視頻簡介：
視頻標(biāo)簽：第8屆全國中小學(xué)實(shí)驗(yàn)
所屬欄目：高中化學(xué)說課視頻
視頻課題：【視頻+課件+說課稿】《基于傳感技術(shù)的原電池教學(xué)改進(jìn)》第8屆全國中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說課活動(dòng) 西安
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【視頻+課件+說課稿】《基于傳感技術(shù)的原電池教學(xué)改進(jìn)》2020年第8屆全國中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說課活動(dòng) 西安市經(jīng)開第一中學(xué) 王海利
基于傳感技術(shù)的原電池教學(xué)改進(jìn)
一、使用教材
人民教育出版社高中化學(xué)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章第一節(jié)原電池。
二、實(shí)驗(yàn)器材
（一） 實(shí)驗(yàn)儀器：醫(yī)用輸液器、醫(yī)用10ml注射器、燒杯、脫脂棉、濾紙、餐巾紙、U型管、導(dǎo)線、電壓傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、微電流傳感器、發(fā)光二極管。
（二）實(shí)驗(yàn)材料：銅片、鋅片、硫酸鋅、稀硫酸、玻璃紙、魚鰾、雞蛋、橘子、
濃鹽酸、硬幣（1元和5角）。
三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)要點(diǎn)
（一）利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究儀——捕捉宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)。利用電流、電壓、溫度傳感器對(duì)比分析單液原電池、雙液原電池的優(yōu)缺點(diǎn)，直觀展示單液原電池能量轉(zhuǎn)化率低、電流、電壓均不穩(wěn)定，難以控制，實(shí)用性不大；雙液原電池電流電壓穩(wěn)定可控，但是由于內(nèi)阻太大，電流太小。
（二）讓學(xué)生通過設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，尋找生活中的常見的材料——濾紙、脫脂棉、餐巾紙代替瓊脂，進(jìn)行鹽橋?qū)嶒?yàn)，拓展學(xué)生的科學(xué)思維能力。同時(shí)，組織學(xué)生進(jìn)行合作交流，設(shè)計(jì)探究，改進(jìn)雙液鹽橋電池，制作紙張電池，為膜電池的引入打下基礎(chǔ)。利用生活中的橘子瓣膜既可以分隔溶液，又可以傳導(dǎo)離子，引入隔膜電池，利用玻璃紙、魚鰾、蛋膜等半透膜做隔膜電池，最后讓學(xué)生利用生活中的一元五角硬幣，設(shè)計(jì)隔膜硬幣電池。
（三）由于玻璃紙、魚鰾、蛋膜作為電池隔膜不好固定，利用輸液器滴斗自制了實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置，既可以分隔溶液，防止短路，提高能量利用率，又方便試劑的添加，電極的插入，劑量小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，效果好。
四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路
整個(gè)教學(xué)活動(dòng)以原電池原理、氧化還原反應(yīng)原理為基本實(shí)驗(yàn)原理，結(jié)合電池的發(fā)展——“單液原電池→雙液鹽橋電池→膜電池”的線索，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)了如下教學(xué)思路：
數(shù)字實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)設(shè)情境（發(fā)現(xiàn)問題）→拓展思維、鹽橋改進(jìn)（解決問題）→橘子瓣膜、引發(fā)思考（隔膜電池，拓展探究）→聯(lián)系生活、學(xué)以致用（硬幣電池，應(yīng)運(yùn)而生）。
五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)
（一）宏觀辨識(shí)與微觀探析
通過對(duì)比觀察單液原電池、雙液原電池正負(fù)極的現(xiàn)象，讓學(xué)生從宏觀和微觀相結(jié)合的視角進(jìn)行討論、分析、思考產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因。
（二）證據(jù)推理與模型認(rèn)知
借助于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，通過單液原電池、雙液原電池、瓣膜電池一系列的探究實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)提出可能的假設(shè)，通過分析推理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，建立認(rèn)知模型，運(yùn)用模型解釋現(xiàn)象和規(guī)律。
（三）科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)
通過引導(dǎo)讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)并提出有價(jià)值的問題，從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的設(shè)計(jì)探究方案，認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究是進(jìn)行科學(xué)解釋、發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造和應(yīng)用的重要實(shí)踐活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生勤于實(shí)踐，善于合作，敢于質(zhì)疑，勇于創(chuàng)新。
（四）科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任
通過實(shí)驗(yàn)過程，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。利用生活中的廢舊材料自制實(shí)驗(yàn)裝置，培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約資源，綠色低碳的生活態(tài)度。體會(huì)化學(xué)來源于生活，服務(wù)于生活。
六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
本節(jié)課是必修化學(xué)2第二章“化學(xué)能與電能”為基礎(chǔ)，進(jìn)一步介紹原電池的組成和工作原理，通過對(duì)原電池中閉合電路形成過程的分析，引出半反應(yīng)、鹽橋、內(nèi)電路、外電路等概念，幫助學(xué)生對(duì)電化學(xué)研究和應(yīng)用范圍形成一個(gè)概貌性的認(rèn)識(shí)。
利用生活中的橘子、魚鰾、蛋膜、餐巾紙及實(shí)驗(yàn)室常見的玻璃紙、濾紙為材料，用輸液器滴斗改裝自制實(shí)驗(yàn)裝置和現(xiàn)代化技術(shù)傳感器，探究單液原電池與雙液原電池的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生從單液電池、雙液電池過渡到膜電池，引領(lǐng)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)及嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。
七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程
（一）
數(shù)字實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)情境
（1）利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究儀—溫度傳感器，比較單液原電池和雙液原電池，同一時(shí)間，溫度的變化規(guī)律。
通過實(shí)驗(yàn)可以觀察到：單液原電池溫度升高，雙液原電池溫度基本不變，說明單液原電池有一部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成了熱能，能量的利用率低。
（2）利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究儀—電壓傳感器，比較單液原電池和雙液原電池，同一時(shí)間，電壓的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
通過實(shí)驗(yàn)可以觀察到：單液原電池電壓低，而且很快衰減，雙液原電池電壓高且穩(wěn)定，說明雙液原電池的穩(wěn)定性和實(shí)際應(yīng)用的可控性。
（3）利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究儀—電流傳感器，比較單液原電池和雙液原電池，同一時(shí)間，電流的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
圖1 單液原電池和雙液原電池電流對(duì)比（鹽橋大U型管）
圖2 單液原電池和雙液原電池電流對(duì)比（鹽橋小U型管）
通過實(shí)驗(yàn)可以觀察到：雙液原電池可以持續(xù)提供穩(wěn)定的電流，但是強(qiáng)度不大。同時(shí)電流的強(qiáng)度與鹽橋的大小口徑都有關(guān)系，U型管越小，電流強(qiáng)度越大，推測(cè)原因可能是大U型管內(nèi)電路太長電阻太大。
總結(jié)：單液原電池能量轉(zhuǎn)化率低、電流、電壓均不穩(wěn)定，難以控制，實(shí)用性不大；雙液原電池電流電壓穩(wěn)定可控，但是由于內(nèi)阻太大，電流太小，而且瓊脂鹽橋的制作麻煩，浪費(fèi)試劑。
（二）
拓展思維，改進(jìn)鹽橋
學(xué)生查閱資料，小組合作討論，學(xué)生找到了生活中的常見材料——脫脂棉、餐巾紙、濾紙代替鹽橋，并設(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)證明，這三種材料的使用，微電流傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)效果很好。
裝置一如圖3所示：
圖3中分別為脫脂棉、濾紙、餐巾紙為鹽橋時(shí)的電流強(qiáng)度曲線
裝置二如圖4所示。
圖4中表面皿中為脫脂棉、濾紙、餐巾紙為鹽橋時(shí)的電流強(qiáng)度曲線
通過實(shí)驗(yàn)，可以看出，利用生活中的脫脂棉、餐巾紙、濾紙為原料制作鹽橋，制作簡單，取材方便，電流強(qiáng)度大且穩(wěn)定，效果明顯，方便學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。
通過學(xué)生的改進(jìn)，我們發(fā)現(xiàn)濾紙、餐巾紙等這薄薄的一層鹽橋，其電流強(qiáng)度和單液電池幾乎相當(dāng)，那我們能否找到一些更好的隔膜呢？既可以分隔溶液和電極，不造成短路，提高能量的轉(zhuǎn)化率，又能降低內(nèi)阻增大電流呢？
（三）
橘子瓣膜，引發(fā)思考
將鋅片和銅片同時(shí)插入一瓣桔子中，有電流通過；將鋅片和銅片分別插在兩瓣桔子中，沒有電流通過；將鋅片和銅片分別插在兩瓣桔子中，將兩瓣桔子合并，有電流產(chǎn)生，引入膜電池。
通過查閱資料，與生物老師進(jìn)行交流，我們知道了玻璃紙、魚鰾、蛋膜等都是半透膜，但是這些材料不太好固定，于是我們利用生活中的材料輸液器自制了實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)很明顯。
圖5 輸液器自制的雙液膜電池，半透膜分別是玻璃紙、魚鰾、蛋膜
我們知道生物膜的透過性與膜上的離子通道有關(guān)，一般情況下，離子通道中的電閘門通道往往是關(guān)閉的，但是受到電刺激（電勢(shì)差)后會(huì)立即打開，大量相關(guān)離子會(huì)順離子濃度梯度迅速通過。我們使用的鋅片和銅片就是兩個(gè)不一樣的電極，產(chǎn)生了電勢(shì)差，快速打開了離子通道的電閘門，于是這些半透膜在電池中就起到了隔膜的作用。
通過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)玻璃紙、魚鰾、蛋膜等作為隔膜，既可以分隔溶液，離子傳導(dǎo)能力強(qiáng)（微電流數(shù)值均在6uA左右），這些隔膜電池，安全無毒，無污染，與我們現(xiàn)在使用的鋰離子聚合物隔膜電池工作原理類似，可以很好的幫助學(xué)生理解并掌握隔膜電池。
（四）聯(lián)系生活，學(xué)以致用
通過以上的實(shí)驗(yàn)探究過程，同學(xué)們體會(huì)到了實(shí)驗(yàn)探究的樂趣，極大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，我讓學(xué)生尋找生活中的材料設(shè)計(jì)電池，硬幣電池應(yīng)運(yùn)而生了。學(xué)生利用生活中常見的硬幣（1元和5角），由于他們的顏色不一樣，通過查閱資料，知道了一元硬幣材質(zhì)主要是鋼芯鍍鎳，五角硬幣的材質(zhì)是鋼芯鍍銅，于是他們利用是氯化銨和氫氧化鉀為電解質(zhì)溶液，玻璃紙為隔膜，設(shè)計(jì)了隔膜硬幣電池，產(chǎn)生了微弱的電流，點(diǎn)亮了紅色二極管，極大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成功感。
八、實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)
（一）直觀
通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)的解釋了學(xué)生難以理解的單液、雙液電池電壓、電流、溶液溫度的變化，改變了學(xué)生的認(rèn)知觀念，思維方式，讓學(xué)生能從宏觀的現(xiàn)象與微觀粒子的性質(zhì)解釋實(shí)驗(yàn)中的問題，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)帶“鹽橋”的原電池在結(jié)構(gòu)的緊湊型和實(shí)用性角度也存在不足，進(jìn)而升級(jí)為“離子交換膜”，在學(xué)生設(shè)計(jì)的一系列探究活動(dòng)中，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)新意識(shí)，讓學(xué)生的思維有一個(gè)質(zhì)的飛躍。
（二）嚴(yán)謹(jǐn)
這節(jié)課中，以實(shí)驗(yàn)事實(shí)設(shè)疑，又以實(shí)驗(yàn)事實(shí)釋疑，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，每一個(gè)數(shù)據(jù)，都必須一一對(duì)應(yīng)，在這個(gè)過程中培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。讓學(xué)生從直觀，生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行推理和分析，在探究活動(dòng)中讓學(xué)生參與到動(dòng)眼觀察，動(dòng)手操作，動(dòng)口表達(dá)、動(dòng)腦思維等一系列活動(dòng)，改變了部分學(xué)生的學(xué)習(xí)方法和思維習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生知道科學(xué)研究的過程，科學(xué)家就是從本節(jié)課起步，慢慢一步一步成長起來的。
（三）創(chuàng)新
這節(jié)課中利用廢棄輸液器滴斗自制實(shí)驗(yàn)器材，方便半透膜的固定，電極的插入，密封性好，組裝便捷、省時(shí)省力。輸液器軟管本身透明，便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)具有一定的形變空間，可以適應(yīng)生成氣體等瓶內(nèi)壓強(qiáng)變化。學(xué)生利用硬幣自制的隔膜電池點(diǎn)亮了紅色二極管，極大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成功感。
（四）轉(zhuǎn)變
本節(jié)課中最大的亮點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)變學(xué)生的思維方式，轉(zhuǎn)變偏差認(rèn)識(shí)，建立了證據(jù)意識(shí)，讓學(xué)生能夠基于證據(jù)提出合理的假設(shè)，建立觀點(diǎn)、證據(jù)和結(jié)論三者之間的邏輯關(guān)系。學(xué)生通過一系列的探究實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到了要形成電池，必須得有電勢(shì)差，還得電流電壓穩(wěn)定可控，電流強(qiáng)度及電容量還得大，提高了學(xué)生對(duì)電化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。
王海利，西安市經(jīng)開第一中學(xué)，13572537240,37895248@qq.com。
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