雷钰娜
（绍兴市高级中学 浙江 绍兴 312000）
“化学反应与电能”是新人教版《普通高中教科书（化学必修第二册）》中第六章第一节“化学反应与能量变化”第二课时的内容，是高中化学学科体系的核心知识之一。该部分内容既是对氧化还原反应、离子反应和物理电学相关知识的应用、拓展和提升，也是对化学反应与热能的继续介绍和补充，又是后续选择性必修课程中深入学习电化学相关知识的必备基础，具有承前启后的重要作用。原电池的教学体现学科交叉，科学理论联系实际，是发展学生化学学科核心素养的好素材。［1］通过学习，可以建立基于氧化还原反应规律及生活经验，分析原电池的构造及工作原理的认知模型，从基本观念的角度发展学生的变化观念、能量观念和化学价值观念等，有利于提高学生综合运用学科知识解决实际问题的水平。［2］
1.教学目标
（1）通过实验探究铜锌原电池的工作原理，从氧化还原反应的视角认识化学能转化为电能的本质。
（2）通过原电池构成要素的探究学习、设计改装玩具电池等活动，建立原电池的认知模型。
（3）通过对我国大力发展新能源汽车的讨论活动，感受原电池的价值，体会化学学科的重要性，增强社会责任感。
2.评价目标
（1）通过对玩具小车跑动原因探究、铜锌原电池宏观现象分析等活动，诊断并发展学生对原电池本质的认识进阶和认识思路的结构化水平。
（2）通过对原电池构成要素探究实验方案的设计和点评，诊断并发展学生基于控制变量法的实验探究设计的水平。
（3）通过对玩具小车电池的设计改装活动，诊断并发展学生应用原电池原理解决实际问题的能力。
（4）通过对我国大力发展新能源汽车及新能源汽车常用电池的讨论与点评，诊断并发展学生对化学价值的认识水平。
“化学反应与电能”的教学与评价思路见图1。
图1 “化学反应与电能”的教学与评价思路
“化学反应与电能”的教学设计见图2。
图2 “化学反应与电能”的教学设计
1.真实情境，引发问题
【情境引入】展示一辆玩具小车，往小车中滴几滴稀硫酸，请同学们观察。
思考：小车为什么能跑起来？驱使小车跑动的能量来自哪里？
【学生】产生了电能。
【追问】是小车哪个部位产生了电能？
【展示】将小车盖打开，展示玩具小车内部结构，把滴加稀硫酸的部位拆下来，请同学们观察。玩具小车拆解过程见图3。
图3 玩具小车拆解过程
设计意图：利用玩具小车，创设真实的情境。让学生真切感受到电能的产生，引出问题的同时增加课堂趣味性，激发学生对玩具小车上产生电的盒子产生强烈的探究欲望。
2.原电池的“初拆”
环节一：产生电的盒子里有什么？
【教师】把小盒子拆开，将里面的部件放在培养皿中，请一位学生观察。根据你的观察与判断，说出你的想法或疑问？
【学生】我看到了两块金属片，中间夹着一片潮湿的滤纸。我觉得滤纸是被滴加的稀硫酸润湿的，两片金属片中红色的应该是铜片，另一片银灰色的应该能与硫酸反应，可能是锌片。
【教师】两片金属片分别是铜片和锌片。同学们有没有什么想法或疑问？
【学生1】物理中学过，电流是电子的定向移动产生的，硫酸滴入盒子里与锌发生反应，发生了电子的转移，是否与产生电流有关呢？
【学生2】铜片不与硫酸反应，铜片起到什么作用？没有它可以吗？或是换成其他金属可以吗？
设计意图：将产生电的小盒子拆开后观察到两片金属片，根据金属片的颜色学生推测红色的是铜片，再根据小车在滴加稀硫酸后跑起来这一现象，推测另一块金属片应该是能与稀硫酸反应的金属，培养学生基于证据进行推理分析的能力。
3.原电池的“深剖”
环节二：电流是如何产生的？
【教师】为便于观察，我们把这个盒子放大，将锌片和铜片同时插入稀硫酸中，同学们判断一下，会有什么现象？如果把锌片和铜片用导线连起来呢？
【学生活动】根据学案中的要求进行实验，并记录实验现象。
【驱动性问题链】（1）铜片上产成了什么气体？（2）该气体从何而来？（3）所需的电子从何而来？（4）电池分正负极，找出这个装置的正负极？（5）从微观角度分析稀硫酸是如何参与构成闭合回路的？
【师生互动】得出铜锌原电池的工作原理。
【展示】铜锌原电池的微观动画，学生通过观察对比，了解了产生电流的实质是将氧化还原反应分开在两极进行，电子通过导线产生电流。解释了玩具小车为什么会跑起来。
设计意图：从宏观实验现象入手，分析现象背后的微观本质，用电极反应式进行符号表征，促进学生运用现象与本质、宏观与微观相结合的方法思考解决化学问题，发展学生“宏观辨识与微观探析”素养。在对原电池正负极判断、离子移动等问题的讨论中，引导学生根据实验现象，收集证据，结合已学氧化还原反应知识及生活经验进行探究推理，发展学生“证据推理与模型认知”素养。
4.原电池的“深剖”
环节三：产生电流的条件有哪些？
【教师】接下来探讨同学们的第二个疑问，铜片起的作用是什么？能不能换成其他可导电的材料呢？
【学生活动】选择合适的用品设计出探究原电池构成条件的最简单实验方案，进行小组讨论。
【教师】请组员代表分享设计思路。
【学生】根据控制变量法，电解质选用稀硫酸，提供的电极材料：锌、铜和石墨，两两组合设计出表1中的方案，其中方案⑤的电极材料用锌和铜，稀硫酸换成酒精。
表1 原电池构成要素实验方案
【教师】请同学生根据实验方案进行小组实验，并推测原电池的构成要素。
【学生实验一】在玻璃片上放置一张滤纸，滴加少量稀硫酸润湿滤纸后，在润湿部位放置锌片（两个）、铜片、石墨粒，按实验方案用鳄鱼夹分别触碰两电极材料，观察电流计指针是否偏转（见图4）。
图4 微型原电池实验装置
【学生实验二】在另一块玻璃片上放置滤纸，滴少量无水乙醇，放置锌片和铜片，用同样的方法进行实验。
【教师】请同学汇报实验结果，并分析原电池的构成要素。
【归纳】五组实验中，只有①②组实验的电流计指针偏转。根据①②④组实验得出，需要两个活泼性不同的电极；
根据①③组实验得出需要有自发的氧化还原反应；
根据①⑤组实验得出需要电解质溶液。另外还需要形成闭合回路。
设计意图：通过探究原电池构成要素的实验方案的设计、交流和点评，诊断并发展学生基于控制变量法的实验探究设计的水平。滤纸+玻璃片的微量实验，具有方便操作、试剂用量少等优点，可树立绿色化学的理念。通过对比实验的探究过程，构建原电池的认知模型，诊断学生的信息处理能力，发展学生的思维。
5.原电池的“改装”
环节四：设计新型原电池，让大玩具车跑起来。
【教师】在研究开发原电池时我们需要综合考虑原电池的构成条件，接下来请同学们结合以上条件设计一个新型的原电池，使得大一点的玩具车能跑动起来？把你的电池设计图纸画在学案上，标出正负极、电子方向。（提供的试剂：镁片、铜片、石墨片、食盐水）
【学生实验三】画出原电池设计图，进行实验。
【学生汇报】我们组最初选择镁片和铜片，用食盐水作电解质，小车不动，我们把铜片换成碳片，小车跑起来了。在我们设计的电池中，镁作负极，碳片作正极，电子从镁片通过导线转移到了碳片。
【教师】分析点评，并提示学生这里的碳片具有吸附空气的作用，引导学生找出电池中自发的氧化还原反应，进而分析电池的工作原理。
【思维建模】这就是用取之不尽的海水作电解质的镁空气电池。生活中有形形色色的电池，分析电池工作原理时，我们可以先找出电池中自发进行的氧化还原反应，其中失电子的一极作负极，发生氧化反应；
得电子的一极作正极，发生还原反应，电子从负极流向正极，电解质中的阴离子移向负极，阳离子移向正极，从而形成闭合回路。整个装置中需要正负两个电极、电子导体、电解质溶液，认知模型见图5。
图5 原电池工作原理认知模型
设计意图：通过对玩具车电池的设计活动，诊断并发展学生应用模型分析和解决实际问题的能力，培养学生勇于探索的科学态度和创新精神，结合镁空气电池的分析，构建分析不同电池的思维认知模型。
6.原电池的“未来”
环节五：我国为什么大力发展新能源汽车？
【教师】今天整堂课都围绕着电池和玩具小车，这样一辆由电池驱动的小车与马路上越来越常见的新能源汽车原理相似。我国新能源汽车产销量连续6年位居全球第一，累计推广超过550万辆。请组员代表结合课前查阅的资料，谈谈我国为什么要大力发展新能源汽车？
【学生1】新能源汽车以电为动力，可取代汽油燃料。虽然我国石油产量全球第六（2020年），但消耗量更大，进口量早已居全球首位，对外依赖度提升至73%。据统计中国的石油资源大概有70%用在了汽车行业，发展新能源汽车可以降低中国对进口石油的依赖程度。
【学生2】燃油汽车尾气的排放与酸雨、雾霾、温室效应等一系列环境问题有关，中国目前的环境形势非常严峻，碳达峰、碳中和已经成为我国坚定的发展方向，迫切需要发展新能源汽车。
【学生3】展示燃油汽车与新能源汽车能量利用率对比图（见图6），可见新能源汽车能量转化率高。另外，中国有发展新能源汽车的天然优势，新能源汽车的储能电池主要是锂电池，中国是世界第三大锂资源储备国。
图6 燃油汽车与新能源汽车能量利用率的对比
【学生总结】新能源汽车的竞争归根结底是“电池的竞争”。特斯拉主要采用的是磷酸铁锂电池和三元锂电池，比亚迪的唐EV，采用了刀片电池，它是改变电池结构的新型磷酸铁锂电池，在安全性、长寿命和长续航方面有明显优势。
【教师】宁德时代创始人曾毓群曾说过：日本人发明了锂离子电池、韩国人把它做大，中国人把它做到世界第一。这是对世界锂离子电池发展史最高度的概括。但当下锂离子电池技术还不够完善，仍存在使用成本高，续航短，安全性不够等问题，所以电池的研究并未停止，仍需一路向前不断创新，经过我们不懈的努力与创新，在不久的将来“电动中国”这个中国梦终将成为现实。
设计意图：从电池驱动的玩具小车到马路上越来越常见的新能源汽车，通过对我国大力发展新能源汽车的讨论与点评，感受原电池的价值，体会化学学科的重要性，关注新能源问题，形成环保意识。通过对我国锂离子电池产业成就的讨论与动力电池未来的展望，体会化学对生活和社会发展的贡献，增强社会责任感，诊断并发展学生对化学价值的认识水平。
本节课以“玩具小车”的跑动这一真实情境引出化学问题，通过“原电池的初拆”“原电池的深剖”“原电池的改装”几个环节中驱动性的问题与活动，引导学生构建原电池的认知模型，设计的滤纸+玻璃片微量实验，具有方便操作、试剂用量少等优点，树立绿色化学的理念。通过“原电池的未来”环节中对新能源汽车与动力电池的讨论与展望，感受原电池的价值，关注新能源问题，形成环保意识，实现化学学科的育人价值。
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