自制简易原电池实验教学设计

    王露路

    

    

    摘 要：电化学内容是高中化学的一个重要组成部分，具有很强的综合性、实践性和应用性。原电池是电化学的基础，在必修二和选修四中都有不同程度的体现。在教学过程中发现许多学生不能熟练掌握并运用氧化还原反应原理去理解原电池的知识，通过必修二课本书中经典铜锌原电池实验和水果电池实验得以启发，利用生活中的常见物品（铝制品易拉罐、不锈钢洗涤器、食盐）进行原电池实验，利用该装置进行高中化学教学，可以帮助学生掌握电化学知识，引导学生构建电化学思维模型，既能突破电化学教学难点，又能提升学生的化学核心素养，真正做到让电化学实验飞入寻常百姓家，发挥学生的主动性、积极性。

    关键词：电化学;原电池;氧化还原反应;核心素养

    一、教学背景

    《普通高中化学课程标准（2017年版）》（简称《新课标》）的基本理念指出，课程以发展化学学科核心素养为主旨，选择体现基础性和时代性的化学课程内容，重视开展“素养为本”的教学。因此，我们在课堂中培养学生核心素养的同时，课外也应组织学生参加兴趣小组或化学社团，开展课外兴趣活动，拓展学生的思维。

    二、教材分析

    电化学内容是高中化学的一个重要组成部分，具有很强的综合性、实践性和应用性。原电池是电化学的基础，高中化学人教版必修二第二章第二节《化学能与电能》中用经典铜锌原电池和水果电池实验，引出原电池，选修四第四章第一节和第二节也不同程度地呈现了原电池知识。通过教材中经典的实验，结合当下比较热门的铝空气电池，利用生活中常见物品可进行原电池实验[1]，同时，为了增加实验的趣味性，还可以引入小彩灯和音乐盒。

    三、学情分析

    趣味探究实验小组是由高一、高二学构成生成，每组3～4人，完成分组合作探究。他们对化学充满好奇与热情，并且对化学专业知识有着较好的基本功，作为信息时代的高中生，他们利用网络的能力较强。

    四、教学方法

    信息检索法、数字化实验直观教学法、探究式教学法

    五、设计目标

    【知识与技能】

    1.理解原电池的原理及结构、了解原电池的组成条件。

    2.会判断电子、电流的移动方向，熟练书写电极反应方程式。

    【过程与方法】

    1.通过探究性合作学习，设计并优化实验方案，完成实验操作，学会合作、创新。

    2.实验过程中能提出问题，并通过讨论、查询文献、寻问老师等方法有效解决问题。

    3.学会运用控制变量法探究实验最优条件。

    4.能对观察记录的实验信息进行加工并获得结论。

    【情感态度与价值观】

    1.通过实验探究，培养学生思考、分析、讨论、归纳总结电化学知识，构建电化学思维模型[2]。

    2.遇到困难要有直面困难的勇气，具有终身学习的意识和严谨求实的科学态度。

    六、实验设计

    【引入】人教版必修二第二章第二节《化学能与电能》中用经典铜锌原电池和水果电池实验，引出原电池，选修四第四章第一节中也同样用了铜锌原电池实验，但在实际学习过程中发现许多学生不能熟练掌握并运用氧化还原反应原理去理解原电池的知识，同时，原电池种类繁多，习题设置难度较大等情况，更加让我们觉得学习原电池吃力。那么，有什么方法能够让我们简单易懂地去学习和理解这部分知识呢？现在，我们一起来探讨。

    【提出问题】

    1.原电池的本质是什么？需要具备哪些条件？

    2.生活中哪些反应是氧化还原反应？哪些反应可以设计为原电池？

    3.你了解铝空气电池吗？铝空气电池的原理是什么？

    【回忆复习】学生回忆复习原电池知识

    【查阅资料】引导学生利用CNKI、万方、维普等数据库进行信息检索

    【初步设计】利用生活中的常见物品：铝制品易拉罐、不锈钢洗涤器、食盐、进行原电池实验、初步设计原电池草图

    【实验原理】电解质为碱性环境下氯化钠溶液，铝制品易拉罐中的铝作为负极失去电子和环境中的氢氧根结合成氢氧化铝，正极则是不锈钢洗涤器上负载的氧气得到电子成为氢氧根，整个装置组成一个铝空气电池，电极方程式如下：

    负极：Al+3OH--3e-→Al（OH）3

    正极：O2+2H2O+4e- →4OH-

    总反应：4Al+3O2+6H2O→4Al（OH）3

    【实验用品及仪器】铝制饮料罐、不锈钢洗涤器、纸巾或者滤纸、剪刀、砂纸、100 mL量筒、250 mL烧杯、电子天平（量程100 g）、食盐、氢氧化钠、电流电压传感器、电流表、电压表、小彩灯、音乐盒

    【实验条件探究】影响实验中电流电压的因素有：电极材料表面积的大小、电解质浓度、电解质温度、电解质体积等。通过控制变量法，常温下，同样大小的电极材料，对体积为100 mL的氯化钠溶液（含氫氧化钠0.12 g）用电流和电压传感器进行数据采集，探究浓度对电流和电压的影响，结果如图所示：

    多组实验探究表明：氯化钠浓度最佳反应条件为2 mol/L时实验效果最佳。

    【实验步骤】

    1.配制100 mL、2 mol/L 氯化钠溶液。（含0.12 g NaOH）

    2.制作原电池装置

    （1）剪刀剪去铝制饮料罐上边缘

    （2）砂纸打磨铝罐内部四周，洗净擦干

    （3）剪刀剪取15×30 cm 纸巾或者滤纸

    （4）不锈钢洗涤器弄成绒毛状

    （5）纸巾或者滤纸包裹住不锈钢洗涤器，小心放进铝罐里

    3.测量

    （1）向铝罐中加入100 mL、2 mol/L氯化钠溶液，连接导线，用电流表和电压表测量电流和电压，记录数据，用小彩灯或者音乐盒测试，看彩灯是否变亮，音乐是否响起。

    （2）与同学合作，把四个铝罐放在一起用导线串联起来，测量电压和电流，录数据，用小彩灯或者音乐盒测试，看彩灯是否变亮，音乐是否响起。

    【实验测试】对体积为100 mL的2 mol/L NaCl进行实验测试：

    【实验结论】

    1.利用生活中常见物品铝制品易拉罐、不锈钢洗涤器、食盐、可以制作原电池。

    2.单个原电池不能够让小彩灯发光变亮和音乐盒响起，但是串联3个或3个以上可以让小彩灯发光变亮和音乐盒响起。

    3.影响实验结果的因素很多，要学会科学运用控制变量法去探究实验。

    【实验拓展】

    该实验除了探究不同电解质及浓度的影响外，还可以探究电极材料表面积的大小、电解质温度、电解质体积等对实验结果的影响，同时，还可以用实验产生的电压驱动电动玩具小汽车等。

    七、教学反思

    本实验的意义在于实现了生活和原电池知识的融合，真正做到让创新进入课堂，让科技引领学生前行。在实验基础上，引导学生思考、分析、讨论、归纳、构建电化学思维模型，突破电化学难点，体验“证据推理与模型认知的核心素养”;在实验过程中，学生通过宏观电流表指针的偏转，微观电子移动形成电流，体验“宏观辨识与微观探析”;电流表电压表指针偏转变化，感受“变化观和平衡思想”;通过动手操作和观察实验，培养学生的“科学探究与创新意识”;联系生活，取材生活，让学生明白化学来源于生活，服务于生活，让学生不再谈“化学”色变，从而感知“科学精神与社会责任”。数字化与传统检测结合，实验结果直观化;彩灯与音乐盒结合，增加实验趣味性;当然，最重要的一点，实验简约、通用、易操作，无论是学生在学校还是在家，都能够完成该实验。

    总之，化学来源于生活，服务于生活，让学生动起来，知识才能“活起来”。

    參考文献：

    [1]胡致平.铝空气可行性电池探究设计[J].求知导刊，2016（3）.

    [2]邹标.自制电化学装置培养学生核心素养[J].实验教学与仪器，2018（11）：52-53.

    编辑 段丽君