探问题式教学之路攻原电池疑难之艰

1、探问题式教学之路 攻原电池疑难之艰浙江省元济高级中学 林珍珍 314300内容摘要采用问题式教学法，解决原电池教学中的关于盐桥、去极化内容的疑难点。将提出问题、解决问题、形成方法、应用实际这一思路过程贯穿授课始终，实现将以教为重心转移为以学为重心，把单纯传授知识转移为学生智力、能力的双重发展与培养。关键词问题式教学 原电池 盐桥 去极化问题式教学法，是一种以教师设置问题为出发点，学生思考解决问题，教师重点讲解与点拨，当堂训练后达到掌握新知识目的的新式教学法。由于这一教学法的开放性，适用于现在正在进行的旨在提高课堂教学效率，培养学生自主学习能力的课堂教学改革。问题式教学法要求对课标和教材内容进行

2、细致分析，细化知识和技能的要求，对应设置一系列的问题，问题应具有针对性，并能在一定程度上引起学生的兴趣从而使他们积极主动地进行思考。教师根据学生的认识进行有重点、有目的的引导与讲解，不断激发学生去主动探究，发现问题并解决问题，由浅入深、由表及里，形成连贯的知识体系。这一过程不仅能使学生获得新知，更是学生自学能力、思维能力和探索精神的培养。我在教学中也努力运用这一方法来进行教学变革和创新，此次将就电化学部分的疑难点尝试问题探究式教学法。电化学相关知识在高中阶段的学习既是一个重点也是难点。苏教版教材处理上，依据化学课程标准，必修二专题二第三单元化学能与电能的转化要求：认识原电池和电解池的反应原理，

3、举例说明化学能与电能的转化关系及其应用。化学反应原理专题1第二单元化学能与电能的转化中要求：体验化学能与电能相互转化的探究过程，了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式，了解常见化学电源的种类及工作原理，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。最后在选修6实验化学专题5中电化学问题研究中对原电池部分又有了更深层次的拓展：在知识预备的基础上，给出一个课题方案设计“原电池实验”，一个拓展课题“干电池模拟实验”，从而将理论研究与实际应用联系起来。然而关于盐桥的使用和原电池极化问题探究的教学往往无从下手，在深度和难度上显得难以处理和把握。传统教学的做法是将提炼出的重点知识填

4、鸭式灌输给学生，为应试而死记硬背，那么如何将教学设计得适合学生现阶段的认知水平、考试要求而又生动有趣？通过整合教材，我们本次采用“一连串问题探究式教学法”，将过去重难点知识的点式教学变为前后联系、步步推进的“线式教学”。首先，从最简单的铜锌原电池引入学习。这种电池也称为丹尼尔电池，它用金属锌和铜作电极，并将两电极放入硫酸铜溶液中，两个电极用导线连接起来，串联一个小灯泡以便于观察电流的产生及强弱。如图1.在正负极发生的电极反应为：（-）Zn-2e-=Zn2+ ，（+）Cu2+2e-=Cu 。原电池开始工作时，锌片溶解，铜片上有红色物质生成，导线中有电流通过，小灯泡发亮。但原电池工作一段时间后，还

5、会观察到，锌电极也开始产生红色物质，导线中的电流越来越小，小灯泡变暗甚至熄灭，不能持续对外提供电能。用纯度很高的锌做电极依然如此，这是什么原因呢？（第一次提出问题，引导学生进行理论分析）学生能讲出一些自己浅显的理解，可能不准确，但要给予肯定，教师可在学生初步认识的基础上深入讲解。通过师生交流互动，总结出可能是以下两个原因所导致：当有电流通过电极时,若在电极溶液界面处化学反应的速率较快,而离子在溶液中的扩散速率较慢,则在电极表面附近有关离子的浓度将会与远离电极的本体溶液中有所不同从而产生浓差极化，降低电池效率。在该原电池中，电子从锌电极流向铜电极，Cu2+在铜电极得到电子变为铜的反应速率较快，但

6、铜离子向正极迁移的速度偏慢，使电极附近铜离子浓度与本体溶液中浓度不同而产生浓差极化导致电流减小，使小灯泡变暗。从理论上来讲，铜应该只在铜电极上生成，但是由于锌电极浸泡在硫酸铜溶液中，不可避免会有少量铜离子直接在锌片上获得电子，生成的铜覆盖在锌表面，直接与锌构成许多微小的原电池，这将加快锌的溶解，而溶解的锌失去的电子没有通过导线，直接被铜离子获得，使锌上析出更多的铜，这种循环会促使电路中电流不断减小，最后小灯泡熄灭。另外，原电池反应一旦开始，电解质溶液中就相当于存在两种溶质，而当组成或活度不同的两种电解质溶液接触时，在溶液界面处由于阴阳离子扩散通过界面的离子迁移速度不同造成正负电荷分离产生电位差

7、，称为液接电位。液接电位也会导致电池效率大大降低，使电池工作时间短，不适合于实际应用。如何解决这上述问题？（第二次提出问题：启发学生思考如何解决问题）针对问题1中铜离子移向正极的速度变慢产生的浓差极化，学生很自然会想到可以通过缩短两极之间的距离来解决。在学生思考与总结的基础上顺理成章引入实验化学P63页关于“原电池实验”的教学。如图2，在一块锌片和一块铜片之间放一块海绵，用棉线或橡皮筋固定好，用导线把小灯泡、锌片和铜片连接起来，插入盛有CuSO4溶液的烧杯中。此方法可缩短两极之间的距离，减小电阻，增大电流使小灯泡更亮。实验现象也使这一理论得到了证实，值得注意的是，此处的海绵不能塑料泡沫代替，也

8、不能用金属片代替，因为需要保证电解质溶液中离子的自由移动。针对原因2中的问题，学生也会有自己的见解，他们会意识到解决问题的关键是不能让负极金属与参与反应的电解质接触，即电池反应的还原剂与氧化剂不能接触，也可能会提出自己创新的雏形，教师逐步引导自然引入盐桥对上述原电池进行改进。如图3所示，将锌电极放入ZnSO4溶液中，铜电极放入CuSO4溶液中，两个电解质溶液之间用盐桥（盐桥是含有饱和KCl溶液的琼脂，离子在盐桥中能移动，但溶液无法流出。）连接起来，。此时原电池中电子与离子的迁移情况如下：外电路：（-）Zn-2e-=Zn2+ ，（+）Cu2+2e-=Cu，实现电子的转移；内电路，CuSO4溶液中

9、K+迁入，ZnSO4溶液中Cl-迁入，通过盐桥，实现离子迁移。Cu 片（正极）上电解质溶液参加了反应，Zn 片( 负极) 附近的电解质溶液不参加反应，它只起到导电的作用。这样就避免了铜离子可能会在负极上得电子导致无电流产生及存在液接电势的情况，事实上盐桥的引入一定程度上也解决了问题1中产生的浓差极化问题。因此盐桥起到以下作用：平衡电荷、形成闭合回路、降低液接电势。使用盐桥的原电池电解液在选择时，正极电解质溶液的选择要看电极反应，应选择所含离子参与正极反应的电解质溶液，负极电解质溶液一般选择与电极材料相同的金属阳离子的溶液，也可以是比负极金属活泼的金属阳离子的溶液，实际中的选择以效果最佳者优先。

10、最终，通过提出问题、解决问题的方法使化学反应原理和实验化学部分的电化学内容有机地联系到了一起，实现知识学习上的螺旋式上升。以上问题解决的过程使学生学生获得了一定的成就感，从而面对接下来的问题更是跃跃欲试，教师及时引导学生可以将上述方法加以应用。例如：实验表明，在大多数原电池中，效果最差的是酸性介质中的Cu-Zn原电池，如图4中的Cu-Zn-H2SO4原电池，那么如何改进呢？（第三次提出问题：鼓励学生学以致用）学生能顺利将上述两种方法加以应用，如下图5和图6。但改进后的铜锌原电池，放电效率仍然很低，小灯泡发光时间很难持续1min，如图5中的原电池开始工作时，Zn 片上没有气泡，但不久后，Zn 片

11、上慢慢产生少量的气泡，用灵敏检流计检测，电流微弱，供电时间短暂，不能持续对外提供电能，因此不适合于实际应用。这又是为什么呢？（第四次提出问题，引导学生进行理论分析）教师此时应引导学生从实验现象着手进行分析。学生会观察到锌铜原电池反应开始后，铜极上很快就聚集了许多氢气泡。进一步思考：产生的氢气泡把铜极跟稀硫酸逐渐隔开，使电池内阻增大，于是电极出现极化现象，这种极化作用阻碍了H+在Cu 片上继续得电子，Zn 片上的电子就不能顺利输送到Cu 片上，使电流变小，有些H+ 就直接在Zn 片上夺取电子生成H2，使电流减小。另一方面，Zn 极( 负极) 金属溶解后，电极附近的Zn2+ 浓度增大，从而使负极金

12、属的溶解速率减缓，产生电化学极化。同样的，图6中的铜锌原电池也会出现类似问题。要减小极化作用，该采取哪些措施呢？（第五次提出问题：启发学生思考如何解决问题）此时学生能意识到：除去铜电极表面的气泡和保证负极金属的溶解速率是解决问题的关键，甚至能想到简单的去极化措施：如对电解质溶液不断搅拌或震荡等。此时教师及时加以延伸和总结去极化的措施：铜锌原电池工作时，不断振动铜片除去其表面上的气泡，并不断搅拌电解质溶液使金属电极溶解产生的金属阳离子及时扩散。然而，这一方法在实际应用中难以实现。进而引入实验化学P63页 “原电池实验”中的讲到的去极化措施加入去极化剂。例如在原电池反应中加入强氧化剂高锰酸钾，重铬

13、酸钾、过氧化氢等，它可以把正极产生的氢气氧化生成水，使两电极的极化作用均得以减缓，这些强氧化剂还能使Zn 电极部分形成一层氧化膜，从而大大改善Zn电极金属的溶解速率。以上问题的提出和解决已经基本攻克这部分内容学习的重难点，最后可让学生将学习到的理论应用于对实际生活，对实验化学P65页 “干电池模拟实验”中电池工作原理进行分析，如课本图5-5锌-锰干电池示意图。学生经过分析可以得到：日常生活中的用到干电池中碳棒作正极，负极是锌筒，电解质是氯化铵、氯化锌的水溶液。那么二氧化锰是电极材料或电解质吗？有什么作用？（第六次提出问题：鼓励学生学以致用）通过对电极反应的分析，学生会发现二氧化锰既不是正极材料

14、也不是电解质，而是一种去极化剂。干电池工作时，负极锌失去电子变为锌离子，正极铵根离子得电子产生氨气和氢气，氯化锌吸收氨气，而氢气则附着在碳棒上面，使电池内阻增大，因此电池在工作时，电极附近产生较大的电压降，使路端电压降低，产生极化作用，所以，要在干电池中加入二氧化锰作为“去极化剂”，吸收正极放出的H2：H2+ 2MnO2 = Mn2O3 + H2O，防止产生极化现象。到此，学生体会到了知识的升华：提出问题、解决问题、形成方法、应用实际。上述共提出六个问题，两个循环，将原电池的反应原理、电极反应书写、生活中常见原电池问题的改进串联起来，形成系统的知识体系，更是反复重现了知识和能力增长的过程。学生在独立分析这些问题时，反复用到了刚刚学过的理论，不是机械地去背诵它，而是要套用理论去解释新的问题，在增长分析问题能力的同时比较牢固地掌握了知识。这就是让知识进入“周转”的实质所在。问题探究式教学从培养学生能力出发来组织教学过程，它不是由教师先讲，而是让学生在问题导引下先进行自学和探索，然后教师再进行评述性讲解。把教师的主导作用置于引导和教会学生学习的基础上，以问题为激发点来启动学生自学和探索的积极性和主动性，在自学过程中教之以学法，根据学情采取教法，把学法和教法融为一体，这就实现了把以教为重心转移到以学为重心，把单纯传授知识转移