視頻標簽：原電池

所屬欄目：高中化學優(yōu)質課視頻

視頻課題：選修實驗化學專題5基于模型認知與手持技術的《原電池》教學案例-廣州市第七中學

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蘇教版高中化學選修實驗化學專題5基于模型認知與手持技術的《原電池》教學案例-廣州市第七中學

一、項目背景 
本案例為基于模型認知的 “不同類型原電池設計”項目式學習，課題源于生活，有助于學生開展深度合作學習，以開放性實驗活動進行有效探究。     【原電池內容的選取】電化學是高中化學的核心知識之一，其概念集中、原理抽象；學生在整個電化學的學習過程中總是存在一些困難。而電化學知識一直是高考重點，常以陌生化學電池分析的形式出現(xiàn)，對學生化學學科能力要求較高。原電池是電化學知識的重要組成部分，學好原電池知識，包括認識原電池本質、理解原電池各部分關聯(lián)、建立原電池認識模型，對培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)、日后解決生產生活中的實際問題等都有積極意義[1]。 
【基于模型認知的教學】學生在電化學學習中的困難主要反映在兩個方面：一是存在關于電化學的偏差或錯誤認識；二是分析和解決電化學問題時缺少認識角度與合理思路，系統(tǒng)性差[2]。因此原電池教學需要幫助學生構建原電池系統(tǒng)認知模型，包括對原電池明確的認識角度、合理系統(tǒng)的分析思路，該模型應體現(xiàn)電化學學科本質，利于知識結構化、問題解決思路化。 
【項目式學習形式的選擇】項目式學習（Project-based learning）是以學科的概念和原理為中心，由學生設計、計劃、執(zhí)行一個項目的學習過程，并且最終產生一個面向公眾的結果（如產品、展示等）。其特點是：經(jīng)歷真實問題解決、涵蓋多種多樣的活動、結束時會獲得產品、持續(xù)時間長等；處理好項目的設計及實施，有助于落實學生學科核心素養(yǎng)發(fā)展[3]。 
【手持技術的運用】手持技術具有定量精確測量、數(shù)據(jù)曲線即時呈現(xiàn)等特點。學生基于電流傳感器測量其化學電源，切實感受電池電流大小及穩(wěn)定性，體現(xiàn)信息技術與學科教學的有效融合。   
二、內容分析 
【現(xiàn)行教材分析】 蘇教版選修《實驗化學》專題五為電化學問題研究，其中的原電池課題，旨在讓學生通過實驗課題，結合實際應用探索怎樣利用化學反應獲得電能，包括了解不同電池工作原理，通過實驗設計制造簡單的電池。學生在學習原電池相關知識時，容易產生“電極反應物就應該是電極材料”“反應物必須接觸才能產生電流”等迷思概念；易忽略對于溶液內部微粒運動過程的分析，對原電池的動力問題認識不清。為避免學生出現(xiàn)認知偏差，案例在教學開始，就突出原電池微觀工作原理，構建學生對原電池的認知模型，注重證據(jù)推理、宏微結合、模型認知等素養(yǎng)培養(yǎng)。  
【2017版課標分析】 課標對必修階段化學能與電能內容要求為：以原電池為例認識化學能可以轉化為電能，從氧化還原反應的角度初步認識原電池的工作
 
                    
             
                    
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原理[4];體會提高燃料的燃燒效率、開發(fā)高能清潔燃料和研制新型電池的重要性。將化學能轉化為電能定為學生必做實驗。建議開展如下活動：用生活中的材料制作簡易電池；探究干電池的構成；討論原電池的工作原理，查閱不同種類電池的特點、性能與用途，調查新型能源的種類、來源和利用。 
對于選修課程的實驗化學系列，建議在化學原理探究主題部分，開展燃料電池、干電池、濃差電池等模擬實驗。教學中鼓勵教師將實驗活動轉化為探究性（或研究性）實驗任務，包括綜合性、長周期的研究項目，突出對學生實驗探究能力的培養(yǎng)，引導學生掌握科學探究一般方法和過程，建立解決某類化學實驗問題的特定思路和方法，發(fā)展動手能力和高級思維能力。同時課標中建議，可以將選修課程與校本選修課程、綜合實驗活動課程等統(tǒng)籌安排，多形式開展教學，包括項目式教學[4] 。 
【電池四要素模型】 新課標優(yōu)化了電化學分析模型，將以往教學中常用的三要素模型修正為四要素模型（電極反應、電極材料、離子導體、電子導體），更反映原電池工作原理的本質，同時適用于電解工作原理，通用性強[5]。 
 三、學生分析 
在項目式學習開始前發(fā)放問卷，時間為高一上學期期末考后，學生已完成必修一的學習。從前測結果看，大部分學生能夠明確氧化還原反應本質，能夠分析并用雙線橋法表示電子轉移情況；對日常生活中電池性能參數(shù)有一定了解，如日常使用的5號電池電壓，汽車電瓶種類等。對于電池的組成結構，大部分學生知道電池有正負極，部分能回答出電解液、隔膜、絕緣保護殼等，對電池的結構認知多局限于干電池的層面。較多學生未能根據(jù)信息提示，將電池和氧化還原反應聯(lián)系在一起，從氧化還原的角度分析電池工作原理。 
利用寒假用任務單導引學生自學，在本學期3月5日第一課時幫助學生形成初步的認知模型后，發(fā)放中測卷。絕大部分學生能夠判斷氧化還原與原電池的聯(lián)系；部分學生頭腦中已建立較完整認知模型，并能基于該模型設計分析電池；仍有部分學生遺忘了認知模型的某些要素，需要進一步加強鞏固。大部分學生表示喜歡實驗探究環(huán)節(jié)，喜歡小組一起互動討論，希望自己動手制作電池，以及進一步了解更多電池的知識。 
     
 
                    
             
                    
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四、教學目標 如下表 時間 
情境任務 
知識目標 
學科能力 學科素養(yǎng) 課外 閱讀電池資料（教師編），根據(jù)已有知識，分組設計簡單電池，以視頻、照片、海報形式記錄 ①自主學習了解
電池的基本知識 
②制作簡單電池 
A1辨識記憶 A2概括關聯(lián) B3簡單設計 
科學態(tài)度 與社會責任 科學探究 與創(chuàng)新意識 
第一
課時 ①分析學生小組寒假制作電池 ①了解電池工作
原理，理清電池組成要素，在此基礎上，建立原電池的認知模型 ②運用模型分析給定的原電池 
A1辨識記憶 
A2概括關聯(lián) 
A3說明論證 
B1分析解釋 
 
宏觀辨識 與微觀探析  模型認知 
②了解原電池基本理論 
③從裝置及原理兩維度建立原電池的認知模型 
④思考自制電池的優(yōu)化方向 
⑤分組認領項目計劃書 課外 
①分組進行不同類型電池的設計及影響因素探究 
①分組深入了解不同種類電池的結構和性能 
②通過自制優(yōu)化電池，經(jīng)歷較完整的科學探究過程 
B1分析解釋 B2推論預測 B3簡單設計 
證據(jù)推理 與模型認知 科學探究 與創(chuàng)新意識 
②基于電流表和電流傳感器檢測電池性能 
③通過視頻海報PPT形式記錄電池制作探究過程記成果 
第二課時 分組展示、講解不同類型電池的
設計及優(yōu)化探究結果（基于認知
模型分析電池工作過程） 
①運用原電池認知模型分析解說
電池，鞏固對認知
模型的理解 
②通過匯報展示了解不同種類電池 B1分析解釋 模型認知 
課外 根據(jù)學生意愿及制作的作品，挑
選部分成果再優(yōu)化創(chuàng)新，參加廣
州市中學生“我與化學”比賽 
基于電池設計提
升學生創(chuàng)新能力 
C2系統(tǒng)探究 C3創(chuàng)新意識 科學探究 與創(chuàng)新意識 
 
五、教學過程 
【任務一】化學科環(huán)保作業(yè)之“生活中的化學電源設計” （時間：寒假） 依托廣州七中假期經(jīng)典活動——各科環(huán)保作業(yè)，化學科的作業(yè)為“生活中的化學電源設計”，為學生提供活動指引（見附錄），其中詳細羅列任務要求及視頻素材。寒假活動包括①閱讀教材，了解電池原理；②觀看視頻，了解電池發(fā)展構造；③拆解干電池，了解電池內部組成；④自制電池，啟動供電設備。利用寒假較長時間，學生分組自主學習研究，在初中物理相關知識基礎上，實踐中學習。 
 
                    
             
                    
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【任務二】了解電池的發(fā)展史（時間：第一課時前） 
觀看視頻及文字材料，了解電池的歷史沿革和類型，并用思維導圖呈現(xiàn)。 自主學習材料包括:①電池發(fā)展史文字資料(自編)；②動畫類視頻——仟問學堂之電池起源：萊頓瓶&伏打電堆；③動畫類視頻——TED-Ed 之電池發(fā)現(xiàn)史；④情景劇類視頻——MIT-K12之電池的發(fā)現(xiàn)；⑤情景劇類視頻——臺灣自然系列-化學-電化學 蛙腿戰(zhàn)爭。 
 
【任務三】認識電池的重要性，分析寒假電池作品（時間：第一課時） 通過生活實例，說明“電能是現(xiàn)代社會應用最廣泛、使用最方便、污染最小的二次能源”，在日常生活中隨處可見。創(chuàng)設情境“身處野外，手機沒電，沒有電源，如何自救？——自制電池”。展示學生寒假制作的電池，分析其優(yōu)缺點，引出本節(jié)課任務“了解電池基本理論、了解電池組成結構、思考自制電池的優(yōu)化方向——即建立完善原電池認知模型”，為后續(xù)探究優(yōu)化展示環(huán)節(jié)打下基礎。 
 
【任務四】掌握原電池基本理論并實驗探究其組成結構（時間：第一課時） 閱讀課本，提取信息了解電池的基本理論：化學能轉化為電能的關鍵是氧化還原反應，其本質是氧化劑和還原劑之間發(fā)生電子轉移的過程；要使其釋放的能量直接轉變?yōu)殡娔埽�就要設計一種裝置，使氧化反應和還原反應在不同的區(qū)域進行，并使電子從還原劑區(qū)域流向氧化劑區(qū)域。  
針對右邊圖像，小組討論，回答下列問題： Q1：反應中哪種物質失去電子？哪種物質得到電子？ Q2：Zn通過什么途徑將電子轉移給溶液中的H＋？ Q3：H＋得到的電子不是Cu失去的，Cu起什么作用？ Q4：想辦法讓這種電子的轉移變成電流，并且觀察到呢？ 
 
在辨析完上述問題的基礎上，分組完成如下表小組探究實驗1，記錄現(xiàn)象  
 
 
【任務五】原電池微觀分析及認知模型建構（時間：第一課時） 
師生共同分析Cu-Zn-H2SO4原電池工作過程微粒的移動，借助動畫直觀感受。 小組活動：畫出下圖裝置中，反應過程各種微粒的移動方向和變化，歸納電池基本組成，并借助智慧課堂系統(tǒng)拍照上傳，學生可以即時看到其他組的作品，教師挑選典型案例進行分析。在微觀圖分析的基礎上，從裝置及原理維度，歸納原電池基本要素及工過程微粒變化，引導學生初步建構原電池認知模型，明確各要素的作用和關聯(lián)，理解原電池和氧化還原反應的關系。 
Zn
Cu
H2SO4
                    
             
                    
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【任務六】不同種類原電池微觀分析暨認知模型應用（時間：第一課時） 完成如下小組探究實驗2，填寫小組活動清單，利用智慧課堂系統(tǒng)拍照上傳，典例分析。實驗2——下列材料能夠構成原電池？實驗驗證，運用模型分析能夠形成原電池的裝置。 類型 Zn-Zn-H2SO4 Zn-Cu-CuSO4 
Zn-石墨棒-CuSO4 
Zn-Cu-乙醇 
電流 
 
 
 
 
 
【任務七】探索電池優(yōu)化方向，分配小組電池制作任務（時間：第一課時） 基于銅鋅原電池，從電流計算公式及之前的實驗探究過程，分析電流的影響因素(如極板距離、極板浸入溶液的面溶液濃度)等，引發(fā)思考后續(xù)優(yōu)化角度。 學生小組認領“不同種類化學電源設計”項目計劃書及資料包，探究電池類型包括單液電池、雙液電池、燃料電池、Al-空氣電池。根據(jù)學生人數(shù)（46人）及寒假自行組隊情況，將全班分為10個小組，每2個小組制作探究一種類型電池。 
 
【任務八】分組進行不同類型電池的設計及優(yōu)化探究（時間：課外,2周） 學生自行選取探究要素，進行電池制作、性能探究、外觀美化，如實記錄實驗過程，用電流表和手持技術測試電池性能，教師全程跟蹤，對學生的困惑及時指引。最后，用海報、視頻、PPT呈現(xiàn)實驗成果，具體內容要求如下。 
①【視頻】（電池制作及效果解說） 
內容：小組電池制作過程展示+電池效果演示 ②【海報】（電池說明書，發(fā)揮創(chuàng)意，可粘貼照片等） 內容：實驗原理 、儀器與試劑 、實驗步驟 、結果與討論 ③【匯報PPT】（科學用語表達+理順邏輯關系） 
內容：電池原理講解，運用認知模型分析、探究優(yōu)化的過程及數(shù)據(jù)結果分析、聽眾互動問題 
   
 
                    
             
                    
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【任務九】分組展示不同類型電池的設計及探究結果（第二課時） 分組介紹實驗成果，每個匯報小組6min內，分組情況及展示內容如下。  匯報1 水果電池 小組1 陳書源  林弋森  高揚 胡文彬 水果電池 小組2 羅森杰 鐘茵棠 唐梓丹 王紫怡 黃立文 匯報2 硬幣電池 小組3 蘇楚扉 胡韻熙 黃毓淇 許無恙 陳彥旭 
硬幣電池 小組4 馮析健 趙承恩 麥宏熙 梁蔚林 匯組3 雙液電池 小組5 伍嘉慧 、張紫玥、李笑然、時靜儀，鄭雅藍 
雙液電池 小組6 羅祎旻 李嘉陽 朱芷萱 羅玥 匯報4 燃料電池 小組7 林楚焜 鐘煜恒 杜玨璋 
燃料電池 小組8 黃梓棟 文昊 張芷瑜 謝宛彤 祝佳文 匯報5 
Al-空氣電池 小組9 吳奇融，盧奇勵，葉銘揚，何炯樂 Al-空氣電池 
小組10 
黃凱欣 黃煒珺 黃牧子 韋樂欣 趙德賢 
匯報內容包括：①小組制作電池概況（視頻及海報展示）；②運用認知模型分析小組電池（將電池模型分析圖貼在黑板上，邊講邊畫）；③匯報電池探究或優(yōu)化過程（呈現(xiàn)數(shù)據(jù)），探討分析原因；④電池實物展示。根據(jù)評分表，每個同學給各小組表現(xiàn)打分，教師適當做點評引導。 
 
【任務十】學習效果檢測（第二課時/課后） 題目檢測，了解學生對本課題掌握情況，鞏固學習。 測一測 
我國科學家研發(fā)了一種室溫下“可呼吸”的Na-CO2二次電池。將NaClO4溶于有機溶劑作為電解液，電池示意圖如下，放電時電池總反應為3CO2+4Na==2Na2CO3+C，請回答下列問題。 
 負載碳納米管的鎳網(wǎng) 分析該電池，選擇相應的序號填到空格中  
(1)正極材料是          ，(2)負極材料是         ；(3)正極反應物是        ，(4)負極反應物是        ；(5)離子導體是      ；(6)電子導體是       ；放電時，該電池正極(5)    電子，(6)發(fā)生的反應為    ；負極(7)    電子，(8)發(fā)生的反應為       ；  
[A] Na  [B]CO2  [C] 負載碳納米管的鎳網(wǎng)  [D] Na2CO3    [E] NaClO4      [F]有機溶劑      [G] 3CO2+4e- == 2CO32- + C   
[H]導線  [I]失 [J]得 
[K] Na++e- == Na            [L]電解液 
 
 
                    
             
                    
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六、教學反思 
①【項目式教學對學生發(fā)展的促進作用】 項目式教學有助于學生關鍵能力和學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。在“不同類型化學電源設計及優(yōu)化”的任務驅動下，學生不斷深化對相關知識的深入理解，小組合作，設計探究實驗方案、主動檢索資料，耐心解決問題......力爭讓產品更出色。 
②【項目式教學對教師發(fā)展的促進作用】 項目式教學促進教師專業(yè)發(fā)展，也增強了職業(yè)幸福感。項目開展過程中，教師必須不斷完善增加相關知識儲備，進而指導或與同學共同解決問題，真正實現(xiàn)教學相長。 
③【模型認知素養(yǎng)對化學學習的重要性】 原電池四要素認知模型的引入，幫助學生認識原電池的本質特征、構成要素及相互聯(lián)系，建構了原電池的認識角度、分析思路，遇到陌生情境下的原電池，不畏難而能夠有序分析。 
④【信息技術與學科教學融合的有效性】 手持技術的引入，使學生能夠定量、即時、連續(xù)地觀測電流曲線變化趨勢，直觀感知電池的電流穩(wěn)定性；智慧課堂的使用進一步增強了課堂互動性；學生對化學學科的熱愛也因此加深；信息技術與科學教學有效融合值得進一步探索。 
⑤【項目式教學與課外活動結合的可行性】 部分項目耗時長，可作為選修課或比賽的項目，將兩者有機整合；平時教師可開展微項目教學，既發(fā)揮項目式教學的優(yōu)勢，也考慮了教學時間的有限性。 
⑥【項目式教學資源整合開發(fā)的必要性】 項目式教學在發(fā)展學生核心素養(yǎng)方面具有優(yōu)越性，逐漸受到關注，越來越多的優(yōu)質案例以論文、書籍等形式涌現(xiàn)。希望學校在相關資源，如儀器試劑、配套實驗室等方面提供支持；教師及相關教育團體關注項目學習資源的開發(fā)整合，共同助力學生發(fā)展。

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