需要进一步培养。

本节课借助数字化实验将“看不到”的微观世界可视化，测量不同的原电池的工作电流，引导学生探究影响电流的因素，分析实验宏观现象及其微观原理，促进学生关联宏观—微观—符号三重表征，自主建构原电池的装置—原理二维模型［2］。课中设计问题链，引导学生进行深入有效的思考，利用实验结果分析解释情境问题，促进学生高阶思维的发展。同时，对电池装置进行优化，并通过实验验证，让学生了解盐桥、离子交换膜的作用，进一步认识原电池的装置—原理二维模型，最后迁移应用装置—原理二维模型分析新能源汽车动力磷酸铁锂电池的工作原理及结构，促进学生科学素养和关键能力的发展。其过程如图1所示。

二、教学目标

1.通过实验探究，分析单液原电池的不足，设计改进方案，进一步学习双液、隔膜电池的构成及其工作原理，联系氧化还原反应，能从宏观、微观层面分析化学能转化为电能的原理。

2.自主建构原电池的二维模型，形成从装置和原理两个维度分析陌生原电池的思路和方法，发展模型认知素养。

3.通过新能源汽车的动力分析，感受化学学科的社会价值。

三、教学流程

基于教学目标，设计教学活动，主要流程如图2所示。

四、教学过程

环节一：创设情境，引入新课

【新课导入】目前我国是全球最大的新能源汽车销量国家。新能源汽车种类有：燃料电池汽车、插电式混合动力汽车、纯电动汽车。

教师：不论是哪一种，都与电有关系，都有对应的电池。我们在必修第二册中学习了原电池的相关知识，新能源汽车的能量转化方式与传统汽车相比有什么不同？转化率如何？

学生1：新能源汽车是将化学能转化为电能，电能再转化为机械能，转化率更高。

教师：本节课我们一起继续学习原电池。

设计意图：先从生活走进化学，让学生感受化学与生活密切相关，再回顾原电池旧知，唤醒学生已有认识，激发学生学习的兴趣。

环节二：宏微关联，建构装置—原理二维模型

【创设情境】下列装置（如图3）是否能够构成原电池？请说明理由。

【学生表现】学生的回答基本正确并能说明原因。

【建构模型】从微观角度分析单液原电池（如图4）；关联宏观—微观—符号三重表征，从装置和原理两个维度分析原电池（如图5）。

【提出问题】这样一个简单的原电池能否投入实际应用中呢？

【学生活动】（1）分组实验：铜锌硫酸铜单液原电池。（2）观察并记录实验现象：电流读数不稳定，电流很快减小，铜片表面有红色固体析出，但是锌片上也有红色固体物质析出。测试反应前后的温度，温度随反应的进行而升高。

【提出问题】（1）锌片表面为什么会有红色固体析出？（2）锌片与硫酸铜溶液直接接触，会产生什么结果？

学生2：锌片与硫酸铜溶液接触会发生放热反应，有部分化学能转化为热能，能量转化效率低。这就是反应后温度升高的原因，并且析出的固体覆盖在锌片表面，阻止原电池进一步反应，随着时间的延续，电流减小，由此可以看出这样的原电池不能投入实际应用当中。

设计意图：通过分析原电池的工作原理，让学生关联宏观—微观—符号三重表征，自主建构原电池的装置—原理二维模型；通过实验探究，让学生了解单液原电池的不足并思考改进方法。

环节三：实验探究，完善装置—原理二维模型

【提出问题】怎样改进原电池装置？怎样阻止Cu2+与锌片直接接触？锌片应放入什么样的溶液中？该用什么样的物质沟通内电路，形成原电池？

【学生活动】学生思考后改进实验装置，设计实验方案。（实验器材：铜片、CuSO4溶液、锌片、ZnSO4溶液、饱和KCl溶液、饱和KNO3溶液、烧杯、导线、盐桥、滤纸、数字电流表、温度计）

【提供信息】溶液中的阴阳离子的迁移率接近可以提高导电能力。一些离子在水溶液中的迁移率如表1所示。

【学生表现】展示设计的实验方案。方案一：用盐桥搭建桥梁；方案二：用滤纸条搭建桥梁；滤纸条含饱和KNO3或KCl溶液。

【学生活动】（1）分组实验：利用自己设计的实验方案进行实验。（2）观察并记录实验现象：温度计示数不变，搭建滤纸或盐桥时溶液的电流表读数稳定，工作一段时间无变化，但是电流很小，取出滤纸或盐桥后，原电池停止工作。

【提出问题】为什么电流读数稳定？为什么搭建滤纸条和盐桥的效果是一样的？盐桥中离子移动方向是怎样的？盐桥的作用是什么？为什么电流读数比较小？

【提供信息】离子运动的距离长、通道窄会增大电阻。展示双液—盐桥原电池微观分析图（如图6）。

学生3：溶液的导电能力与离子的迁移速率有关，KCl或KNO3溶液中阴阳离子的迁移率接近，所以盐桥可以选择饱和KCl或KNO3溶液。根据资料信息可知盐桥电阻大，所以电流小。

【提出问题】在实际应用的电池中我们很少看到盐桥的影子，主要的原因是盐桥的内阻太大。那么我们还可以怎样改进装置呢？

【提供信息】隔膜又叫离子交换膜，只允许特定的离子通过，常见的有阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜。

学生：根据资料信息，可以得出改进装置的方法，即缩短盐桥的长度，增大盐桥的横截面积，或选用隔膜代替盐桥。

【演示实验】按照改进后的实验装置（如图7），做演示实验。

教师：上述两个装置电流稳定且较大。但是盐桥的离子容量有限，需要及时更换，而且盐桥比较重，隔膜比较轻，所以實际电池中采用的多是隔膜。隔膜可以阻止两种反应物直接接触，同时起平衡电荷、形成闭合回路的作用。请同学们按照相同的思路从装置构成和工作原理两个维度对隔膜原电池进行分析，并完成装置—原理二维图。

【学生任务】归纳讨论隔膜原电池的装置—原理二维模型（见图8）。

【提出问题】分析单液原电池与隔膜原电池在装置上有什么不同？

学生4：电解质溶液不一样，离子导体不同。

设计意图：通过分析单液原电池的不足，引导学生设计方案优化电池装置，并通过实验验证，了解盐桥、离子交换膜的作用，进一步认识原电池的装置—原理二维模型，经过不断反思，批判性思维得到发展，形成“科学探究与创新意识”核心素养。

环节四：应用模型，分析新能源汽车动力

教师：为了满足社会的需要，现代化学电源正朝着更尖端的方向发展，科学研究者们正致力于研究新型电池以满足人类的需求，比如纯电动汽车使用的锂电池。

【创设情境】PPT展示磷酸铁锂原电池电子转移动态图以及总反应方程式。

教师：请同学们将该电池的装置—原理二维图补充完整。

【学生活动】从总反应出发，分析电极反应，选择电极材料及离子导体，完成填写。

设计意图：让学生将所学知识应用于分析磷酸铁锂电池，体会从装置和原理两个维度分析原电池的意义，形成从装置、原理两个维度分析陌生原电池的思路和方法。

五、小结

（一）创设真实问题情境，设计实验探究，培养高阶思维

从生活中的新能源汽车动力出发，走进化学，以学生熟悉的铜锌原电池为例，设计问题链，引导学生开展探究活动；利用数字化实验可视化特点，测量电池电流；通过电流的具体数值，分析电池优劣，进行电池结构的微观探析，了解设计关键因素，优化原电池。让学生历经科学探究的过程，加深了学生对原电池工作原理的理解，再回归生活，让学生运用知识分析纯电动新能源汽车的磷酸铁锂电池，使学生的批判性思维、创造性思维以及问题解决能力得到了发展，提升了学生的学科核心素养。

（二）模型建构，优化认知结构，形成学习方法

首先，通过原电池的实验和原理分析这两个活动，促进学生自主建构原电池的装置—原理二维模型；接着，通过分析双液—盐桥原电池和隔膜原电池，让学生进一步认识装置—原理二维图；最后，让学生应用装置—原理二维模型分析磷酸铁锂电池，并绘制二维图解决实际问题，形成分析陌生原电池的思路和方法。

［   参   考   文   献   ］

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

［2］  张瑞林，刘晓华，姜言霞.整合多重表征 促进概念深度理解：以“原电池”为例［J］.化学教育（中英文），2022（3）：23-31.