资源简介

原电池教学设计
学科 化学 授课年级 高二十一班
课题 原电池实验的优化路径探究——原电池的工作原理
1.教学内容分析
本节课是高中化学人教版选择性必修一第四章第一节第一课时的内容是学习电化学的基础。教材已经安排学生学习了离子反应、氧化还原反应、元素周期律、化学反应与能量、化学反应速率与化学平衡等理论知识。 本节内容基于单液原电池深入学习双液原电池装置及原理,教材先是提出了单液锌铜原电池原理及其弊端，引导学生思考如何完全隔开氧化反应与还原反应，引入双液锌铜原电池的构造，结合实验探究来研究双液原电池的工作原理，通过两个“思考与讨论”，进一步引导学生理解双液原电池的微观现象与符号表征，建立“宏观一微观一符号”三重表征，促进学生理解原电池装置与工作原理，并从中建构原电池模型。通过构建原电池模型,学生能深刻记忆与理解原电池原理，促进认知发展。 本节教学设谋计旨在让学生掌握电解质、氧化还原反应、电极电势、电极方程式等学科基本概念的基础上，引导学生理解电池的发展史，电池的发展史是逐步深入的，每前进一步，都建立在实验研究的基础之上,“单液原电池”发展到“双液原电池”，再到现在的“膜电池”科学实验是推动知识革新的重要手段。 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。
2.学习者分析
已具备的素养：必修阶段的学习中学生已经具备了“化学能与电能相互转化”的学科观念，知道利用氧化还原反应可以实现化学能与电能的转化。初步掌握了原电池的概念、构成条件、工作原理。在学科能力方面，经过之前的课堂实验活动，学生已经具备一定的观察能力、实验探究能力、理解与辨析能力。 待发展的素养：基于“模型认知”判断电池结构、基于“证据推理”分析电池工作原理的能力有待进一步提升。 学习障碍点：没有认识到氧化反应、还原反应要分区域进行；难以将原电池装置抽象成一般的思维模型，并运用图示的方式表示；知识间的概括关联能力不足，没有系统地形成分析原电池装置的方法和思路。 拟解决措施：设计四个探究实验，围绕小风扇是否能转动，怎么样能更好的转动起来，创设真实的任务情境，引导学生预测-观察-解释，发现分析原电池装置的不足，利用数字化实验数据进行分析实验结果，能根据原理对其进行创新改进，批判性理解、体验式学习知识，促进迁移化学习。 双液原电池思维模型的构建。
3.学习目标确定
（1）学生能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。 （2）学生能利用数字化实验数据分析，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。 （3）学生能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。
4.学习评价设计
（1）通过对构成原电池装置的必要条件进行分析，构建四要素模型，并运用该模型解释双液原电池的构成要素及各要素的作用，诊断并评价学生证据推理与模型认知的化学核心素养发展水平。 （2）通过实验探究，对电极反应及微观粒子行为分析，诊断并评价学生的实验探究水平及宏观辨识与微观探析化学学科核心素养发展水平。 （3）通过通过宏观实验现象分析单液原电池存在的不足并对装置进行改进，诊断并评价学生在自主探究与交流互动中了解科学探究的步骤和方法。
5.学习活动设计
任务一： 温故知新-再探单液原电池 教师活动1 【引入】趣味实验——“盐水风扇” 【实验活动一】将锌片和铜片分别用夹子夹好与小风扇串联，再同时放入盛有CuSO4溶液的烧杯中。 提问1：按装置实验预测会有什么现象？过程中有什么能量发生转换？ 提问2：哪里来的电呢？ 提问3：仔细观察溶液中金属片表面的现象。 任务1 单液原电池的工作原理 【多媒体】原电池工作原理装置图 提问1：用化学符号表示出电极上的反应。 提问2：原电池的形成条件是什么？ 【讲授】我们可以采用“电极反应”“电极材料”“离子导体”“电子导体”这四个要素来解释原电池装置，并以这个四个要素来构建原电池的分析模型。 学生思考： 分析微型原电池带动小风扇工作原理，预测实验现象。连接好实验装置，往烧杯中加入CuSO4溶液，观察并分析填学案。 学生实验，思考、回答问题：锌片失去电子，变成锌离子，部分电子通过导向转移到铜片上，溶液中的铜离子在铜片表面得到电子，产生了铜。电子在导线里的定向移动形成了电流，风扇就可以转动了。 学生实验，思考、回答问题：从电极反应，电子电流的移动方向，阴阳离子的移动方向建立原电池的分析模型 学生画出装置示意图并书写电极反应式： 锌片：Zn - 2e- = Zn2+ 铜片：Cu2++ 2e- = Cu 实验前，学生预测能力、已有概念，通过学案填写提问、书面预测。 实验中，巡视课堂观察学生操作规范性、现象的呈现，引导学生从宏观现象逐步深入微观本质及时给予评价。 实验后，通过学生问答、画图、书写、互评，小组填写学案记录表，从原理分析、模型建构、符号表达这几方面评价学生学习情况，构建“现象→猜想→验证”的逻辑链条。。
任务二：改良电池- 探究双液原电池 教师活动2 任务2： 双液原电池的工作原理 提问1：“盐水风扇”实际实验现象与预测现象有何不同？ 提问2：为什么锌片表面附着红色固体？ 提问3：从能量转化角度思考，电流衰减的原因？ 提问4：这种原电池存在什么样的缺陷？ 【讲授】利用数字化实验数据探究铜锌原电池工作效率。 提问5：怎样改进原电池装置，获得稳定的电流？ 【讲授】“桥梁”应具备的特征：1.可以导电 2.可以相对隔离两边半电池的电解质溶液。 【实验活动二】根据书本96页图4-1进行探究实验，记录实验现象。 【多媒体】双液原电池的工作原理 提问6：盐桥的作用？ 【实验活动三】用设计好的双液原电池串联小风扇，能否使其转动起来呢？ 数字化实验数据探究双液铜锌原电池工作效率： 提问7：双液原电池电流弱的原因是什么？ 【实验活动四】结合所学的物理知识，双液原电池怎样能使小风扇转动起来呢？设计方案并实验验证。 提问8：改进后的电池电流大、效率高，但用量大、不便携，琼脂块能否再薄呢？如果找到一种膜能否 学生实验，思考、回答问题： ①锌与CuSO4溶液直接接触，发生置换反应，导致部分化学能转为热能，造成能量损耗。 ②工作时，锌片上也有铜析出，原电池的电动势很快降低，电压不稳定。 学生活动： 【方案设计】 小组讨论： ①还原剂Zn与氧化剂CuSO4不直接接触 ②加一个合适的“桥梁”沟通两种电解质溶液 设计“桥梁”：铜丝、蘸有饱和KCl溶液的湿纸条、含有饱和KCl溶液的琼脂盐桥（联系生物学知识）。 【学生实验】 按照设计的装置图连接实验仪器，观察实验现象并填学案。 【小组讨论】盐桥的作用： ①沟通内电路，形成闭合回路 ②平衡两侧的电荷，使溶液保持电中性； ③避免电极与电解质溶液的直接接触反应，减少电流的衰减，提高原电池的工作效率。 【学生实验】 设计好的双液原电池串联小风扇，不能转动起来。 学生思考回答：引入盐桥后内阻变大（联系物理学知识）。 【小组讨论】 设计方案：琼脂块原电池 【学生实验】验证 琼脂块原电池使小风扇转起来了。 通过4个问题个人或小组书面回答，写出实际与预测的不同，列出缺陷，引发学生认知冲突，教师巡视抽取样本点评。 通过发现理论现象与实际现象的不同，。使学生认识到单液原电池存在缺陷，以培养学生细致观察、发现问题的能力。 怎样改进获得稳定电流？引导学生提出“隔离两极溶液”的猜想，小组出设计方案，写出“桥梁”的几种尝试及理由，全班展示。用“可行性+原理正确性”互评。让学生通过“试错实验”自主归纳原电池构成四要素，引导学生对单液原电池进行装置改进，实现认知模型由单液向双液的进阶。 问题解决导向的装置设计：从“单液原电池电流衰减”现象出发，自主绘制双液原电池装置图 利用动画演示从微观角度展示盐桥作原理，突破学生认知难点，学案填空或口头回答盐桥的三点作用。随机抽取学生复述，同伴补充。 观察并记录“风扇不能转动”。引导学生分析原因，提交简短分析报告。 小组讨论后，用物理“内阻”概念解释。教师追问“如何是内阻变小呢？” 小组设计方案（如琼脂块原电池）→ 实验验证 → 记录成功/失败。提交实验报告，包含改进前后对比。
任务三： 优化电池- 双液膜电池 教师活动3 【知识拓展】 离子交换膜： 一种含有离子基团的，对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。 特点：低膜电阻；离子选择透过性 任务3双液膜电池 【讲授】膜电池优点： 避免氧化剂与还原剂直接接触2.寿命长 电阻小 电流强 【课堂小结】设计原电池的思路。 【讲授】原电池的发展史，我们今天就是沿着科学家探索的脚步进行探索学习，激励学生努力学习。 【多媒体展示】我国吉利汽车电池——金盾电池的研发视频。 学生活动： 学生倾听思考 【完善认知】 感知双液原电池中膜的作用，通过找出构成原电池的四要素，深化原电池分析模型。【学生回答】 设计原电池的思路： 分析氧化反应和还原反应 与电极反应相对应 选择电极材料 选择正极区、负极区的电解液。 学生活动： 学生倾听思考 通过师生讨论优化为“盐桥/离子交换膜”结构，培养“发现问题→设计方案→修正改进”的工程思维。 关注社会生活中的能源利用问题，课后以“未来微型电池的改进方向”写一段短文，进行全班分享或张贴展示。
6.板书设计
单液原电池的工作原理 双液原电池的工作原理 三、双液膜电池
7.作业与拓展学习设计
（1）根据今天所学内容，将2Fe 3++ Cu =2 Fe2+ + Cu2+ 设计成原电池，书写原电池四要素模型二维图，并画出双液原电池装置图。学有余力的同学改用阳离子交换膜代替盐桥，画出膜原电池示意图，并说明离子移动有何不同。 （2）完成本节课的导学案。学有余力的同学分析“若盐桥中琼脂浓度过高或过低对电流有何影响”，写出推理过程。 （3）拓展学习设计：课后查阅原电池的发展及其应用的相关资料,以“未来微型电池的改进方向”写一段短文。
8.作业反馈
作业1是实践类作业，面向普通学生作业完成的时间大约10分钟，目的是迁移课堂所学Zn-Cu双液原电池模型，复习巩固电极反应式书写、电子流向、盐桥中离子移动、双液装置图标注。统计错误项：① 正极材料误用Fe（活泼）；② 电子流向箭头画反；③ 盐桥离子移动方向写错；④ 未标出盐桥，个别同学是模型迁移困难，作业1利用课始5分钟进行同伴互评（使用互评表），教师巡回查看并集中讲评2-3个典型错误。 作业2是检测性作业，导学案已在课堂部分填写，课后需整理完善，面向普通学生作业完成的时间大约15分钟。根据导学案批改结果，确定哪些学生需要补充讲解，填写持续性学习反思卡。 作业3是拓展性作业，作业完成的时间大约25分钟，学生的短文至少联系一个课堂所学概念（如内阻、盐桥、离子交换膜）来解释未来改进方向，实现从理论到应用的跃迁，提升创新与视野。
10.特色学习资源分析、技术手段应用说明
特色学习资源：小风扇是否转动的实验装置。 技术手段：温度传感器、电流传感器等数字化实验数据 1、本节课用到小风扇是否能转动的原电池实验装置改进串联整节课。首先是“小风扇电池电流衰减”这一小实验激起学生的兴趣，开头就充分调动了学生的好奇心与积极性，并为接下来的单液原电池的缺点讲授做了很自然的导入。 2、为突破、加深盐桥的作用及评价学生探究出的双液原电池原理，再次利用“双液电池”连接电流计，分别又进行3个学生实验，第一个实验是设计离子导体的“桥梁”：铜丝、蘸有饱和KCl溶液的湿纸条、含有饱和KCl溶液的琼脂盐桥，第二个实验是琼脂盐桥的双液原电池能否使小风扇转动起来，利用数字化实验数据形成可视化的电流数据，对双液原电池原理进行评价。第三个实验是改良双液原电池——琼脂块电池，小风扇转动起来了。锻炼学会运用观察、实验等多种手段获取信息，加强学生运用比较法、实验法等方法对信息进行加工处理的能力。最后形成思维进阶引出膜电池。
11.教学反思与改进
（1）在“原电池的工作原理”教学设计中，一方面，教精心设计教学环节,围绕小风扇转到不转再到转起来，引导学生回顾已学知识点，提高了学生的证据推理能力，使学生形成完整的知识体系；另一方面，通过“模型唤醒—模型应用—模型深化” 路径，引导学生从四要素模型构建原电池分析模型，层层递进，使学生理解双液原电池的工作原理，完善的原电池模型，发展了“证据推理和模型认知”核心素养。 （2）教学策略上是技术融合与可视化教学：多媒体展示微观粒子运动动画（如电子导线移动、离子盐桥迁移），有效突破了“微观过程抽象化”的难点；利用数字化实验数据形成可视化的电流数据，学生能直观观察到“双液电池电流更稳定但强度较小”的现象，为理解盐桥/离子交换膜的作用提供了数据支撑。 （3）导学案的设置、实验探究情境化的设置、交流讨论任务化的设置，让学生有根据、有序参与到课堂教学，增强学生学习过程中的体验性、实践性和整体性。 （4）需要改进的地方：本节课通过“实验探究+技术赋能+模型建构”的教学模式，有效激发了学生的学习兴趣，但在理论深度和差异化指导上仍需提升。未来教学中需进一步平衡“动手操作”与“思维进阶”，通过更精准的学情分析和工具创新，帮助学生实现从“现象观察”到“本质理解”的跨越。
导学案
§4.1.1 原电池实验的优化路径探究——原电池的工作原理
【学习目标】
能通过观察实验现象，对比单液、双液原电池的优缺点；
能通过学生合作讨论，分析单液、双液原电池缺点的原因；
能通过实验探究，掌握双液原电池的结构与特点（盐桥的作用）；
【学习重难点】
学习重点：双液原电池原理；
学习难点：单液、双液原电池优、缺点对比，盐桥的作用；
【前置作业】
1．回顾复习原电池的工作原理
(1)由右图装置回顾原电池工作原理
①电极上
锌片_____电子，是____极，电极反应式：________________________________。
铜片上H＋______电子，铜片是____极，电极反应式：__________________________。
②外电路中：电子由______片流向______片。溶液中：移向______片，H＋移向______片。
总反应方程式：________________________________。
2.回顾复习原电池的构成条件
(1)定义：把________能转化为______能的装置。
(2)构成条件
学习任务一、温故知新-再探单液原电池
【实验活动一】
将锌片和铜片分别用夹子夹好与小风扇串联，再同时放入盛有CuSO4溶液的烧杯中。
实验器材及药品：Zn片、Cu片、CuSO4溶液、导线、小风扇（黑线夹接正极，红线夹接负极）
分析微型原电池带动小风扇工作原理，预测实验现象。连接好实验装置，往烧杯中加入CuSO4溶液，观察并分析填下表：
预测实验现象 实际实验现象
负极
正极
小风扇
2.根据以上实验用品画出原电池示意图，并指出该原电池的的正、负极，写出电极反应式，标出电子和离子的移动方向。
【思考与讨论】分析产生上所述现象的原因，如何改进？
学习任务二、改良电池-探究双液原电池的工作原理
【实验改进】设计双液原电池，绘制方案设计图。
【实验活动二】根据书本96页图4-1进行探究实验，记录实验现象。
实验用品：CuSO4溶液、导线、电流计、铜片、锌片、ZnSO4溶液、镊子、铜丝、蘸有饱和KCl的湿巾纸条、盐桥
实验 装置 注：盐桥中装有含KCl饱和溶液的琼胶
实验现象 锌片 ，铜片上 ，电流表指针发生 。
微观 探析 (1)负极区：__________失去电子形成________进入溶液。 (2)正极区：__________得到电子生成________沉积在铜片上。 (3)导线上：电子由____________流向________。 (4)盐桥中：________移向CuSO4溶液，________移向ZnSO4溶液
宏观 解释 负极： ( 反应) 正极： ( 反应) 总反应：Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu
盐桥作用 ①_____________________________②__________________________________________ ③__________________________________________
【课堂检测】
1.依据氧化还原反应：Cu＋2Ag+＝Cu2+＋2Ag 设计的原电池如图所示。请回答下列问题：
(1)电极X的材料是____，电解质溶液Y是_____________。
(2)银电极的电极反应式是_________________；
X电极的电极反应式是________________。
(3)该原电池的正极是____，还可以选用____________等材料。
【实验活动三】用设计好的双液原电池串联小风扇，能否使其转动起来呢？
借助数字化实验数据探究双液铜锌原电池工作效率：
【思考讨论】对比单液、双液原电池的特点
单液原电池 双液原电池
电流大小
电流稳定性
转化效率
【实验活动四】结合所学的物理知识，双液原电池怎样能使小风扇转动起来呢？设计方案并实验验证。
【问题】如果用一层薄薄的膜代替盐桥呢？
学习任务三、优化电池-双液膜电池
【知识拓展】
离子交换膜：一种含有离子基团的，对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。
特点：低膜电阻；离子选择透过性。
【学生讨论】膜电池有哪些优点？
【课堂小结】
【巩固练习】
2.下列装置中，电流表指针不能发生偏转的是( )
A.B.C. D.
锌铜原电池装置如图所示，其中阴离子交换膜只允许阴
离子和水分子通过， 下列有关叙述正确的是（ ）
A. 电子从锌极经过导线移向铜极
B. 铜电极上发生反应Cu 2e ＝Cu2+
C. 电池工作一段时间后，乙池的c(SO42 )减小
D. 电池工作一段时间后，甲池的c(Zn +)增加
4.根据反应设计如图所示的原电池，
下列选项中的组合正确的是( )
选项 电极M 电极N X Y
A 锌片 铜片 溶液 溶液
B 铜片 石墨 溶液 溶液
C 石墨 铜片 溶液 溶液
D 石墨 铜片 溶液 溶液

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