化学能转化为电能-电池（第一课时）

化学能转化为电能电池————迈向低碳时代电池开启未来教学内容基本信息化学实施年级高二课程标准模块选择性必修课程模块1化学反应原理主题1化学反应与能量教材版本鲁科版选择性必修1化学反应原理章节名称第1章化学反应与能量转化第2节化学能转化为电能电池课时位置第一课时原电池的工作原理【研读新课标找到依据】《普通高中化学课程标准》（2017年版2020年修订）对本课时的内容要求、教学提示、学业要求如下：【内容要求】认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。了解原电池的工作原理。【教学提示】1.教学策略充分利用铜–锌双液原电池，组织学生开展分析解释、推论预测、设计评价等学习活动，发展学生对原电池工作原理的认识，转变偏差认识，促使学生认识到电极反应、电极材料、离子导体、电子导体是电化学体系的基本要素，建立对电化学过程的系统分析思路，提高学生对电化学本质的认识。学习活动建议实验及探究活动：双液电池的构成及其工作原理。情境素材建议锂离子电池等生活中常用的电池；化学电池的发展历史与新型电池的开发。【学业要求】1.能分析、解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池。2.能分析能源的利用对自然环境和社会发展的影响。【梳理教材准确定位】原电池的教学在高中阶段是一个循序渐进的过程。鲁科版（2019年版）必修二第二章第二节化学反应与能量转化中介绍了单液原电池的形成条件和工作原理的基础知识，选择性必修一第一章第二节化学能转化为电能——电池中则重点介绍带有盐桥的双液原电池装置。很多学生会有这样的疑问：好好的单液原电池为什么要改成带有盐桥的双液原电池？虽然教师可能会从理论的角度给学生解释单液原电池的缺点及改进原因，但这种抽象的问题单凭理论解释是很难让学生真正理解和感受的。另外，近几年的高考中出现了很多带有离子交换膜的原电池装置。搞清楚这几种原电池装置在原理上的异同点不仅可以消除学生心中的疑虑，更重要的是可以让学生对原电池的工作原理有更加深刻的理解，在分析各种原电池装置时才能更加游刃有余。基于此，本节课对高一年级已经学过单液原电池内容的学生，以电池的发展为线索，将三种原电池工作效率的探究活动贯穿在整个线索中，在活动中帮助学生理解三种原电池在装置和原理上的异同，实现将知识融会贯通的同时培养学生的核心素养。【了解学情有的放矢】通过初中化学和高中化学必修模块的学习，学生已经了解氧化还原反应的知识，初步认识到原电池的功能即将化学能转化为电能，选择性必修一中已经学习了热化学的知识，从物质的反应、微粒的运动、能量的转化等多个角度，为原电池的工作原理学习奠定基础。但是原电池内容涉及到发展学生对氧化还原反应、微粒观的认识发展以及分析体系中化学反应的基本思路的培养，这些都会对学生的认知发展带来障碍。虽然关于原电池的知识难度从必修阶段到选修阶段是一个螺旋上升过程，但是由于学生关于电化学知识的欠缺、受到物理学知识的影响以及对语言的错误理解，导致学生存在一定的认知障碍，具体如下：1.缺乏宏观实验到微观探析的推理能力。2.局限认知：氧化剂和还原剂只有直接接触才能发生氧化还原反应，如何认识原电池中氧化反应、还原反应分开进行？3.如何从微观视角分析原电池中微粒的运动与反应？4.缺乏科学创新思维和实验综合分析能力。核心素养视域下“教、学、评”一致性的教学实践中，着力关注和引导学生达成化学学科核心素养目标，并让教学评价始终贯穿在课堂中。通过评价了解学生的学习质量和化学学科核心素养水平，进一步促进教师改善教学过程，确保每一个学生都能完成相应的学习任务，落实核心素养的培养。匹配匹配匹配教师的教学生的学匹配达成参考促进诊断达成参考促进诊断学习评价基于化学学科核心素养，参考课程标准对“原电池”主题内容中的要求，确定“原电池”的教学目标如下：1.通过回顾原电池基本知识，能设计单液原电池并分析工作原理，构建单液原电池认知模型。2.通过实验探究发现单液原电池的不足，能设计改进装置，初步认识双液原电池。3．通过观察并分析实验现象，归纳双液原电池的工作原理。4．通过实验探究体会盐桥型双液原电池的优缺点，进一步感知膜电池的高效化。学生的学习任务与教学目标相一致，为了在教学活动中能够实时有效地监测教学目标的达成情况，设计了相对应的评价目标，以保障教学目标、学习任务和评价目标的一致性。具体内容如下表。表1“原电池”的“教、学、评”目标教学目标评价目标学习任务通过复习铜锌单液原电池的内容，能从宏观现象认识原电池的构造，同时从微观角度分析原电池的工作原理。（1）通过对原电池工作原理和各部分作用的讨论过程，诊断学生能否通过电子、离子的移动简述原电池的工作原理。通过设计单液原电池装置，复习原电池的工作原理。通过实验探究单液原电池的电流特点，学会根据实验数据等证据素材分析本质原因，了解科学探究的一般方法，培养学生的创新意识、初步建构铜锌原电池单液模型、双液模型以及离子交换膜原电池模型。（2）根据学生对实验现象、实验数据等证据的原因分析，诊断学生是否能够通过实验证据推理出正确结论。（3）对学生提出的多种探究方案进行学生自评、同伴互评，进而优化方案，诊断学生科学探究与创新意识的水平。掌握三种原电池的模型特点；小组讨论、合作完成探究实验。能用辩证科学的态度评价单液和双液原电池的优缺点。（4）通过学生评价单液和双液原电池的优缺点，诊断学生的批判性思维。分析单液和双液原电池的模型缺陷，通过设计实验进行改进。【固体材料】铜片、锌片、自制两种规格的盐桥、阳离子交换膜【溶液】1mol/LCuSO4溶液、1mol/LZnSO4溶液【数字化实验材料】电流传感器、温度传感器、平板、Labstudio软件【重点】（1）深度理解双液原电池的工作原理（2）构建双液原电池认识模型【难点】（1）双液原电池装置的设计（2）双液原电池的工作原理（3）原电池中盐桥的作用分析

突破重难点设计自主探究实验，指导学生进行实验探究学习的同时利用现代信息技术，通过动画科学模拟，将微观、抽象、不可见的离子的运动直观化；将复杂的化学过程变得清晰、形象。运用数字化实验室LabStudio软件借助温度传感器和电流传感器在电脑屏幕直观展示三种原电池的温度和电流变化趋势辅助学生突破重难点。【环节一：创设情境引入课题】【情境】通过图片展示化石燃料燃烧带来的环境危害，面对严峻的环境形势和能源危机，习近平总书记在联合国75届代表大会上提出中国力争于2030年之前实现碳达峰，2060年之前实现碳中和，这是中国对世界做出的庄严承诺！在这样的政策背景下，中国的新能源汽车迅速发展，汽车电池的研发已经位于世界领先行列，再图片展示比亚迪的刀片电池、宁德时代的麒麟电池，激发学生民族科技的自豪感，然后角色转换，让学生化身电池研发人员从原电池的工作原理出发继续深入探究原电池进入本节课题。【环节二初探原电池发现不足】【任务2-1】提前在发放的学案上完成前置作业，设计铜锌原电池并分析工作原理。【活动2-1】学生课前在学案上完成铜锌单液原电池的设计，并分析工作原理，预测实验现象。教师利用希沃投屏软件把各小组的部分设计方案投屏到多媒体上让学生观看，客观评价。【归纳2-1】点评学生设计的原电池装置图，指出像这样的装置电解质溶液只有一种，称为单液原电池，引导学生从装置和原理两个维度构建单液原电池认识模型，并板书单液原电池的工作原理。设计意图：回顾已学知识，从装置和原理两个维度构建单液原电池认识模型，旨在培养学生模型建构意识，深化认识原电池。【情境】这样的简单电池是否实用呢？你们认为电池可以成为实用性电池，在性能方面需要满足哪些要求呢？【任务2-2】启发学生联系生活中实际使用的电池思考电池具备实用性需要具备的条件，进行提问。【活动2-2】学生交流讨论后回答：电流稳定，电流足够大，便于携带、绿色环保等。【归纳2-2】教师归纳总结满足的条件如下：①具有稳定的电流②能量转化效率高等。【过渡】单液原电池是否满足上述两个条件？接下来我们开展数字实验进行探究。【任务2-3】实验探究一：数字实验探究单液原电池由理论分析到动手实践，开展演示实验：数字实验探究单液原电池是否具有实用性，引导学生观察记录实验现象。【问题驱动1】学生观察实验现象后提出问题：为什么单液原电池的电流会衰减？【活动2-3】针对教师提出的问题开展小组讨论，根据记录的实验现象，进一步思考。再进行个别提问，学生根据锌片表面变红的宏观现象解释引起电流和温度变化的原因是锌片与硫酸铜溶液直接接触。【归纳2-3】硫酸铜与锌片直接接触发生置换反应，是放热反应，将化学能转化为热能，温度逐渐升高，反应中铜离子近水楼台得到锌失去的部分电子，以铜单质的形式在锌片上析出，导致锌与电解质溶液的接触面积减少，向外电路输出的电子也大量减少，从而使电流逐渐衰减，锌的一心二用使化学能向电能转化的效率降低，电流不稳定。设计意图：通过实验探究学生可以直观感知电极宏观现象的变化，引导学生从微观角度分析电流、温度曲线变化的原因，旨在培养和发展学生证据推理与模型认知、宏观辨识与微观探析的学科核心素养，有利于突破认知障碍点1，根据学生的表现诊断教学目标1的达成水平。【评价方式】通过小组讨论和交流方式，了解单液原电池不能提供稳定电流的原因，从而诊断学生的批判性思维水平、“证据推理”水平和“微观探析”水平。评价意图：通过小组自评、互评和教师评价等方式，了解铜锌单液原电池的优缺点，初步学会用辩证的思维方法看待事物，同时也学会了从宏观现象、微观和能量等多个维度分析问题。【活动评价】通过数字传感器实验，学生直观地感受到铜锌原电池中的能量损耗，大多数学生能够根据电流和温度曲线对单液原电池的局限性进行评价，进行思考如何避免反应物直接接触而引起的能量损耗。通过小组自评、互评和教师评价，师生共同聚焦于单液原电池的优缺点，使学生更加清晰地认识到单液原电池的局限性，学生的批判性思维和辩证看待事物的能力得到了提升，提高了教学的有效性。【问题驱动2】如何改进单液原电池装置使其产生持续稳定的电流？推进单液原电池的改进。【环节三深入探究改进电池】【任务3-1】留置2—3分钟分组思考讨论，让学生设计改进方案并展示成果。【活动3-1】学生先独立思考，能想到将锌片与硫酸铜溶液分开，绘制改进后的装置图，再小组讨论，交换传阅设计方案，小组内互相评价，集思广益完善设计方案。【任务3-2】教师利用希沃投屏软件把各小组的部分设计方案投屏到多媒体上，让学生观察，启发学生寻找问题，【活动3-2】学生在对比中做出评价，指出某些设计方案存在的不足，并说明不合理的理由，给出改进建议。教师对各小组设计的方案及学生指出的问题及时作出合理评价，将课堂评价落实到位。【归纳3-2】师生共同讨论进一步优化方案，引导学生总结出负极锌片电解质溶液的选择要满足两点：能导电‚不与锌片发生反应。教材14页实验所给试剂中满足这些条件的可以确定为硫酸锌溶液，学生发现装置维度内电路的连接中需要连接一个桥梁形成闭合回路进而引出盐桥，引导学生阅读教材P13页资料卡片中盐桥的介绍，理解盐桥的定义、填充成分。设计意图：通过绘制改进的装置图，将内隐的思维过程显现化，贴近学生的认知规律，体现了学生深度思考的过程，根据学生的表现诊断教学目标2的达成水平。【评价方式】通过小组讨论以及对双液原电池的建模过程，诊断学生的“科学探究”与“创新意识”水平，以及高阶思维能力的水平。评价意图：对学生提出的探究方案进行小组互评和教师点评，进而优化小组方案，初步得出双液原电池的基本模型，同时也加强培养学生的“创新意识”和“科学探究”精神。【活动评价】通过对单液原电池的分析，学生基本形成了一个思路即要产生稳定的电流必须要将两种反应物分开，避免接触时产生的能量损耗。但是分开之后如何构成闭合回路很多学生觉得有些困难，这时通过对探究方案的小组互评，使学生的思维过程显性化，让教师更加清晰地了解学生的角度和思路，并进行针对性的教师点评，最终师生共同得出：无法构成闭合回路的原因是缺乏离子导体，进而引出盐桥的概念。这一过程不仅体现了“教、学、评”的一致性，更通过实时的教学评价，促进了学生的深度思考，培养了学生的高阶思维能力。【过渡】在师生共同探讨下完成了装置的优化，学生可以看到这样的电池装置中有两种电解质溶液，我们称它为双液原电池，引导学生预测实验现象，记录在学案上，那么，这样的装置能否产生稳定的电流而具有实用性呢？接下来开展数字实验进行探究。【任务3-3】实验探究二：数字实验探究双液原电池【任务提示】设置6个组别使用两种规格的盐桥，具体分配情况：第6组使用长而细的盐桥，另外5组使用短而粗的盐桥，方便后续引导学生分析盐桥自身特点不同对电流大小的影响。【活动3-3】学生根据优化的方案和学案上的方法引导，开展数字实验探究双液原电池的电流、温度变化情况，观察并记录实验现象。【问题驱动3】双液原电池的电流、温度如何变化？【活动3-4】各小组同学回答本组测定结果，第6小组同学反映他们几乎没有测定到电流。【过渡】五组同学测定到明显的电流，另外一组同学没有测到明显电流，真的没有产生电流吗？【活动3-5】指导第6小组学生连接音乐卡片的机芯，其他组同学仔细观察。【归纳3-5】学生连接好装置后能听到生日快乐的音乐声，感受到有电流但是比较小。【过渡】电流为什么会如此小呢？先留下悬念，谜底稍后揭开。接下来请测定到明显电流的小组描述测定的具体情况。设计意图：巧妙地设计实验环节，在学生不知情的情况下使用不同规格的盐桥，测出不同大小的电流，预留悬念，激发学生探究的欲望，提高学生的学习积极性。【提问】进行个别提问，请第3小组的代表回答，学生通过温度、电流传感器测出温度不变，电流稳定。【追问】能不能结合电极的宏观现象加以解释呢？【活动3-6】学生再次观察电极表面出现的现象并回答锌与硫酸铜溶液分开的状态下，锌片部分溶解，锌片表面无红色物质附着，铜片上有红色物质产生，说明化学能不再转化为热能，温度不变，电流稳定，能量转化效率高。【归纳3-6】根据学生的实验结果和解释概括双液原电池的优点:电流稳定，放电效率高。【启发】盐桥的加入让氧化剂与还原剂分开，引导学生得出结论：氧化剂和还原剂在没有直接接触的情况也可以构成原电池，但需要盐桥。设计意图：通过亲自动手组装盐桥型双液原电池装置进行实验探究，测定到电流，学生容易明白氧化剂和还原剂在没有直接接触的情况也可以发生氧化还原反应，打破对氧化还原反应的一般认知，有利于突破认知障碍点2，根据学生的表现进一步诊断教学目标2的达成水平。【问题驱动4】盐桥型双液原电池工作原理是什么呢？【活动3-7】学生结合实验现象在学案上书写双液原电池的工作原理。【提问】进行个别提问，请第5小组的代表回答，学生说出锌做负极失电子产生锌离子，铜片作正极，正极仍然是铜离子得电子产生铜单质，总反应依然是锌与硫酸铜反应生产硫酸锌和铜单质。与单液原电池相同。得到其他同学的肯定。【追问】内电路是什么离子发生定向移动呢？【活动3-8】学生思考后回答盐桥中的离子定向移动，再展示双液原电池微观离子动态示意图，通过观察后验证对双液原电池的工作原理的分析并归纳盐桥的作用。【归纳3-8】再由实践到理论，引导学生在单液原电池的基础上构建双液原电池的认识模型，对比单液原电池，学生发现在装置维度离子导体的构建上需借助盐桥形成离子导体。设计意图：通过实际操作、图片、动画等多种直观手段，将抽象的微粒运动形象化；通过语言叙述，将内隐的思维过程显现化，帮助学生建构理论模型，培养学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的学科核心素养。有利于突破认知障碍点3，根据学生的表现诊断教学目标3的达成水平。【评价方式】通过小组对双液原电池工作原理的分析过程，诊断学生的“模型认知”和“微观探析”水平。评价意图：通过小组讨论双液原电池工作原理的分析过程，发展学生对原电池的认识进阶，提升学生探究双液原电池工作原理的能力。【活动评价】在教学过程中，学生基本上都能理解盐桥的作用。教师基于课堂中实际发现的问题，及时调整教学策略，促进师生之间形成更加良好的互动，提升教学的有效性；学生通过生生评价和教师评价，认识到自己在学习中存在的不足，并据此进行自我调整，提升了学习效率，实现了“以评促学”。【任务3-9】由于教材未指出双液原电池缺点及改进措施，此处让学生进行单双液原电池的对比。【活动3-9】学生根据学案上记录的实验现象和数据找出单双液原电池的优缺点。在对比中发现双液原电池比单液原电池小，约为单液原电池初始电流的十分之一。【问题驱动5】为什么双液原电池电流小？为什么第6小组同学测出的电流更小呢？【情境】第6小组学生代表展示使用长而细的盐桥，其他五组学生代表展示使用短而粗的盐桥，学生惊奇地发现他们使用的盐桥有差异。【活动3-10】学生发现使用的盐桥有差异，盐桥的规格影响电流的大小。针对双液原电池电流小的缺点，积极思考讨论分析原因。根据物理电学知识学生容易联想到由于盐桥的加入，电阻变大，继续追问学生导致电阻变大的原因，原因如下：①离子运动的距离变长②通道变窄接触面积变小。【问题驱动6】如何增大双液原电池的电流？【活动3-11】第6小组学生要求改用短而粗的盐桥，其他五组学生要求更换更短更粗的盐桥。【情境】教师用橡皮泥模拟盐桥，启发学生思考如果盐桥极限地缩短或加宽后的形状。学生容易联想是一层膜。【追问】这层膜的作用是什么？【回答】将氧化剂和还原剂隔开，同时允许某些离子的通过。【活动3-12】指导学生阅读离子交换膜资料卡片，教师运用多媒体展示离子交换膜图片、常用膜电池内部结构，阐述膜电池在现实生活中的应用。设计意图：通过对单、双液原电池电流对比中发现双液原电池电流小，学生能联想到探究实验二中第6小组测定的电流比另外五组小，与盐桥的规格有关系，进而对比盐桥、改进盐桥。设置用极限思维法挤压橡皮泥模拟的盐桥，学生观察后获得感性认知，自然过渡到膜电池。有利于突破认知障碍点4，根据学生的表现诊断教学目标4的达成水平。【情境再现】在前面内容的提问中同学们认为实用性电池除了电流稳定，能量转化效率高，还要绿色环保、方便携带、节源资源等。应同学们的要求，我们对铜锌原电池再进行微型化改进，进入下一环节。【环节四微型化改进膜电池】【情境】滤纸可以吸收大量溶液作为反应容器，根据这个特点用滤纸代替烧杯，用阳离子交换膜代替盐桥带领学生共同设计微型化改进方案，改进成夹心式铜锌膜电池，它就像我们吃的夹心饼干。【问题】夹心式铜锌膜电池电流大小及稳定性如何呢？我们继续开展数字实验探究。【任务4-1】实验探究三：数字实验探究夹心式膜电池【活动4-1】利用双面胶将锌片和铜片分别固定在玻璃片上，在铜片上放2片滤纸，滴加10滴1mol/LCuSO4溶液，在锌片上放2片滤纸滴加10滴1mol/LZnSO4溶液，中间夹层采用阳离子交换膜，用鱼尾夹固定好装置，红色导线夹连接铜片，黑色导线夹连接锌片，连接电流传感器，观察记录实验现象。膜电池截面示意图离子交换膜电池sasa【归纳4-1】引导学生分析夹心式膜电池电流变化趋势，根据曲线学生容易看到电流快速衰减，然后电流趋于稳定。相比双液原电池，夹心式膜原电池具有电流示数大且较稳定、放电效率高，装置简易、操作方便、药品用量小、绿色环保等优点，真正做到了小身材、大能量，具备一定的实用性。sasa设计意图：膜电池在生活中应用广泛，在电化学试题中频繁出现，设计膜电池探究环节可以让学生更好的理解常见实用性电池的工作原理，同时感受到膜电池的高效化。【评价方式】通过建构离子交换膜原电池模型的过程，提高学生高阶思维能力水平。评价意图：通过评价双液原电池的优缺点，进一步培养学生科学的质疑态度和批判性精神，促进学生深度思考的发生。【活动评价】通过实验活动探究了双液原电池的优缺点，学生能比较好的了解离子交换膜出现的意义，同时进一步培养了学生的批判性精神，落实“教、学、评”的一致性。在教学过程中，学生对离子交换膜电池这一新知识点的出现产生了巨大的好奇心，学生主动地思考分析，真正做到了“以教促评”和“以学促教”。【情境】这么好的电池我们不使用它是不是可惜了？想象一下，在你的床前案头，每天早晨有一个你设计的电池在工作的闹铃，那感觉好不好？【环节五学以致用角色提升】引导学生设想作为原电池研发人员，体验自主研究的成果。根据提供的材料，组装实用电池，让电子表和小风扇工作、小汽车“奔跑”。设计意图：让学生自主活动增强学生的动手操作能力，感受化学学科乐趣，激发对化学的学习兴趣，让原电池原理在实践中升华。【课堂总结】以图片的形式对本节课单液原电池、双液原电池、夹心式膜电池三种原电池做总结阐述，明确原电池的层层改进反映了电池的发展历程：1800年伏打电堆1836年丹尼尔电池1950年W.Juda合成离子交换膜。设计意图：带领学生谈收获，归纳梳理本节所学主要内容，促进学生掌握知识总结规律，为学生进一步学习后续内容奠定基础。【展望电池】教师展示新型电池如纸电池、寿命更长的心脏起搏器电池、石墨烯电池等，增强学生继续创新设计研发电池的社会责任感。未来电池朝着微型化、高效化、绿色化、功能化方向发展，都将建立在原电池工作原理的基础上，进