將化學史引入課堂教學的探索

黃謙

摘要：原電池原理的發現和利用是近代化學的一個重要事件。作者在高中化學課堂教學中以這一探索發現過程為線索，適當引入化學史的教學，對新課程改革中提升學生化學學科核心素養做出嘗試。

關鍵詞：原電池;探索;學科核心素養;化學史教學

文章編號：1008-0546（2019）09-0031-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.09.009

高中化學學科核心素養是高中學生發展核心素養的重要組成部分，是學生綜合素質的具體體現，反映了社會主義核心價值觀下化學學科育人的基本要求，全面展現了化學課程學習對學生未來發展的重要價值。化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”5個方面。我們的課堂教學，偏重于教材知識的傳授和基本技能的訓練，學生更多地掌握了一些能夠應付考試的知識，通過大量、反復的練習提高了自己的應試能力。但是對化學這門學科的來龍去脈卻沒有一個較為全面的認識。做為教師，我們有責任在課堂上向學生介紹一些化學發展的歷史。在教學中滲透化學史的探索故事、探索精神、探索思路，對于培養學生的化學學科核心素養大有裨益。

一、問題提出

當前化學史教育在課堂教學中的應用主要如下：①開闊學生視野，活躍課堂氣氛;②以化學家獻身科學、探索過程的曲折和艱辛進行情感態度價值觀的教育。這些做法存在的問題是：教師講少了，學生接觸到的化學史內容是零碎的，很難系統化。講簡單了，就難以體現化學發現的艱辛和邏輯思維的力量。比如，講到苯的結構式發現歷史的時候，大多數老師都是說凱庫勒做了一個夢然后恍然大悟，得到了苯的分子結構。然后強調“以事實為依據，以嚴肅的科學態度進行多方面的分析和探討，這一切都為他取得成功奠定了基礎”。但是這樣又過于籠統，學生很難有深刻的認識。其三，化學史講得太過詳細，課時又不夠，同時也沖淡了每節課的教學目標和教學重點。

二、問題思考

以化學史的發現為主線，在探索中組織課堂教學。讓學生在問題的層層推進中不斷思考探索，體會前人的探索歷程。

本文以“原電池”的教學設計來做探討。提煉電化學發展歷程中與中學化學教學有關的重要事件和節點（表1），設計各環節的教學思路和方法，以人類對于電化學認識的歷程為主線，層層推進，達成過程與方法、知識與能力、情感態度價值觀的統一。

三、課堂探究

1.原電池實驗的引入

這是一個學生非常熟悉的實驗。教師準備好導線、靈敏電流計、番茄、銅片、鋅片。組裝成如圖1所示的番茄電池。

實驗中最顯著的現象就是靈敏電流計指針發生了偏轉。顯示本實驗中有電流產生并且通過。課堂討論由此開始。

是不是番茄內部帶有電呢？

事實上，1780年，意大利解剖學教授伽伐尼在一次解剖青蛙中，獲得了一個偶然的發現。當時，他將剝去皮的青蛙放在實驗桌上的金屬板上，金屬板在起電機的旁邊。他的妻子在取一把解剖刀時偶然觸及了青蛙的腿神經。這時起電機剛好打出一個火花，同時，青蛙的腿猛烈地抽搐了一下。

是不是蛙腿帶電呢？

他立即抓住這一現象重復這個實驗，不但又觀察到了同樣的結果，而且還發現了用金屬接觸青蛙神經才有電火花。之后他又以嚴謹的科學態度，選擇各種不同的條件，在不同的天氣重復這類實驗，青蛙的腿都能發生痙攣。以后他又用各種不同的物體做實驗，但是當用玻璃、橡膠、松香、石頭和干木頭等代替金屬導體時，就不發生上述現象。針對這些現象，伽伐尼猜想，在動物體內存在著某種電，如果使神經和肌肉同兩種不同的金屬相接觸，再使這兩種金屬相連接，這種電就會被激發出來，所以這很可能是從神經傳到肌肉的特殊的“電流質”引起的“動物電”。

2.原電池原理及構成

【探究實驗一】將Zn片、Cu片分別插入H2S04溶液中，有什么現象？為什么？

【探究實驗二】用導線把實驗一中的鋅片和銅片用導線連接起來有什么現象？為什么？ 學生通過觀察發現：實驗一中鋅與稀硫酸發生置換反應，鋅片表面產生氣泡，同時試管發熱。學生已經有了氧化還原反應本質的認識，明確該反應中有電子的得失。實驗二中學生很快發現銅片表面產生氣泡這一最明顯的現象。如果此時用靈敏電流計接在銅鋅之間的導線上，會發現指針偏轉，顯示有電流通過。顯然，這樣的裝置與番茄或是蛙腿沒有任何關系，無論是“動物電”還是“番茄電”都是不存在的。伽伐尼的解釋在歷史上曾經引發了長達10年之久的學術爭論，并直接促成了伏打電池的發明。

意大利物理學家伏特在自己的實驗室無數次地重復伽伐尼的實驗。但是，他的注意力主要集中在那一對金屬片上而不是蛙腿上。實驗證明，只要兩種金屬片中間隔有用鹽水、或者堿液浸泡過的紙張、布匹，并用導線將兩種金屬連接起來，不管有沒有蛙腿，都有電流產生。伏特在自己的發現的基礎上終于發明了具有實用價值的伏打電堆。為此當時還受到了拿破侖的特別嘉獎。

在實驗二潛在的電子轉移過程中，建立了有序的電子轉移路徑從而改變了能量的轉換形式。原先實驗一中化學能到熱能的轉換在實驗二中絕大多數變成了化學能到電能的轉換。從而說明有電子轉移的氧化還原反應確實構成了一種將化學能轉化為電能的裝置，這就是原電池。

歸納總結原電池的構成條件：活潑性不同的兩個電極、有電解質溶液、構成閉合回路、有自發的氧化還原反應。

3.電池的發展

學生在實驗二中實際上是會有困惑的。根據原電池原理，做為正極的銅片表面產生氣泡，做為負極的鋅片應該僅有逐漸溶解這一很不明顯的實驗現象。但是實際情況是不僅銅片表面有大量氣泡，鋅片表面也有大量氣泡。事實上，由于鋅片表面產生氣泡，使得早期的伏打電堆的效率很低。

對實驗二進行微觀分析。在原電池反應發生過程中，鋅片表面的H+并不會立刻消失，而是圍繞在鋅片周圍，這就導致了鋅與H+的置換反應必然要發生。也正是由于該置換反應在鋅片表面直接發生，導致了原先往銅片有序轉移的電流效率的降低。

如何才能讓原電池反應依舊發生，同時采取措施趕開鋅片表面的H+，提高電池的電流效率？學生對此繼續展開探討。在教師的引導下，學生將銅鋅稀硫酸原電池的各部分逐一拆開，再重新組裝研究。經歷了下圖的四個研究步驟。

從①到②是為了趕開鋅片表面的H+。從②到③發現缺少了閉合回路這一條件，于是教師引導加了鹽橋。從③到④是升級版，自由電子從鋅片表面經過導線到了銅片表面上，在③裝置中H+在銅片表面得到電子放出氫氣。放出氫氣會導致電池體積龐大且安全系數降低，故不易推廣。但是正極上必須發生還原反應構成原電池的另一個半反應。照此思路，裝置④用Cu2+代替H+繼續實驗，得到很好的效果。

1836年英國科學家丹尼爾為了提高伏打電堆的電流效率研發了一種新的實用性電池。后人為紀念他的成就，將這種電池命名為丹尼爾電池。今天同學們所經歷的探討、想象、實驗在不經意間重溫了丹尼爾當年所走過的路。從丹尼爾電池研發問題的提出，到研發過程中解決問題的思路，同學們在教師的引領下，領略了化學史發展道路上的別樣風景[2]。

人們研究化學的歷史過程在宏觀上反映了科學認識發展的邏輯規律。循著人類前行的足跡，我們踽踽而行。每一次的交匯仿佛是與前人發生了思維的碰撞。我們以化學史的發現為主線，在探索中組織課堂教學，讓學生在問題的層層推進中不斷思考探索，體會前人的探索歷程。他們走過的彎路、他們考慮問題的方式、他們的成功或者失敗帶給我們的啟發無不照亮了新時代的我們學習化學、探究化學的前行道路。“教育所給予人們的無非是當一切已學過的東西都忘記后所剩下來的東西”。化學核心素養就是化學學科所賦予學生最有價值的寶貴財富。

參考文獻

[l] 白建娥，劉聰明.化學史點亮新課程[M].北京：清華大學出版社，2012：160-161

[2]江敏，發現人類思維的脈絡——“原電池”教學實踐與思考[J].中學化學教學參考，2014（12）：1，5-9