視頻簡介：
視頻標簽：第8屆全國中小學實驗
所屬欄目：高中化學說課視頻
視頻課題：【視頻+課件+說課稿】《基于傳感技術的原電池教學改進》第8屆全國中小學實驗教學說課活動 西安
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【視頻+課件+說課稿】《基于傳感技術的原電池教學改進》2020年第8屆全國中小學實驗教學說課活動 西安市經開第一中學 王海利
基于傳感技術的原電池教學改進
一、使用教材
人民教育出版社高中化學選修4《化學反應原理》第四章第一節原電池。
二、實驗器材
（一） 實驗儀器：醫用輸液器、醫用10ml注射器、燒杯、脫脂棉、濾紙、餐巾紙、U型管、導線、電壓傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、微電流傳感器、發光二極管。
（二）實驗材料：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、實驗改進要點
（一）利用數字化實驗探究儀——捕捉宏觀現象背后的微觀本質。利用電流、電壓、溫度傳感器對比分析單液原電池、雙液原電池的優缺點，直觀展示單液原電池能量轉化率低、電流、電壓均不穩定，難以控制，實用性不大；雙液原電池電流電壓穩定可控，但是由于內阻太大，電流太小。
（二）讓學生通過設計探究實驗，尋找生活中的常見的材料——濾紙、脫脂棉、餐巾紙代替瓊脂，進行鹽橋實驗，拓展學生的科學思維能力。同時，組織學生進行合作交流，設計探究，改進雙液鹽橋電池，制作紙張電池，為膜電池的引入打下基礎。利用生活中的橘子瓣膜既可以分隔溶液，又可以傳導離子，引入隔膜電池，利用玻璃紙、魚鰾、蛋膜等半透膜做隔膜電池，最后讓學生利用生活中的一元五角硬幣，設計隔膜硬幣電池。
（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驗改進裝置，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，實驗現象明顯，效果好。
四、實驗設計思路
整個教學活動以原電池原理、氧化還原反應原理為基本實驗原理，結合電池的發展——“單液原電池→雙液鹽橋電池→膜電池”的線索，在實驗教學中設計了如下教學思路：
數字實驗、創設情境（發現問題）→拓展思維、鹽橋改進（解決問題）→橘子瓣膜、引發思考（隔膜電池，拓展探究）→聯系生活、學以致用（硬幣電池，應運而生）。
五、實驗教學目標
（一）宏觀辨識與微觀探析
通過對比觀察單液原電池、雙液原電池正負極的現象，讓學生從宏觀和微觀相結合的視角進行討論、分析、思考產生這些現象的原因。
（二）證據推理與模型認知
借助于數字化實驗，通過單液原電池、雙液原電池、瓣膜電池一系列的探究實驗，培養學生的證據意識，能基于證據提出可能的假設，通過分析推理實驗驗證，建立認知模型，運用模型解釋現象和規律。
（三）科學探究與創新意識
通過引導讓學生發現并提出有價值的問題，從問題和假設出發，依據探究目的設計探究方案，認識到科學探究是進行科學解釋、發現、創造和應用的重要實踐活動，鼓勵學生勤于實踐，善于合作，敢于質疑，勇于創新。
（四）科學態度與社會責任
通過實驗過程，培養學生嚴謹求實的科學態度。利用生活中的廢舊材料自制實驗裝置，培養學生節約資源，綠色低碳的生活態度。體會化學來源于生活，服務于生活。
六、實驗教學內容
本節課是必修化學2第二章“化學能與電能”為基礎，進一步介紹原電池的組成和工作原理，通過對原電池中閉合電路形成過程的分析，引出半反應、鹽橋、內電路、外電路等概念，幫助學生對電化學研究和應用范圍形成一個概貌性的認識。
利用生活中的橘子、魚鰾、蛋膜、餐巾紙及實驗室常見的玻璃紙、濾紙為材料，用輸液器滴斗改裝自制實驗裝置和現代化技術傳感器，探究單液原電池與雙液原電池的優缺點，同時引導學生從單液電池、雙液電池過渡到膜電池，引領學生科學思維的發展，培養學生的科學探究與創新意識及嚴謹求實的科學態度。
七、實驗教學過程
（一）
數字實驗，創設情境
（1）利用數字化實驗探究儀—溫度傳感器，比較單液原電池和雙液原電池，同一時間，溫度的變化規律。
通過實驗可以觀察到：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能轉化成了熱能，能量的利用率低。
（2）利用數字化實驗探究儀—電壓傳感器，比較單液原電池和雙液原電池，同一時間，電壓的強度和穩定性。
通過實驗可以觀察到：單液原電池電壓低，而且很快衰減，雙液原電池電壓高且穩定，說明雙液原電池的穩定性和實際應用的可控性。
（3）利用數字化實驗探究儀—電流傳感器，比較單液原電池和雙液原電池，同一時間，電流的強度和穩定性。
圖1 單液原電池和雙液原電池電流對比（鹽橋大U型管）
圖2 單液原電池和雙液原電池電流對比（鹽橋小U型管）
通過實驗可以觀察到：雙液原電池可以持續提供穩定的電流，但是強度不大。同時電流的強度與鹽橋的大小口徑都有關系，U型管越小，電流強度越大，推測原因可能是大U型管內電路太長電阻太大。
總結：單液原電池能量轉化率低、電流、電壓均不穩定，難以控制，實用性不大；雙液原電池電流電壓穩定可控，但是由于內阻太大，電流太小，而且瓊脂鹽橋的制作麻煩，浪費試劑。
（二）
拓展思維，改進鹽橋
學生查閱資料，小組合作討論，學生找到了生活中的常見材料——脫脂棉、餐巾紙、濾紙代替鹽橋，并設計了兩種實驗裝置進行實驗。通過實驗證明，這三種材料的使用，微電流傳感器數據穩定，實驗效果很好。
裝置一如圖3所示：
圖3中分別為脫脂棉、濾紙、餐巾紙為鹽橋時的電流強度曲線
裝置二如圖4所示。
圖4中表面皿中為脫脂棉、濾紙、餐巾紙為鹽橋時的電流強度曲線
通過實驗，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，電流強度大且穩定，效果明顯，方便學生分組實驗。
通過學生的改進，我們發現濾紙、餐巾紙等這薄薄的一層鹽橋，其電流強度和單液電池幾乎相當，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，提高能量的轉化率，又能降低內阻增大電流呢？
（三）
橘子瓣膜，引發思考
將鋅片和銅片同時插入一瓣桔子中，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，有電流產生，引入膜電池。
通過查閱資料，與生物老師進行交流，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驗裝置，進行實驗，發現電流計指針偏轉很明顯。
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，一般情況下，離子通道中的電閘門通道往往是關閉的，但是受到電刺激（電勢差)后會立即打開，大量相關離子會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不一樣的電極，產生了電勢差，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。
通過實驗，我們發現玻璃紙、魚鰾、蛋膜等作為隔膜，既可以分隔溶液，離子傳導能力強（微電流數值均在6uA左右），這些隔膜電池，安全無毒，無污染，與我們現在使用的鋰離子聚合物隔膜電池工作原理類似，可以很好的幫助學生理解并掌握隔膜電池。
（四）聯系生活，學以致用
通過以上的實驗探究過程，同學們體會到了實驗探究的樂趣，極大的激發了學生的學習熱情，我讓學生尋找生活中的材料設計電池，硬幣電池應運而生了。學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主要是鋼芯鍍鎳，五角硬幣的材質是鋼芯鍍銅，于是他們利用是氯化銨和氫氧化鉀為電解質溶液，玻璃紙為隔膜，設計了隔膜硬幣電池，產生了微弱的電流，點亮了紅色二極管，極大的激發了學生的學習興趣和成功感。
八、實驗效果評價
（一）直觀
通過數字化實驗動態的解釋了學生難以理解的單液、雙液電池電壓、電流、溶液溫度的變化，改變了學生的認知觀念，思維方式，讓學生能從宏觀的現象與微觀粒子的性質解釋實驗中的問題，引導學生發現帶“鹽橋”的原電池在結構的緊湊型和實用性角度也存在不足，進而升級為“離子交換膜”，在學生設計的一系列探究活動中，培養了學生的科學探究能力和創新意識，讓學生的思維有一個質的飛躍。
（二）嚴謹
這節課中，以實驗事實設疑，又以實驗事實釋疑，每一個實驗，每一個數據，都必須一一對應，在這個過程中培養學生嚴謹求實的科學態度。讓學生從直觀，生動的實驗中發現問題，引導學生進行推理和分析，在探究活動中讓學生參與到動眼觀察，動手操作，動口表達、動腦思維等一系列活動，改變了部分學生的學習方法和思維習慣，引導學生知道科學研究的過程，科學家就是從本節課起步，慢慢一步一步成長起來的。
（三）創新
這節課中利用廢棄輸液器滴斗自制實驗器材，方便半透膜的固定，電極的插入，密封性好，組裝便捷、省時省力。輸液器軟管本身透明，便于觀察實驗現象，同時具有一定的形變空間，可以適應生成氣體等瓶內壓強變化。學生利用硬幣自制的隔膜電池點亮了紅色二極管，極大激發了學生的學習興趣和成功感。
（四）轉變
本節課中最大的亮點，就是轉變學生的思維方式，轉變偏差認識，建立了證據意識，讓學生能夠基于證據提出合理的假設，建立觀點、證據和結論三者之間的邏輯關系。學生通過一系列的探究實驗，認識到了要形成電池，必須得有電勢差，還得電流電壓穩定可控，電流強度及電容量還得大，提高了學生對電化學本質的認識。
王海利，西安市經開第一中學，13572537240,37895248@qq.com。
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