基于學習進階理論的實驗創新設計

黎秀梅 王彥迪 蘇忠波 高超

學習進階是學生在各學段學習同一主題概念時所遵循的連貫的、典型的學習路徑，一般呈現為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復雜、相互關聯的概念序列^[1]。以原電池為主題的相關概念教學涉及高一、高二兩個學段，如何遵循學生的認知規律使其通過不同學段的學習實現思維螺旋式上升是值得思考的問題。為引導學生探究不同裝置的銅鋅原電池實驗效能，筆者利用化學原電池實驗原理、物理電阻公式以及生物學實驗材料，開展進階式實驗，激發學生深度思考，讓學生直觀認識本質，實現從定性到定量的實驗進階，提高學生的化學學科核心素養。

一、實驗功能價值分析

人教版高中化學教材編排的實驗是循序漸進的?！镀胀ǜ咧薪炭茣?化學 必修 第二冊》編排了單液原電池實驗（實驗6—3），在《普通高中教科書 化學 選擇性必修1 化學反應原理》編排了雙液原電池（實驗4—1），教材中實驗的進階雖然解決了電池電流不穩定的問題，但U形管鹽橋雙液原電池電流小、效能低，實際應用意義有限^[2]。生產生活應用較多的是離子交換膜電池，而教材對這部分內容較少涉及，學生無法感知生活中的電池是如何由實驗室的原電池逐步進階而來的。筆者以教材上的實驗為基礎，基于化學思維進階理論改進瓊脂塊原電池和膜電池，利用手持技術探究不同種類銅鋅原電池的電池效率以及顯化內電路離子移動情況，促進學生理解原電池裝置各部分的作用，同時實現從定性分析到定量實驗的轉變，深化學生對原電池的實際應用的認識，讓學生認識化學的本質和價值。

二、實驗改進要點

筆者設計了5組對照實驗，即單液原電池、U形管鹽橋雙液原電池、瓊脂塊雙液原電池、離子交換膜電池、生活膜材料電池（如圖1），意在培養學生基于現象和數據進行實驗推理的能力。

實驗在以下方面有所創新。

在瓊脂塊雙液原電池實驗中，筆者用溫度傳感器和電流傳感器讓學生直觀感受瓊脂塊雙液原電池的電池效能高于U形管鹽橋雙液原電池。在膜電池實驗中，筆者將其與紙巾相結合改進微型化實驗，同時引導學生通過實驗對比陽離子交換膜、陰離子交換膜的電流變化曲線，認識陰陽離子膜的作用。

在生活膜材料電池實驗中，筆者用玻璃紙、魚鰾、洋蔥表皮等廉價的生活膜材料代替昂貴的離子交換膜，引導學生增強化學應用的成本意識。

筆者利用電導率傳感器使內電路的陰陽離子移動可視化，幫助學生對原電池工作原理進行微觀本質探析。

三、實驗方法

實驗前，筆者準備以下設備、器材、工具和藥品。

實驗材料：數字化探究實驗儀器（無線傳感器，包括溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、電導率傳感器）、數據采集與分析軟件、自制瓊脂塊、電流表、導線、紙巾、玻璃片、陰離子交換膜、陽離子交換膜、玻璃紙、魚鰾、橙子。

實驗藥品：銅片（6 cm×4 cm）、鋅片（6 cm ×4 cm）、KCl固體、飽和CuSO₄溶液、飽和ZnSO₄溶液、0.05 mol/L CuSO₄溶液。

實驗方法如下。

（一）組裝銅鋅單液原電池

實驗準備（如圖2）：向原電池反應器中加入160 mL CuSO₄溶液，將電流傳感器紅導線一端連接銅片，黑導線一端連接鋅片，插入溶液中，注意防止短路。

用數字傳感器測溫度、電流、電壓變化情況：將溫度傳感器用鐵架臺固定好，插入至溶液中央；打開傳感器藍牙連接平板電腦，設置好收集時間（5分鐘），開始采集數據；將電流傳感器換成電壓傳感器，重復上述操作。

（二）組裝銅鋅U形管雙液原電池

向小燒杯中分別加入40 mL ZnSO₄溶液和40 mL CuSO₄溶液，將電流傳感器紅導線一端與銅片連接，黑導線一端與鋅片連接，依次插入CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液中；將溫度傳感器用鐵架臺固定，插入ZnSO₄溶液中央；用數字傳感器測溫度、電流、電壓變化情況。

（二）組裝瓊脂塊雙液原電池

瓊脂塊制作：首先向燒杯中加入3 g瓊脂和97 mL蒸餾水，水浴加熱至完全溶解，然后加入30 g KCl充分攪拌，完全溶解后趁熱倒入長方體模具中冷卻（如圖3），用的時候再切割至原電池反應器中即可^[3]。

實驗步驟：向瓊脂塊兩邊分別注入40 mL ZnSO₄溶液和40 mL CuSO₄溶液，將電流傳感器紅導線一端與銅片連接，黑導線一端與鋅片連接，依次插入CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液中；將溫度傳感器用鐵架臺固定，插入ZnSO₄溶液中央；將電導率傳感器分別插入CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液中；用數字傳感器測溫度、電流、電壓變化情況。

（三）組裝離子交換膜原電池

將兩片玻璃片分開放在桌面上，用紙巾分別包裹銅片和鋅片，包裹部分約占2/3，分別吸取約2.5 mL CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液，分別放在玻璃片上固定，中間用離子交換膜隔開；將電流傳感器紅導線一端與銅片連接，黑導線一端與鋅片連接，用數字傳感器測溫度、電流、電壓變化情況（如圖4）。

（四）組裝生活膜材料原電池

將兩片玻璃片分開放在桌面上，用紙巾分別包裹銅片和鋅片，包裹部分約占2/3，分別吸取約2.5 mL CuSO₄溶液和ZnSO₄溶液，分別放在玻璃片上固定，中間用玻璃紙或者魚鰾隔開；將電流傳感器紅導線一端與銅片連接，黑導線一端與鋅片連接；用數字傳感器測溫度、電流、電壓變化情況（如圖5）。

四、實驗教學過程

（一）提出學習任務，回顧原電池知識

實驗任務：設計一個微型原電池，帶動小風扇工作，分組合作起草電池評價方案并設計實驗方案。

（二）實驗探究，優化電池設計

設計一：評估單液原電池效能

實驗評價：單液原電池電流大，但不穩定，短時間內會衰弱，溶液溫度上升明顯，小風扇短時間內便停止轉動，該電池不具備實用價值。

實驗改進：學生觀察發現，鋅片上附著較多紅色物質（銅單質），說明鋅與銅離子發生了置換反應。學生將鋅片與硫酸銅分開，在兩個燒杯中同時用鹽橋連通內電路。

設計二：評估雙液原電池效能

實驗評價：觀察雙液原電池，電流、溫度10分鐘內未發生變化，很穩定，但小風扇不轉動，電流非常微弱，該電池也不具備實用價值。

思考問題：鹽橋是什么？鹽橋起什么作用？分析鹽橋構造，思考為什么雙液原電池的電流變小。

學生分組討論得出如下結果：

1.鹽橋一般由瓊脂和飽和氯化鉀或飽和硝酸鉀溶液構成。

2.鹽橋的作用是形成離子通道和平衡電荷。

3.實驗室中的鹽橋一般是將溶液加入至彎曲細小的玻璃管中，內阻很大。

實驗驗證：測量單液原電池和雙液原電池的電壓，對比分析發現，二者差別不大。因此，雙液原電池電流小的原因是內阻過大。

實驗改進：根據電阻公式R=ρL/S，學生用增大橫截面積的方法減小電阻，設計出含飽和氯化鉀溶液的瓊脂塊并制成鹽橋。

設計三：評估瓊脂塊鹽橋原電池效能并探析鹽橋中離子移向

實驗評價：該電池可使小風扇持續轉動，電流大、溫度變化不明顯，很穩定，初步達到實驗目的。

實驗拓展：該電池電流大，溶液中電導率變化明顯，可用電導率傳感器探析鹽橋原電池中內電路的離子移動方向。

實驗反思：該電池溶液耗液量大、體積大、不方便攜帶，能否設計出微型高效原電池？

教師引導：介紹堿性鋅錳干電池，引入隔膜。

實驗改進：離子交換膜可以看作是橫截面積變大、長度變短的鹽橋，故用離子交換膜代替瓊脂塊。

設計四：膜電池

實驗評價：離子交換膜電池可使小風扇持續轉動，電流大且穩定，但是成本很高。

實驗改進：尋找生活中的膜材料代替離子交換膜的實例，如玻璃紙、魚鰾、洋蔥表皮等，實驗材料簡單易得，成本很低。因此，生活膜電池電流較大且穩定，裝置小巧，成本低，是理想的自制電池。

（三）課外探究，構建原電池裝置模型，提升素養

成果展示：課外化學興趣小組展示“自制堿性鋅錳干電池”成果（如圖6）。

筆者引導學生建構原電池裝置模型（如圖7）。

（四）深度探究實驗，課后研學

發現問題：學生研究瓊脂塊雙液原電池時發現，當銅片鋅片接觸不同厚度瓊脂塊時，其電流會變化；當銅片鋅片與瓊脂塊接觸面積不同時，其電流也會變化。

課后研學：教師讓學生基于以上述兩因素對瓊脂塊鹽橋原電池的電池效能影響進行最優實驗條件探究，找出瓊脂塊鹽橋的最優厚度以及最佳接觸面積，分組完成實驗報告（如圖8）。

五、實驗結果與分析

（一）不同鋅銅原電池的優缺點對比分析（見表1）

分析實驗數據可知，單液原電池電流大，但不穩定，短時間內會衰弱，溶液溫度上升，能量轉換效率不高；雙液原電池穩定，但是電流微小；瓊脂塊電流大且溫度、能量轉換效率高，但是溶液耗量大，體積大；離子交換膜電池電流大且穩定，但是成本很高；玻璃紙、魚鰾等生活膜電池電流大且穩定，成本很低。

（二）不同鋅銅原電池的能量轉化效率對比分析

能量轉化效率η=?????????????×100％，電流是單位時間里通過導體任一橫截面的電量，I=??????，推導出Q（實測）=????????，故利用數據采集和處理軟件的積分功能可算出導線中通過的電荷量^[4]。根據法拉第電解定律可得：上述單雙液電池的正極發生Cu²⁺+2e^-=Cu的過程中，當有nmol Cu²⁺被還原為Cu時，轉移的電荷量為Q（理論）=Q（Cu）=2×n（Cu）×F（F為法拉第常數，F=96484.5 C·mol）。表2是師生根據上述公式計算出來的不同鋅銅原電池的能量轉化效率。

（三）瓊脂塊雙液原電池兩半電池電導率分析

電導率傳感器用于測量溶液的導電性強弱，測定離子濃度。相同溫度下，同種溶液電導率越大、離子濃度越大。實驗中，實驗者借助技術手段通過電導率數值外顯雙液原電池內電路離子移動方向，在CuSO₄溶液中的Cu²⁺獲得電子成為金屬Cu并沉積在銅片上，鹽橋中的K⁺移向CuSO₄溶液，使得銅半電池離子濃度變化不大，電導率幾乎不變。在ZnSO₄溶液中，鋅片逐漸溶解，鋅失去電子形成Zn²⁺進入溶液，同時鹽橋中的Cl^-會移向ZnSO₄溶液，導致鋅半電池中離子濃度增大，電導率增大（如圖9）。由此可知，雙液原電池中內電路離子方向為鹽橋中的K⁺移向正極，Cl^-會移向負極，避免學生進入認識誤區——溶液中離子遷移至鹽橋抵消電荷的變化。

六、評價與總結

（一）實驗現象直觀，過程真實，數據準確

教師應用多種傳感器讓學生直觀感受電流大小、變化、能量轉化率以及內電路離子移動方向，化抽象為直觀。實驗過程被錄制，保證實驗數據的真實性。同時，師生用軟件進行數據采集與分析，數據處理過程簡單、數據準確、現象直觀，便于分析；實驗重現性好，可重復進行數據采集。

（二）融合多學科知識，制成性能優異的電池

實驗中，師生基于化學知識，融合物理學科的電阻知識，借用生物學實驗材料，制備出瓊脂塊雙液原電池和膜電池，其在電流、穩定性、能量轉化率等方面性能表現優秀。

（三）關注探究過程，促進學生化學學科核心素養提升

創新實驗要挖掘實驗價值——幫助學生理解科學本質，否則實驗創新無意義。上述實驗活動過程中，教師不斷引導學生探析微觀過程中的離子移動，引導學生思考微觀層面的本質問題，從物理電子導體出發，通過電阻公式R=ρL/S分析原因，按照增大橫截面積、減少長度的思路，完成探究活動，得出離子交換膜可以看作是橫截面積變大、長度變短的鹽橋的結論，將生活實際的電池與實驗室的原電池建立關聯，使學科核心素養外顯，達到“在用中學，在學中用，學了就用”的效果。

參考文獻

[1] 周廣，劉翠，李德前.基于化學思維進階的實驗創新設計[J].實驗教學與儀器，2020（2）：38-40.

[2] 馬翠翠，盧玲，董軍.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（7）：64-71.

[3] 杜愛萍，蘆琴燕.雙液原電池鹽橋的實驗改進[J].化學教與學，2019（11）：80-82.

[4] 王春.運用手持技術探究單雙液原電池的能量轉化效率[J].教育與裝備研究，2017（10）：71-73.

（作者黎秀梅、王彥迪、蘇忠波系廣東省佛山市順德區李兆基中學教師；高超系廣東省佛山市順德區均安中學教師）

責任編輯：祝元志