中美化學教材中“水果電池”的比較與反思

尉言勛　李學強　吳曉紅

（1寧夏大學化學化工學院　寧夏銀川　750021；2安徽碭山四中　安徽宿州　235300)

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中美化學教材中“水果電池”的比較與反思

尉言勛1，2李學強1吳曉紅1

（1寧夏大學化學化工學院寧夏銀川750021；2安徽碭山四中安徽宿州235300)

摘要：對新課標高中人教版教材和美國主流教材《化學：概念與應用》兩國教材中“水果電池”進行了比較和分析，在教材實驗的基礎上，對“水果電池”影響因素進行單一變量的探究。啟發學生的創新思維，培養學生學習興趣。

關鍵詞：水果電池；比較；影響因素；美國教材

新課標對化學素養和衍生出的科學素養尤為重視，科學素養是學生潛意識形成的素質，學生在學習和工作中運用科學的思維和科學的意識發現問題和解決問題。在新課程理念的指導下，我國高中教材也相應改變，目前全國應用較廣泛的教材版本有人教版、蘇教版、魯科版。美國也很重視學生的科學素養，進行了課程改革，2002年美國著名教育書籍出版集團McGraw-Hill的Glencoe公司依據美國《國家科學教育標準》和2061計劃的規定，出版了教材《Chemistry Concepts and Applications》（《化學：概念與應用》），迅速成為美國高中主流理科教材。不僅對具有科學素養的人作出了十分具體的構想，也為美國的教育系統規劃出把這種構想變成現實所應采取的具體行動路線。在此背景下，我們選取了兩國教材中具有代表性的“水果電池”進行比較，通過對比分析力求把兩種教材各自的優點進行有機結合，取長補短。指導一線高中化學教師了解兩國教材，更好地設計實驗教學，提高教學效率，完成教學目標。

一、中美教材有關“原電池”的實驗設計比較

1.人教版必修二第二章第二節化學能與電能41頁“科學探究”

目標：根據已具備的氧化還原反應知識和電學知識，利于提供的實驗用品，設計一套電池裝置。

用品：鎂條、銅片、鐵片、導線、金屬夾、手電筒用小燈泡（或發光二極管）、果汁（橙汁、蘋果汁、檸檬汁等）、500mL燒杯。

方式：最好先獨自設計，并動手實驗，邊做邊改進；也可以與鄰座同學相互討論和觀摩，或請老師指導。

設計及記錄：

思考與交流：通過以上實驗和探究，試說明化學電池應由哪幾部分構成，說明各起什么作用？

實驗用品及操作　實驗現象　結論

實驗活動：利用水果如蘋果、柑橘、檸檬或番茄等制作原電池。

2.美國理科教材《化學：概念與應用》620頁第17章第二節迷你實驗17.2具有電勢的檸檬

實驗步驟：

①輕輕地捏揉檸檬，但不能使檸檬皮破損。然后在檸檬的兩端各切一個深為1cm的裂縫。

②在兩個裂縫中，分別插入鋅條和鉛條。

③用導線將鉛條、鋅條分別與電壓表的正負極相連。若電壓表沒有讀數則將電壓表的正負極上的導線接頭對調位置。

④觀察并記錄電壓表上的讀數。

⑤使用鉛條和鋁條，重復實驗步驟1-4。在將鋁條插入檸檬裂縫前，先用鋼絲絨將鋁片的表面拋光以除去其表面的氧化層，隨后迅速將其插入檸檬的裂縫當中。

注意：使用過的檸檬不能再食用，必須丟棄！

分析與討論：

①什么因素促使鋅條和鉛條之間產生了電勢差？

②為什么將鋅條替換成鋁條后，電勢差增大了？

③若先用鋅條和鎂條進行實驗，再用鋅條和鉛條進行實驗，請問鋅條電極上發生的反應是否相同？試給出解釋。

二、中美教材中的“水果電池”對比分析

1.人教版“水果電池”特點

人教版教材在設計水果電池之前通過一個簡單實驗介紹了原電池的原理，給出了原電池的定義。然后進行科學探究，學生嘗試設計電池裝置。在科學探究的最后有一個實踐活動“利用水果如蘋果、柑橘、檸檬或番茄等制作原電池”。目的是讓學生通過“水果電池”增加實驗的樂趣，驗證前面的理論，與前面的實驗及理論學習相輔相成。很多高中教師在“優質課”評選的時候，選擇的實驗有番茄電池、橙子電池、梨電池、蘋果電池等類似的實驗，從學生課堂表現及聽課教師的反饋來看，水果電池能夠充分調動學生的興趣和學習主動性，體現了新課標以學生為本的理念。

2.美國“水果電池”特點

《化學：概念與應用》中“具有電勢的檸檬”是一個迷你實驗，現象對學生的認知產生了很大的沖擊?！盀槭裁措姌O插入檸檬中會產生電呢？”學生會帶著這個好奇心學習新的知識，在學習有關原電池的基本原理的時候就可以解決這個疑問。在興趣的基礎上進行實驗探究，在探究的基礎上進行分析與討論。教材在水果電池的基礎上介紹電勢差產生的原因以及原電池，對“檸檬電池”進行理論上的解釋，學生理解能量轉化的本質。在原電池原理的基礎上，美國教材又介紹了生活中常見的一些電池，比如碳-鋅干電池、鋰電池與心臟起搏器、鎳鎘充電電池以及電動汽車中的電池，達到“能用相關理論加以解釋”的教學目標。有利于培養學生將化學知識應用于生產、生活實踐的意識，提高學生對與化學有關的社會和生活問題做出合理的判斷和解釋的能力。可見美國教材的特點，起點低但落腳點高。

3.兩種教材“水果電池”實驗對比分析

（1）人教版以及美國教材都很重視“化學能轉化為電能”的教學，都設計了“水果電池”。兩個實驗都有利于培養學生的學習興趣和探究能力。

（2）實驗在設計上存在明顯差異

①目標作用不同

中美教材在有些實驗的設計上選擇的實驗內容相似，因為這部分實驗內容是高中階段化學教學的重點和難點，實驗在這里起到非常重要的作用?！八姵亍睂嶒炛校袊滩氖窍冉榻B了原電池的理論和定義，然后讓學生進行科學探究，自己設計，邊做邊改進，可以與同學討論、觀察或請教師指導。給予了學生自己動手、嘗試設計的機會，體現新課程教師為主導、學生為主體的理念，有利于培養學生設計能力、探究能力。美國教材是讓學生從“水果電池”中發現化學能可以轉化為電能，然后嘗試總結出原電池的定義。實驗器材、藥品選擇兩方面相似，實驗的目標和作用明顯是不同的。在調動學生學習興趣上，美國教材的設計方案更有優勢。在知識的系統、是否利于學生知識鞏固上，中國教材的實驗設計略勝一籌。

②設計方案不同

中國教材沒有給出實驗的具體步驟，但給出了實驗用品讓學生通過原電池的理論去設計實驗過程。一定的范圍內，給了學生選擇的余地，也給了學生探究的空間，有利于學生通過已學新知識，在新情境下分析問題、解決問題，對學生創新意識、探究能力的培養也起到很重要的作用。

美國教材給出了具體的實驗步驟，分別使用鋅和鉛、鋁和鉛做對比，進而引入分析與討論。啟發學生思維，產生電勢差的原因是什么？不同的電極電勢差是否相同？以及同一種金屬在不同電極組合中反應是不一樣的。可見美國實驗可行性很強，以實驗、拓展鞏固為主線幫助學生理解和掌握化學能可以轉化為電能。實驗設計步驟明確，簡便易行，現象明顯，便于學生操作和觀察。實驗現象增強學生對能量轉化的感性認識，有利于培養學生觀察、分析能力，提高學生的科學探究能力。學生很容易操作，利于培養學生的學習興趣。

三、對比研究中美兩國“水果電池”實驗的反思與繼續探究

中美兩國對“水果電池”的實驗設計各有自己的優勢，可以有效提高學生的學習興趣、創新能力。該實驗不但用于演示實驗，也可用于學生實驗和探究實驗，不僅可以進行常規教學探究，還可以進一步作深入探究，例如：作為教師還可以在課本實驗的基礎上，進行更深層次的思考。比如：影響水果電池的電流的因素究竟有哪些呢？能否在課本的基礎上進行繼續探究？依據新課程的理念，借鑒中美教材有關“水果電池”的知識，我們把教材中的實踐活動設計用生活中常吃的一些水果進行實驗對比探究，這樣既培養學生的探究意識，引起了學生濃厚的興趣，又直觀地展示了化學能與電能之間的轉化。

（1）實驗用品

微安計、電壓表（量程0～1.5V，電阻約1000Ω）、導線、銅片、石墨棒、獼猴桃、檸檬、桔子、蘋果、柿子等。

（2）探究目的

1.體會能量的轉化，化學能轉化為電能；

2.控制單一變量，探究影響水果電池產生電流大小的因素；

3.發散學生思維，形成多角度思考問題的習慣；

4.加強化學與生活的聯系。

（3）實驗注意問題

①每做一次實驗，要用蒸餾水清洗電極，然后短路清零；

②注意選擇不同電極材料及電極間的距離不同所測電壓有明顯差距；

③所測電壓如果出現負值，說明正負電極接反了；

④為了便于分析比較，本實驗控制單一變量，電極距離為3cm，溫度為室溫，選擇銅、石墨做電極；

⑤很多水果中含有生物酸，起到電解質的作用，為了使現象明顯，更好地控制變量探究影響電流產生的因素，可以選擇酸堿度越高、汁多、大小相似、成熟程度相同的不同水果；

⑥本次探究主要是不同種類水果對電流大小的影響，同學如果有興趣可以嘗試探究其他因素，比如：不同電極、不同電極間距等。

（4）實驗結果

水果種類　第一次數據（單位V）獼猴桃　0.504檸檬　0.430桔子　0.515蘋果　0.538柿子　0.538第二次數據（單位V）0.458 0.602 0.550 0.505 0.539水果汁數據（單位V）0.439 0.608 0.504 0.511 0.532

圖1　

圖2　

（5）實驗發現與結論

1.電極剛插人水果中時，瞬間電壓較大，然后慢慢減少到某一個值，但并不穩定，仍然有一定的減小跡象。這說明水果里面的電解質容易極化。

2.水果電池有內電阻，而且很大。

3.電極插入水果不同區域，電壓有明顯差別，為了更加科學比較本實驗每種水果做兩次，然后，把水果制成水果汁做一次，三次對比。

4.本實驗的探究材料易于獲得，能夠調動學生探究的積極性，但要研究做得到位并不容易。水果電池的探究涉及到電學、化學、生物學等知識，整個探究比較復雜，包含觀察、預測、設計實驗、分析比較、解釋與結論等步驟。

5.通過實驗我們發現水果電池的電動勢影響因素很多，比如：水果的種類、成熟程度、電極間的距離、電極面積、電極材料、插入時間等因素都有關。

為了更好地演示實驗或學生動手探究，教師在實驗之前可以給學生一些建議與指導。本次實驗我們只是探究不同種類水果對電流的影響，電極材料間距離、電極面積、電極材料的活動性差異也有一定的影響，為了不偏離本節課的教學主題并沒有做定量研究，這樣也給了學生思維和創新的空間?？梢宰層信d趣的學生將多個水果電池進行“并聯”或“串聯”，測定其電流和電動勢。嘗試連接音樂卡片，用水果電池代替紐扣電池。嘗試利用生活中的小燈泡，使用水果電池讓它發光等作為課外的擴展。

總之，化學是一門實驗科學，只有理論來源于科學實驗結論，才更加具有說服性，更利于學生掌握。中美兩國教材都很重視學生科學素養的培養，教材實驗的設計各有特點和優勢，教材呈現其內容的方式不同，效果也不相同，但都是為了激發學生學習興趣、培養學生探究能力。高中化學教材的知識呈現方式是否符合學生的認知發展規律，是否有利于學生主動構建知識，是否符合學生的最近發展區原則，這些問題都值得深入研究。作為教師，要能夠合理地借鑒美國化學教科書中的優點，吸收國外先進教育理念，揚長避短，促進自己的教學實踐。應善于激發學生心靈深處強烈的探究欲望，讓探究性的課堂充滿探究的樂趣，讓探究過程迸發出智慧的火花。

參考文獻

［1］（美)菲利普（Phillips J S)等.化學：概念與應用［M］.王祖浩等譯，杭州：浙江教育出版社，2008

［2］楊玉琴.關于“水果電池”的實驗探究［J］.化學教學，2008，01：17-18

［3］雷宇，張文華，彭慧.中美化學教材實驗設計的比較研究［J］.化學教育，2012，04：16-18，22

［4］劉敏.中美化學入門教材比較［J］.化學教學，2009，09：56-58

［5］王露迪.人教版高中化學教材和美國高中主流理科教材《化學：概念與應用》實驗比較研究［D］.北京：首都師范大學，2013

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.002

文章編號：1008-0546（2016）04-0005-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B