視頻簡介：
視頻標簽：全國中小學實驗教學
所屬欄目：高中化學說課視頻
視頻課題：【視頻實錄+課件+說課稿】《原電池實驗的深入探索——尋找自制理想電池的最優實驗方案》全國中小學實驗教學說課活動 佛山
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【視頻實錄+課件+說課稿】《原電池實驗的深入探索——尋找自制理想電池的最優實驗方案》2020年第8屆全國中小學實驗教學說課活動
高中化學·人教版選修四《化學反應原理》第四章
《原電池實驗的深入探索》說課稿
佛山市順德區李兆基中學 黎秀梅
一、 教材背景分析
（一） 教材分析
本節實驗課在教材中沒有直接呈現，以高二年級所使用教材（人教版 ）選修四《化學反應原理》第四章“電化學基礎”中第一節第二節知識為基礎，針對原電池應用而設計的實驗改進探究課。本節實驗課的內容在教材第四章的首頁被指明其重要性——化學能與電能的相互轉換則必須通過一定的裝置。裝置設計的合理性，對于能量的轉換效率至關重要。因此，非常有必要開展這一節實驗課。
同時，盡管已經接觸了很多次單液原電池和雙液原電池，但是并未真正從本質上理解為什么要引入雙液原電池，僅僅停留在增強電池穩定性方面，而不知道U型管鹽橋雙液原電池的電流很小，并不具有實際應用意義。而且，第一節第二節內容均未介紹離子交換膜在電池中的作用，恰恰這幾乎是近三年全國一高考卷電池裝置中均涉及到膜。所以，通過本節課自制膜電池，可以補充教材中關于膜實驗的空白。
（二） 學情分析
高二學生已掌握簡單原電池的工作原理，具備初步設計簡單實驗的能力，但是對實際生活中帶膜的化學電源、電解池、工業生產問題缺乏知識遷移能力，也就是缺乏科學創新思維和實驗綜合分析能力以及從宏觀實驗到微觀探析的推理能力。因此，本節課對學生思維能力的培養非常有必要。
（三） 教評目標
l 教學目標：
① 通過對原電池實驗的創新改進，加深對與原電池工作原理的認識，提高學生的設計實驗能力和創新能力，發展科學探究與創新意識核心素養。
② 利用數字化實驗儀器，將微觀發生的反應可視化，結合數據曲線，初步形成分析推理、對比歸納能力，發展宏觀辨識與微觀探析核心素養。
③ 通過探究原電池如何提供穩定持續電流的過程，了解科學探究的步驟和方法。在自主探究與交流互動中，培養求真務實，勇于探索的科學態度。
l 評價目標：
① 通過對原電池工作原理的微觀本質的討論和點評，診斷并發展學生對原電池本質的認識水平（物質水平、微粒水平）。
② 利用數字化實驗儀器對原電池性能水平的探究，發展學生數據分析能力以及實驗探究設計水平（孤立水平、系統水平）。
③ 通過對原電池改進方案探究的討論和點評，診斷并發展學生解決實際問題的能力水平及其對化學價值的認識水平（學科價值視角、社會價值視角、學科和社會價值視角）。
（四） 教法學法分析
l 學習重點：會發現分析原電池裝置的不足，能根據原理對其進行創新改進
l 學習難點：利用數字化實驗儀器，進行數據分析，得到實驗結果
l 教學策略：POE教學策略（預測-觀察-解釋）、利用情景素材促進遷移化學習。
l 教授方法：創設真實的任務情境，引導學生批判性理解、體驗式學習新知識。
二、 實驗方案設計
（一） 問題的提出
根據課程標準以及深化教育改革的相關文件要求可知，需要學生會評價、懂設計、能應用，以此為指導思想對本節課進行設計，通過互動，啟發，體驗，合作探究式教學，運用現代技術，培養學生實踐能力，綜合素質與創新思維。
（二） 實驗材料與藥品
實驗材料：“創易”數字化探究實驗儀器（采集器、溫度傳感器、電流電壓傳感器）、自制小風扇、玩具車、自制瓊脂塊、電流表、導線、濾紙、玻璃片、夾子、陰離子交換膜、陽離子交換膜 (型號：HUAMOECH )
實驗藥品：銅片、鋅片、KCl固體、CuSO4溶液、ZnSO4溶液
（三） 實驗改進要點
“原電池實驗的深入探索”實驗教學旨在通過實驗改進以及數字化實驗技術的使用，讓學生理解原電池發展的自然科學歷程。本創新設計共有四組對照實驗，即單液原電池、普通雙液原電池、瓊脂塊雙液原電池、離子交換膜電池，培養學生基于現象和數據的實驗推理能力。
本實驗的改進要點主要為：
1.創新瓊脂塊雙液原電池，采用溫度傳感器和電流傳感器直觀的讓學生感受到瓊脂塊雙液原電池的效能高于U型管鹽橋原電池。
2.創新膜電池，與濾紙相結合進行微型化實驗改進，同時通過實驗對比了陽離子交換膜、陰離子交換膜、雙離子交換膜的電流變化曲線，更深入的體會到陰陽離子膜的作用。
（四） 實驗方法
基于定性與定量兩方面對實驗效果進行實時評估：
l 定性：讓原電池作為電源，觀察小風扇的轉動情況（快慢、持續性）進行初步分析。
l 定量：利用電壓電流傳感器、溫度傳感器，對原電池的工作效率進行評估。
（五） 實驗內容
1. 探究分析兩類基本原電池（單液、雙液原電池）的優缺點；
2. 探究原電池高效化的創新改進（瓊脂塊雙液原電池）；
3. 探究原電池高效化與微型化的創新改進（膜電池）；
4. 原電池的實際應用研究（氫氧燃料電池）。
三、 教學過程實施
（一）新課導入，任務驅動
【實驗任務】設計一個微型原電池帶動小風扇工作，請通過小組合作完成電池評價方案以及實驗方案設計。
（二）實驗探究，優化電池
【探究一】單液原電池的效能評估
【探究二】雙液原電池的效能評估，單雙液原電池優缺點分析
l 問題1：原電池是一個什么裝置？
l 問題2：單液電池的優點、缺點是什么？
l 問題3：鹽橋的作用？鹽橋如何制作的？為什么雙液原電池的電流會變小？（通過小組討論，測電壓，發現是內阻變大的原因，據此尋找改進措施）
【探究三】原電池高效化的創新改進（瓊脂塊雙液原電池）
l 問題4：改進后的電池電流大、效率高，但用量大、不便攜，能否設計出高效化與微型化的原電池？
【探究四】原電池高效化與微型化的創新改進（膜電池），探析膜電池工作原理
【探究五】原電池的實際應用研究
l 展示“質子交換膜”在氫氧燃料電池中的應用
【實驗結果】
【實驗結論】
①單液原電池電流大，但不穩定、能量轉換率低；
②雙液原電池穩定，具有較高的能量轉換率，但電流很微小；
③改進后的瓊脂塊電池電流大、穩定、能量轉化率高，但用量大，不便攜；
④膜電池電流大、穩定、能量轉化率高、用量小等優點，因此，本實驗的最優電池為膜電池。同時發現，相同牌子的不同膜之間的電池效能沒大差別。
（三）構建模型，提升素養
（四）實驗拓展，課后研學
四、
教學評價反思
（一）
實驗創新點與亮點
① 實驗現象直觀可視
采用溫度傳感器和電流傳感器直觀地讓學生感受到電流大小、變化以及能量轉化率，化抽象為直觀。
② 學科融合，設計性能優異的電池
本實驗設計融合了物理學科的電阻角度以及生物實驗材料靈感，制備出瓊脂塊雙液原電池和膜電池，且其在電流強度、穩定性、能量轉化率等方面性能表現優秀。
③ 實驗過程真實，實驗數據準確
對實驗全過程利用Camtasia Studio 8錄屏軟件錄制，保證實驗過程和數據的真實性。同時，數據處理簡單、準確、直觀、便于分析；實驗重現性好，可重復多次數據采集。
④ 探究過程，外顯化學核心素養
學生發現問題，設計實驗，反思評價，不斷修訂，層層推進。完成探究活動，將學科素養外顯。
（二）
實驗效果評價
① 知識問題化
設計層層遞進的問題，以問題引發學生思考“為什么要引入雙液原電池”、“為什么要將離子交換膜引入電池中” 、”如何逐步設計改進優化電池？“，激發學生對所學內容的再思考與質疑，提出新的實驗設想，并進一步驗證，從而發展學生的核心素養。
② 認識本質化
如果實驗創新沒有挖掘實驗背后的價值——幫助學生理解科學本質，那么這樣的實驗創新不應該提倡。本節課引導學生去探析微觀過程中的離子移動，以及引導學生從物理電子導體電阻類推，逐步得出原因及改進措施。本節課以學生非常熟悉的單液原電池實驗入手，引導學生思考更微觀，更本質的思考問題，又避免解釋物理化學的理論——雙電層理論模型。
③ 學習積極化
真實的實驗操作以及發現問題、解決問題的體驗都會給學生帶來信心，他們會覺得自己也完全有能力為電池的發展做出自己一份貢獻，學習也更加主動積極。
五、
參考文獻
［1］ 馬翠翠.手持技術數字化實驗探究夾心式膜電池的創新改進［J］.化學教育（中英文），2020,41(7):64-70.
［2］ 杜愛萍.雙液原電池鹽橋的實驗改進［J］.化學教與學，2019,(11):80-82.
［3］ 劉玲.基于濾紙的多電極原電池實驗設計［J］.化學教學，2016,(9):49-50.
［4］ 盛曉婧.利用數字化手持技術探究原電池電流和溫度的變化［J］.化學教育，2016,37(5):61-65.
［5］ 許國霞.原電池的微型化演示實驗［J］.化學教育，2013,(8):62.
［6］ 蔣曉乾.許國霞.鋅銅原電池中鋅片上氣泡的成因分析與實驗改進［J］.化學教育（中英文），2020,41(5):101-102.
［7］ 孫曉琴.高中化學教學中微型實驗的改進開發與實踐研究［D］.內蒙古師范大學:2019.
附錄：實驗操作指南
實驗一：單液原電池
1、組裝電池并定性觀察小風扇轉動情況
l 向100mL小燒杯中加入適量CuSO
4溶液；
l 紅導線一端連接好銅片，另一端連接好小風扇的紅線；黑導線一端連接好鋅片，另一端連接好小風扇的黑線；
l 插入到溶液中，注意不要短路，一位同學負責固定好不要移動，觀察小風扇轉動情況
2、數字傳感器測溫度、電流變化：
l 采集器一端連接電腦USB，另一端連接電流傳感器
l 設置好收集時間（5分鐘，右下角），點擊頁面的“快速實驗”（左下角第一個）
l 實驗期間可以根據實際情況改變橫縱坐標的大小，便于觀察數值；記錄電流起始與結束變化值
l 把電流傳感器換成“溫度傳感器”
l 把探頭插入到鋅片附近，注意不要接觸到鋅片；
l 設置好收集時間（5分鐘，右下角），點擊頁面的“開始”（左下角第6個）
實驗二、雙液原電池
1、組裝電池并定性觀察小風扇轉動情況
l 兩個50mL小燒杯，一個加入CuSO
4溶液，另一個加入ZnSO
4溶液；
l 紅導線一端連接好銅片，另一端連接好小風扇的紅線；黑導線一端連接好鋅片，另一端連接好小風扇的黑線；
l 銅片插入到CuSO
4溶液中，鋅片插入到ZnSO
4溶液；插入鹽橋；觀察小風扇轉動情況
l 換成電流表，測是否產生電流
2、數字傳感器測溫度、電流變化：
l 采集器一端連接電腦USB，另一端用一根網線連接“
微電流傳感器”，另一根連接溫度傳感器，溫度傳感器探頭放在鋅片附近，同時測電流與溫度的變化；
l 操作與單液原電池一樣。
實驗三、瓊脂塊原電池
1、組裝電池并定性觀察小風扇轉動情況
l 同時往瓊脂塊的兩端加入溶液，一端加入CuSO
4溶液，另一端加入ZnSO
4溶液；
l 紅導線一端連接好銅片，另一端連接好小風扇的紅線；黑導線一端連接好鋅片，另一端連接好小風扇的黑線；
l 銅片插入到CuSO
4溶液中，鋅片插入到ZnSO
4溶液；觀察小風扇轉動情況。
2、數字傳感器測溫度、電流變化：
l 采集器一端連接電腦USB，另一端用一根網線連接“電流傳感器”，另一根連接溫度傳感器，溫度傳感器探頭放在鋅片附近，同時測電流與溫度的變化。
實驗四、膜電池
1、
制作膜電池
ü
單膜原電池操作：
l 準備好兩片玻璃片分開放在桌面上，一片放銅片，另一片放鋅片（金屬片要注意留出三分之一在玻璃片外面，便于待會插導線）
l 準備兩張濾紙，將濾紙折成瘦小長方形狀，分別充分浸濕在CuSO
4溶液和ZnSO
4溶液，浸有CuSO
4溶液的濾紙放在銅片上面（不要超出玻璃片），浸有ZnSO
4溶液的濾紙放在鋅片上面
l 把陽離子交換膜或者陰離子交換膜放在濾紙上面
ü
雙膜膜原電池操作：
l 準備好兩片玻璃片分開放在桌面上，一片放銅片，另一片放鋅片（金屬片要注意留出三分之一在玻璃片外面，便于待會插導線）；
l 準備三張濾紙，將濾紙折成瘦小長方形狀，分別充分浸濕在CuSO
4溶液、ZnSO
4溶液KCl溶液中，浸有CuSO
4溶液的濾紙放在銅片上面（不要超出玻璃片），浸有ZnSO
4溶液的濾紙放在鋅片上面；
l 把陽離子交換膜放在浸有CuSO
4溶液濾紙上面，把陰離子交換膜放在浸有ZnSO
4溶液濾紙上面；離子交換膜中間放浸有KCl溶液的濾紙；
l 兩塊玻璃片疊在一起，用夾子夾好。
2、觀察小風扇轉動情況
l 紅導線一端連接好銅片，另一端連接好小風扇的紅線；黑導線一端連接好鋅片，另一端連接好小風扇的黑線；觀察小風扇轉動情況。
3、數字傳感器測電流變化：
l 采集器一端連接電腦USB，另一端用一根網線連接“電流傳感器”，測電流變化。
視頻來源：優質課網 www.jixiangsibao.com
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