信息技术2.0背景下的探究性实验教学实践

范婷婷

［摘 要］高中化学教学活动中，教师经常通过分组实验为学生展示实验原理、实验过程、实验现象，演绎化学学科的魅力。文章以“原电池的优化”一课为例，介绍在信息技术2.0背景下使用传感器开展探究性实验的教学实践，让学生从实验中体验学习化学的乐趣，形成化学学科思维，培养化学学科核心素养，并为同行提供相应的借鉴和启示。

［关键词］信息技术；探究性实验；原电池

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）29-0070-04

党的二十大报告指出，在新一轮科技革命和人才竞争的时代背景下，我国教育应重视创新型人才培养。现行高中化学教学，应重视培育学生的核心素养和创新能力。因此，一线化学教师要注重剖析教材中的核心概念，改进课堂教学，将实验探究与化学理论相结合，有意识地引导学生认真思考、主动探究，从而发展学生的“科学探究与创新意识”学科核心素养。

笔者在“原电池的优化”教学中，根据学生的学情重组教材，精心设计探究性实验，引导学生深入思考与探究，并通过信息技术2.0实现对学生化学逻辑建构能力的培养。

一、问题的提出

首先，通过对高中化学必修二的学习，学生已初步掌握将化学能转化为电能的途径，以及原电池、正极、负极、电解质溶液等概念。通过对选择性必修一的学习，学生更为深入地学习原电池知识，借助对单液和双液原电池的对比，深化对原电池原理的理解，并学习了半电池、盐桥等新概念。但是生活中的实用电池多是高效、微型的膜电池，而高考题材有很多来源于生产生活实际，因此也会涉及膜电池。可见，深入学习离子交换膜电池是很有必要的。

其次，《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出，要适当增加数字化实验、定量实验和创新实践活动等，让学生体会认识技术手段的创新对化学学科的重要价值。基于信息技术2.0的微能力B4：技术支持的发现与解决问题，利用电流传感器、温度传感器，创设发现和解决问题的技术环境，促进学生主动探究与运用知识，将问题解决过程可视化，帮助学生发展逻辑推理能力、批判思考能力和自主建构能力。

再次，课本介绍的将琼脂固定在U型管中制作的盐桥，需要提前一天制作，不便于使用，且由于盐桥中的离子运动通道狭窄，导致学生制作的双液盐桥原电池电流非常小，用电流表难以直观地测出电流及其变化趋势。因此，在课堂上的学生探究性实验中，需对盐桥进行改进。

基于以上三点，笔者重组教材知识，适度拓展教学内容，并将信息技术应用于课堂教学，优化课堂教学手段；同时，结合原电池的历史与发展，创设驱动性问题，促进学生深度思考，让学生经历知识的探索过程，感受化学学科是有价值、有趣味、有魅力的。

二、教学设计

（一）内容分析

首先，让学生从微观层面来理解原电池的工作原理，体会必修二中单液原电池存在的缺陷，并针对其不足之处对原电池模型进行改进，体会增加盐桥的作用。接着，由盐桥的应用过渡到膜的应用，这不仅仅是一个普通的实验技术的改进，更是对旧的思维模式的突破。通过探究性实验教学，使学生进一步了解化学反应原理在生产生活和科学研究中的应用，并在实验探究和理论分析过程中培养实验探究能力，提升思维品质。

（二）教学流程

三、教学过程

环节1：创设情境，导入新课

【学生】上台参与希沃课件的“分組竞争”课堂活动，复习单液原电池的工作原理。

设计意图：以游戏的方式引入本节课，增加学生学习的趣味性、积极性。

环节2：设计电池

【资料展示】伏打电堆是由几组圆板对堆积而成的，每一组圆板包括两种不同的金属板；所有的圆板之间夹放着几张盐水泡过的布，潮湿的布具有导电功能。 在不同金属与电解质溶液间两两接触之后，溶液中的离子形成定向移动从而产生电流。这是世界上第一种能连续产生电能的装置。它成为早期电学实验、电报机的电力来源。

【实验设计】基于Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu这一化学反应设计原电池。药品及实验器材：Zn片、Cu片、CuSO4溶液、导线、电流表。要求：画出装置图，预测实验现象，分析工作原理，评价实验方案。

【学生】同组交流，设计实验方案。

【教师】将学生的设计图用手机投屏到电脑上，先让学生互评，再进行总结评价。

【演示实验】连接装置，并用电流传感器和温度传感器分别测出电流和温度的变化。

【教师】引导学生观察电流和温度的变化图像以及实验后两电极材料的变化。

【学生】观看实验并讨论，得出单液原电池的电流易衰减（如图1）的结论，有部分化学能转化为热能。因为锌片和Cu2+直接接触会发生反应，当锌片表面析出一定量的铜之后形成微电池，不利于离子的迁移。

设计意图：回顾原电池的发展史，吸引学生的注意力；通过在单液原电池的设计中使用手机投屏技术和手持仪器，使微观的电流和温度可以直观地展示出来，让学生从多角度观察实验现象。

环节3：实验探究

【资料展示】盐桥：通常装有含琼胶的KCl（或NH4Cl）饱和溶液；琼胶可防止U型管中的溶液流出；K+和Cl-能在其内部自由移动。通过盐桥，可以将两种相互隔离的电解质溶液连接起来，传导电流。

【学生】交流讨论防止单液原电池电流衰减的方案。

【教师】介绍第一个实用电池——丹尼尔双液原电池，并引导学生归纳出盐桥的作用（①形成闭合回路；②使两个半电池保持电中性；③将氧化剂和还原剂分开，防止自放电，提高电能转化效率；④使电流持续、稳定）。再向学生介绍：把一次性洗脸巾用饱和氯化钾溶液浸湿，可将其设计为面巾盐桥（如图2）。该盐桥传导离子的速度更快，电流更大。

【学生】动手组装面巾盐桥双液原电池，并用电流传感器测试电流。

【教师】捕捉学生测试的数据，并用手机投屏到电脑上。

【学生】通过电流变化图（如图3），很直观地发现，改进后的双液原电池虽然电流很稳定，但是电流变小了。

设计意图：通过数字化实验验证双液原电池电流很稳定但电流量很小，让学生及时分析实验图像，增强读图能力的同时，感受数据研究的魅力，体会定量实验在科学研究中的重要作用。

环节4：拓展探究1

【教师】组织学生交流研讨：双液原电池为什么不能高效率地工作？如何解决？

【学生】猜测可能是使用了盐桥之后，导致电池的内阻变大。

【学生】经过讨论猜想具体原因：盐桥距离长，离子运动距离变长；盐桥与电解质溶液接触面积小，离子运动通道狭窄。

【方案设计】经过组内讨论之后决定增加面巾盐桥的数量，即增加横截面，如图4所示。

接着，再以容器距离为单一变量进行对比实验，具体如图5所示。

也有学生想到可以将面巾盐桥对折，以增加横截面，同时缩短距离。

设计意图：引入电阻公式，将物理学科和化学学科相融合，使问题的解决更有依据。通过控制单一变量，即加宽盐桥或缩短盐桥进行实验探究，让学生建立科学探究的思维模型，培养“科学探究与创新意识”化学学科核心素养。

环节5：拓展探究2

【教师】提出问题：设想盐桥的长度短到极限，接触面尽可能地扩大，最后会无限接近于什么？

【学生】交流讨论并回答：一层薄膜。

【教师】引导学生根据滤纸和一次性洗脸巾的吸湿性进行电池的微型化创新实验改进：1.用ZnSO4溶液润湿的滤纸包裹住Zn片充当Zn半电池，用CuSO4溶液润湿的滤纸包裹住Cu片充当Cu半电池，完成双液原电池的微型实验。2.用饱和KCl溶液润湿的面巾代替盐桥，增大电流。（如图6）

【学生】小组合作，制作一个夹心式滤纸电池，并用电流传感器测试电流，交流实验结果。

学生经过实验测试之后，发现夹心式滤纸膜电池在30 s到60 s电流会出现衰减（如图7）。

【教师】随着反应的进行，铜单质不断在电极表面，堵塞滤纸的孔径，使电池的内阻变大，电流衰减较快，所以用滤纸做电池的隔膜并不是最优的方案。

设计意图：引导学生进行拓展创新，设计出更加接近生活中所使用的电池的模型，让原电池模型得以应用。

环节6：拓展提升

【资料展示】离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液中的离子具有选择透过能力的高分子膜，一般在应用时主要利用它的離子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。离子交换膜主要有三种，即阳离子交换膜（只允许阳离子通过）、阴离子交换膜（只允许阴离子通过）、质子交换膜（只允许H+通过）。离子交换膜能最大限度地减少电流的衰减，而阳离子交换膜电池因为体积小、药品用量少、电流持久稳定，在生活中有着广泛的应用。

【总结归纳】从创造伏打电堆 → 增加盐桥使电流稳定（丹尼尔双液原电池）→ 盐桥变短加宽，减小内阻，增大电流 → 夹膜微型电池 → 既微型又高效的离子交换膜电池，电池的每一次改进都是朝着体积小、药品用量小、电流持久稳定、高效、可多次重复使用的方向进行的。

设计意图：通过资料展示，在化学学科观念的引领下，让学生了解离子交换膜在电池中的重要应用，凸显化学知识在生产生活中的重要作用。

环节7：学以致用

【资料展示】随着科技的发展，现在的隔膜电池能隔离正负极的直接接触，使电池在过度充电或者温度升高的情况下能限制电流的升高，防止电池短路引起爆炸，对电池使用者和设备起到安全保护的作用。电池类型也在层出不穷，有锂离子电池、各种类型的燃料电池、海水电池等。

设计意图：巩固学生所学的知识，激发学生的学习热情，让学生体会到化学源于生活，又应用于生活。

环节8：畅想未来

【学生】说出自己理想中的电池应该具备哪些特点。

【教师】对于学生的回答给予肯定，告诉学生只有想不到的，没有做不到的，要敢于设想，要保持积极探索科学问题的热情，同时还要具备解决生产生活中化学问题的能力和担当。

设计意图：鼓励学生积极大胆地设想，勇于创新，培养学生的探究精神和解决实际问题的能力。

四、教学反思

整节课以真实情境中的驱动性问题为依托，让问题贯穿教学的全过程，引发学生的认知冲突，使学生经历像科学家一样的探究过程，对电池进行一步步改进，从实验室中的原电池过渡到生活中的实用电池，引导学生在设问、释问、追问的过程中深度思考，充分体验知识的探索过程，更好地理解知识内在的原理和规律，体会膜电池的出现是为了使电池更加稳定、高效和微型化，为即将到来的高三电化学知识的学习做好铺垫。

综上所述，在信息技术2.0背景下，以数字化实验为基础的实验探究，能让学生多角度观察实验现象，丰富和完善知识体系，培养学生的高阶思维。对学生而言，微观表征的建立和转化是认知的难点，手持技术的使用实现了微观表征的可视化，增强了学生的证据推理能力，使学生能更好地建立认知模型。

［   参   考   文   献   ］

［1］  何文，康宁，田晓梅.基于化学核心素养的问题解决能力的评价与思考：2017年高考化学试题的分析与启示［J］.考试研究，2018（1）：3-11.

［2］  单旭峰.基于高考评价体系的化学科考试内容改革实施路径［J］.中国考试，2019（12）：45-52.

［3］  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.

［4］  王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究［M］.北京：北京师范大学出版社，2018.