《从盐桥到离子膜：原电池实验的优化路径探究》高中说课课件

从盐桥到离子膜原电池实验的优化路径探究01020304说课流程CONTENTS教学评价反思教学背景分析教学过程实施实验方案设计原电池装置在教材中的地位氧化还原反应反应能量概念必修二化学能与电能（单液原电池）选修四4-1原电池（双液原电池）基础深化选修四4-2化学电源未指出双液原电池的缺点及应用缺陷未具体介绍膜2020全国Ⅰ卷T62019全国Ⅰ卷T62018全国Ⅰ卷T7应用知识：简单原电池的工作原理；实验：初步设计简单实验。已有不足1.缺乏科学创新思维和实验综合分析能力。2.缺乏宏观实验到微观探析的推理能力。化学电源电解工艺工业生产通过对原电池实验的创新改进，加深对原电池工作原理的认识，提高设计实验能力和创新能力，发展科学探究与创新意识核心素养。利用数字化实验仪器，将微观发生的反应可视化，结合数据曲线，初步形成分析推理、对比归纳能力，发展宏观辨识与微观探析核心素养。通过探究原电池如何提供稳定持续电流的过程，了解科学探究的步骤和方法。在自主探究与交流互动中，培养求真务实，勇于探索的科学态度。通过对原电池工作原理的微观本质的讨论和点评，诊断并发展学生对原电池本质的认识水平（物质水平、微粒水平）。利用数字化实验仪器对原电池性能水平的探究，发展学生数据分析能力以及实验探究设计水平（孤立水平、系统水平）。通过对原电池改进方案探究的讨论和点评，诊断并发展学生解决实际问题的能力水平及其对化学价值的认识水平（学科价值视角、社会价值视角、学科和社会价值视角）。教学目标评价目标教学评一体化懂原理会分析能设计能理解会应用会发现分析原电池装置的不足，能根据原理对其进行创新改进利用数字化实验仪器，进行数据分析，得到实验结果POE教学策略（预测-观察-解释）利用情境素材促进迁移化学习创设真实的任务情境，引导学生批判性理解、体验式学习知识1会评价（电流、稳定性、放电效率、药品用量、体积……）2懂设计（依据不足，根据原理来创新改进）3能应用（能用化学知识解决生活实际问题）基于定性与定量两方面对实验效果进行实时评估让原电池作为电源，观察小风扇的转动情况（快慢、持续性）进行初步分析。定性利用数字化传感技术对实验过程进行连续记录及曲线表征，对原电池工作效率进行评估。定量对实验全过程利用CamtasiaStudio8录屏软件录制，保证实验数据的真实性。记录定性定量“创易”数字化探究实验仪器采集器电流传感器微电流传感器电压传感器温度传感器实验仪器实验一1.探究分析两类基本原电池（单液、双液原电池）的优缺点单液原电池双液原电池优

点缺

点2.探究原电池高效化的创新改进（琼脂块双液原电池）实验二实验材料琼脂块KCl固体CuSO4溶液ZnSO4溶液铜片、锌片、导线实验容器实验三3.探究原电池高效化与微型化的创新改进（膜电池）实验材料阴、阳离子交换膜(HUAMOECH)滤纸CuSO4溶液ZnSO4溶液铜片、锌片、导线玻璃片实验四4.原电池的实际应用研究开门见山，提出任务【自制原电池实验】实验任务：设计一个微型原电池带动小风扇工作，请通过小组合作完成电池评价方案以及实验方案设计。实验器材及药品：Zn片、Cu片、ZnSO4溶液、CuSO4溶液、KCl溶液、滤纸、培养皿、导线、小风扇等探究一探究一：单液原电池的效能评估探究一探究一：单液原电池的效能评估单液原电池的电流-时间变化图（5min）0.16A——0.116A单液原电池的温度-时间变化图（5min）31℃——33.1℃探究二探究二：双液原电池的效能评估双液原电池的温度-时间变化图（5min）28.1℃——29.9℃双液原电池的电流-时间变化图（5min）10μA（需用微电流传感器测）探究二问题1：原电池是一个什么装置？问题2：单双液电池的优点、缺点？单液原电池双液原电池优

点缺

点电流大放电效率低电流不稳定，药品用量多放电效率高，电流稳定电流小（小几个数量级）药品用量更多认知冲突目的：激发学生对所学内容的再思考与质疑。探究二问题3：盐桥的作用是什么？盐桥是如何制作的？为什么双液原电池的电流会变小？小组讨论测电压，二者差别不大R=ρL/S

单液电池电压的变化曲线

双液电池电压的变化曲线与物理学科融合探究三探究三：原电池高效化的创新改进（琼脂块双液原电池）与生物学科融合探究三探究三：原电池高效化的创新改进（琼脂块双液原电池）琼脂块盐桥原电池的电流-时间变化图（5min）0.42A琼脂块盐桥原电池的温度-时间变化图（5min）25.9℃——25.8℃问题4：改进后的电池电流大、效率高，但用量大、不便携，能否设计出高效化与微型化的原电池？探究四问题5：纽扣式锌银电池体积小，但电流大的原因什么？介绍隔膜：引入隔膜，并对隔膜进行简单介绍。1、阳离子交换膜：只允许阳离子通过高中常见的三种离子交换膜：2、阴离子交换膜：只允许阴离子通过3、质子交换膜：只允许H+通过探究四探究四：原电池高效化与微型化的创新改进（膜电池）实验4-1：阳离子交换膜阳离子交换膜电池的电流-时间变化图（5min）0.071A——0.065A探究四探究四：原电池高效化与微型化的创新改进（膜电池）实验4-2：阴离子交换膜阴离子交换膜电池的电流-时间变化图（5min）0.076A——0.071A双离子交换膜电池的电流-时间变化图（5min）0.088A——0.082A探究四探究四：原电池高效化与微型化的创新改进（膜电池）实验4-3：双离子交换膜【解释】离子交换膜，可以看做是横截面积变大，长度变短的盐桥。CuZn+-ZnZnZnZnZnA阳离子交换膜e-e-ICuSO4ZnSO4Zn2+Zn2+Zn2+Zn2+Zn2+Zn2+图1阳离子交换膜原电池小组讨论：阳离子交换膜、阴离子交换膜、双离子交换膜中内电路

的微粒移动方向。CuZn+-ZnZnZnZnZnA阴离子交换膜e-e-ICuSO4ZnSO4图2阴离子交换膜原电池SO42-SO42-SO42-SO42-SO42-SO42-CuZn+-ZnZnZnZnZnA阳e-e-ICuSO4ZnSO4图3双离子交换膜原电池阴KClK+K+K+K+K+K+Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-Cl-探究四变化与平衡展示交流：质子交换膜在燃料电池中的应用。探究四质子交换膜实验结果实验结果电池I起始I5minT起始（℃）T5min（℃）药品用量小风扇运转情况单液原电池160mA116mA31·033·1约10mL快不稳定双液原电池10μA10μA28·129·9约20mL不转动琼脂块盐桥原电池420mA420mA25·925·8约20mL快，稳定阳膜电池71mA65mA————约1mL快，稳定阴膜电池76mA71mA————约1mL快，稳定双膜电池88mA82mA————约1mL快，稳定实验结论①单液原电池电流大，但不稳定、能量转化率低；②双液原电池稳定，具有较高的能量转化率，但电流很微小；③改进后的琼脂块盐桥电池电流大、稳定、能量转化率高，但用量大，不便携；④膜电池电流大、稳定、能量转化率高、用量小等优点，因此，本实验的最优电池为膜电池。同时发现，相同牌子的不同膜之间的电池效能没大差别。生活中的膜电池膜电池负极材料正极材料隔膜电解液外壳北京:全球新兴科技峰会DonaldSadoway，全球储能电池领域泰斗级人物，麻省理工学院材料科学与工程系教授杰出的年轻人能够给我们很多灵感，激发我们去发明创造新的东西。只要有理性、毅力和坚持，就可以将微弱的可能变为不可阻挡的突破。拓科学精神与社会责任发现问题研究琼脂块双液原电池时发现，①当铜片锌片接触不同厚度琼脂块时，其电流强度会变化。②当铜片锌片与琼脂块接触面积不同时，其电流强度也会变化。发现问题研究琼脂块双液原电池时发现，①当铜片锌片接触不同厚度琼脂块时，其电流强度会变化。②当铜片锌片与琼脂块接触面积不同时，其电流强度也会变化。课后研学请同学们以上述两因素对琼脂块盐桥原电池的电池效能进行最优实验条件探究，找出琼脂块盐桥的最优厚度以及最佳接触面积。以小组为单位，完成一份实验报告。实验报告（仅供参考）一、实验原理二、实验设计三、实验方法四、实验材料五、实验过程六、实验结果与分析七、反思与提升4学科融合，培育创新意识学生发现问题，自主设计实验，反思评价，不断修订，层层推进。完成探究活动，将学科素养外显。3探究过程，外显核心素养1实验现象，直观可视采用温度传感器和电流传感器直观地让学生感受到电流大小、变化以及能量转化率，化抽象为直观。2实验数据，真实准确数据处理简单、准确、直观、便于分析；实验重现性好，可重复多次数据采集。本实验设计融合了物理学科的电阻角度以及生物实验材料灵感，制备出琼脂块双液原电池和膜电池，且其在电流强度、稳定性、能量转化率等方面性能表现优秀。知识问题化认识本质化学习积极化设计层层递进的问题，以问题引发学生思考“为什么要引入双液原电池”、“为什么要将离子交换膜引入电池中”、”如何逐步设计改进优化电池？“，激发学生对所学内容的再思考与质疑，提出新的实验设想，并进一步验证，从而发展学生的核心素养。如果实验创新没有挖掘实验背后的价值——帮助学生理解科学本质，那么这样的实验创新不应该提倡。本节课引导学生去探析微观过程中的离子移动，以及引导学生从物理电子导体电阻类推，逐步得出原因及改进措施。本节课以学生非常熟悉的单液原电池实验入手，引导学生思考更微观，更本质的思考问题，又避免解释物理化学的理论——双电层理论模型。真实的实验操作以及发现问题、解决问题的体验都会给学生带来信心，他们会觉得自己也完全有能力为电池的发展做出自己一份贡献，学习也更加积极。参考文献［1］马翠翠.手持技术数字化实验探究夹心式膜电池的创新改进［J］.化学教育（中英文），2020,41(7):64-70.［2］杜爱萍.双液原电池盐桥的实验改进［J］.化学教与学，2019,(11):80-82.［3］刘玲.基于滤纸的多电极原电池实验设计［J］.化学教学，2016,(9):49-50.［4］