優化實驗裝置 助力化學教學——以“原電池”教學為例

沈玉紅

“原電池”是高中化學教學中連接必修與選修的一個重要知識點，也是化學學科中能量轉化的重要體現，對學生理解化學能量轉化觀點，以及學生化學核心素養的提升有著重要的作用。然而，在現行的實際課堂教學中，由于裝置較大、用量較多、現象不易觀察等各方面原因，很多教師都停留在理論講解原電池產生的原理與條件上，而將原本生動有趣的實驗操作課堂，變成了枯燥乏味的理論記憶課堂，剝奪了學生觀察、感受與親身體驗知識的機會，阻礙了學生核心素養的提升。為能方便有效地將原電池的實驗帶入課堂教學，我們可從以下兩個方面進行原電池實驗的改進。

一、原電池實驗的微型化改進

1.藥品用量的微型化。

大部分教師在課堂中展示的原電池實驗裝置如圖1 所示，所使用的容器是燒杯或者電解槽，將鋅電極、銅電極及電流表用導線相連后，放入稀硫酸中，然后觀測裝置內的現象與電流表的指針偏轉。這樣的裝置既浪費原料又不環保，且現象不明顯，原因在于：首先兩個電極需要的表面積比較大，其中鋅電極由于雜質等各方面原因，一旦使用一次后，表面會變黑而無法循環使用；在反應過程中，鋅電極還容易釋放出刺激性氣味的氣體，污染環境；由于裝置的容積較大，需要的硫酸的量也相對較多，而原電池使用后的硫酸很難再重復利用，造成硫酸溶液的浪費與廢液處理的壓力。如果安排的是學生實驗，要處理這些廢棄的電極與廢液，更將是個不小的工程。

為此筆者設計一個簡單易行、效果明顯又節約試劑用量的原電池實驗方式。如圖2 所示，選擇使用點滴板代替電解槽，用鋅棒與銅棒代替鋅片與銅片，實現原電池的微型化；使用點滴板中的小孔，每個孔只需要一毫升試劑就足夠產生電流，大大節約了試劑的用量。此外，由于未隔著塑料或者玻璃等容器觀察，鋅棒由于表面積小，產生的氣泡也沒有那么多，因而可以清楚看到銅棒表面的氣泡，現象也十分明顯。同時由于點滴板有6 個孔，還可以完成幾個電池串聯的實驗操作。

圖1

圖2

2.鹽橋裝置的微型化。

在必修1 中，使用了簡易的單液原電池裝置，如圖1 所示，將鋅、銅兩電極同時插入稀硫酸中，雖然可以看到電流表指針偏轉，但由于鋅片上會優先產生大量氣泡，嚴重影響了銅片上氣泡的觀察，有時候甚至看不到銅片上的氣泡；仔細觀察電流表，發現電流表指針很不穩定，因而引出了選修教材中帶鹽橋的雙液原電池裝置。但與此同時，裝置變得更龐大，同時由于鹽橋的不易保存，因而課堂上學生更加不容易有機會直接觀察與體驗。

為此，筆者選擇使用浸有飽和食鹽水的濾紙來代替鹽橋，使用點滴板中相鄰的兩個孔來作為雙液原電池兩電極溶液盛放的容器，溶液選用藍色的硫酸銅，便于學生分辨觀察。這樣的改進，不但簡化了鹽橋裝置，而且現象更加明顯。

二、原電池實驗的可視化改進

1.串聯電路電壓的可視化。

為了展示原電池裝置中確實可以產生電流，蘇教版教材使用了靈敏電流表來檢測。這樣的裝置在實際操作時會發現，若電流表使用的量程太大，電流表指針偏轉幅度很小，幾乎看不到；若選擇的量程較小，指針又容易滿偏，從而損壞電流表。為此，筆者在嘗試了很多次后，發現選擇電壓表來測電壓可以有效地解決這個問題。我們知道，電阻不變時，電流與電壓是成正比的，電壓的產生與大小可以表示出此裝置中電流的產生與大小，因此測電壓既可以有效地說明原電池的發生，又可以有效地保護電表的安全。同時用測電壓法還可以定量地表示幾個串聯原電池之間的電壓關系。

2.離子移動方向的可視化。

用浸有飽和食鹽水的濾紙代替鹽橋，還有一大優勢，即可以直觀地觀察到離子的定向移動。在點滴板加浸有飽和食鹽水的濾紙的基礎上，在濾紙中間滴入一滴酸性高錳酸鉀溶液，十秒左右，即可發現濾紙上的紫紅色明顯向鋅電極移動。這樣直觀的顏色移動，可以明顯表示出原電池中陰陽離子的移動方向，比單純的說教更有說服力。

這樣的簡易鹽橋雙液裝置，還適用于電解池的使用。比如電解硫酸銅溶液，可以在兩個相鄰的小孔中分別滴入同濃度的硫酸銅溶液，同時在濾紙上滴加同樣的少量硫酸銅溶液，用石墨做電極，連接電源。大約20 秒左右，可以看到藍色的銅離子向陰極區移動，生動形象地展示出在電解池中陽離子的移動方向，這為后續電解池的深入學習提供了直觀的體驗過程。

化學是一門以實驗為重要學習方式的自然學科，如果教師可以不斷地對各種實驗進行改進與創新，將原本大型的、不方便的實驗微型化，將原本不明顯的實驗可視化，甚至引導學生利用生活中常見的一些物質與設備，將實驗生活化、趣味化，這必將大大提升化學學科的教學效能，提升學生的化學核心素養。