資源簡介

《原電池》教學(xué)設(shè)計
課標(biāo)解讀
本節(jié)課選取的是人民教育出版社高中化學(xué)選擇性必修一《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章第一節(jié)原電池的內(nèi)容。通過研讀課標(biāo)中選擇性必修課程主題1“化學(xué)反應(yīng)與能量”中對“原電池”內(nèi)容的學(xué)業(yè)要求，提取課標(biāo)中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分中不同素養(yǎng)水平的關(guān)鍵要素，可以得出新課標(biāo)針對 “原電池”的教學(xué)目標(biāo)提出了如下要求：
1.能識別化學(xué)反應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化形式，能解釋化學(xué)反應(yīng)中能量變化的本質(zhì)；
2.能分析、解釋原電池的工作原理，能設(shè)計簡單的原電池；
3.能分析能源利用對社會發(fā)展的影響。
教學(xué)目標(biāo)
1.通過在不斷解決問題過程中理解大概念“能量”和核心概念“電功”，從微觀角度認(rèn)識電功是電子、離子在電勢差的驅(qū)動下定向移動實現(xiàn)的，多視角理解原電池原理。
2.通過實驗證據(jù)發(fā)現(xiàn)真實問題，進(jìn)一步思考解決問題，完善原電池思維模型；培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的關(guān)鍵能力，提高學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。
3.通過實驗證據(jù)逐步關(guān)鍵多重原電池模型，為后續(xù)原電池設(shè)計、電源分析、隔膜原電池討論構(gòu)建思維模型，形成從化學(xué)理論到實踐應(yīng)用過程的科學(xué)態(tài)度。
4.通過化學(xué)史和生產(chǎn)生活中的電源的學(xué)習(xí)，能理解化學(xué)在改善人們生活、推動社會進(jìn)步中發(fā)揮的巨大作用，探尋理想電源對促進(jìn)社會發(fā)展，服務(wù)人類生活的重大貢獻(xiàn)價值，培養(yǎng)社會責(zé)任意識。
重難點：
通過在不斷解決問題過程中理解大概念“能量”和核心概念“電功”，從微觀角度認(rèn)識電功是電子、離子在電勢差的驅(qū)動下定向移動實現(xiàn)的，多視角理解原電池原理。
教材和學(xué)情分析
1.教材分析
本節(jié)是高中化學(xué)人教版選擇性必修一第四章第一節(jié)第一課時內(nèi)容，是學(xué)習(xí)電化學(xué)的基礎(chǔ)。教材已經(jīng)安排學(xué)生學(xué)習(xí)了離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、元素周期律、化學(xué)反應(yīng)與能量、化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡等理論知識。本節(jié)內(nèi)容基于單液原電池深入學(xué)習(xí)雙液原電池裝置及原理，教材先是提出了單液鋅銅原電池原理及其弊端，引導(dǎo)學(xué)生思考如何完全隔開氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)，引入雙液鋅銅原電池的構(gòu)造，結(jié)合實驗探究來研究雙液原電池的工作原理，通過兩個“思考與討論”，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生理解雙液原電池的微觀現(xiàn)象與符號表征，建立“宏觀-微觀-符號”三重表征，促進(jìn)學(xué)生理解原電池裝置與工作原理，并從中建構(gòu)原電池模型。通過構(gòu)建原電池模型，學(xué)生能深刻記憶與理解原電池原理，促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展。
本節(jié)教學(xué)設(shè)計旨在讓學(xué)生掌握電解質(zhì)、氧化還原反應(yīng)、電極電勢、電極方程式等學(xué)科基本概念的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生更加深層次的理解化學(xué)反應(yīng)中的 “電功”是帶電粒子的有序運動,這也是電化學(xué)反應(yīng)區(qū)分于普通化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)特征。帶電粒子是如何定向移動的 如何實現(xiàn)和優(yōu)化帶電粒子的定向移動 是電化學(xué)主題的特質(zhì)性思路和方法。電池的發(fā)展是逐步深入的，每前進(jìn)一步，都建立在實驗研究的基礎(chǔ)之上，“單液原電池”發(fā)展到“雙液原電池”，再到現(xiàn)在的“膜電池”，科學(xué)實驗是推動知識革新的重要手段。
2.學(xué)情分析
從知識儲備上看，通過高一必修二的原電池學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了氧化還原反應(yīng)知識，初步了解了原電池的相關(guān)知識，能辨識與分析簡單單液原電池的構(gòu)成要素和工作原理，為本節(jié)課奠定了理論基礎(chǔ)。但這些知識是分離的、片段式的碎片知識，知識不夠系統(tǒng)和完善，所以在較長的一段時間里學(xué)生對電化學(xué)知識應(yīng)用較少以至遺忘較多。
從能力水平來看，學(xué)生整體能力強(qiáng)，素養(yǎng)較高，能從氧化還原反應(yīng)來分析原電池工作原理，也具有一定的實驗操作能力、觀察分析和歸納總結(jié)能力。
從心理層面來看，學(xué)生有過合作探究的經(jīng)歷，對電池有探索的欲望。
但學(xué)生還未構(gòu)建過原電池模型，對原電池原理還未真正的掌握，知識遷移能力薄弱，對于陌生情境下電池的工作原理難以理解，而且實驗改進(jìn)、設(shè)計能力不足，部分學(xué)生對于雙液原電池分開進(jìn)行的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)難于理解，通過探究帶電粒子在電勢差的驅(qū)動下移動形成帶電粒子的定向移動視角下,實現(xiàn)及優(yōu)化電化學(xué)反應(yīng)的一般思路，學(xué)生在整個探究過程中的分析思路不夠嚴(yán)謹(jǐn)，思維沒有創(chuàng)新意識，原電池模型更加抽象復(fù)雜，對于學(xué)生來說難以理解。
設(shè)計思路
教學(xué)方法
小組合作學(xué)習(xí)法
教學(xué)重難點
教學(xué)重點：原電池的工作原理；電極反應(yīng)的分析與表征。
教學(xué)難點：鹽橋和離子交換膜的作用；原電池思維模型的構(gòu)建。
教學(xué)過程
1.教學(xué)內(nèi)容
教學(xué)內(nèi)容
教材版本 授課時長 知識定位
2019 人教版高中化學(xué)選擇性必修一《化學(xué)反應(yīng)原理》 40 分鐘 原電池第一課時
2.教學(xué)過程
環(huán)節(jié)一、創(chuàng)設(shè)情境，引入課題，探究單液原電池的優(yōu)缺點
【導(dǎo)入】隨著支持新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策不斷，新能源汽車更是隨處可見，而其中的佼佼者比亞迪引領(lǐng)綠色出行的關(guān)鍵就在于其對電池技術(shù)的不斷創(chuàng)新和突破，特別是刀片電池技術(shù)的推出，更近一步提升了他的國際影響力。
【播放視頻】比亞迪刀片電池
【教師】那今天就讓我們沿著電池改進(jìn)之路，一起來嘗試讓小車轉(zhuǎn)動起來。
回顧必修階段原電池的基本概念、本質(zhì)和構(gòu)成要素，畫出單液原電池的工作原理基本認(rèn)知模型。
【小組討論】嘗試?yán)脝我涸姵氐闹R設(shè)計簡單鋅-銅原電池來驅(qū)使小車運動并預(yù)測實驗現(xiàn)象。
【教師演示實驗】搭建單液原電池裝置驅(qū)使小車運動，并播放事先錄制好的小車停止運動的視頻，讓學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象
【學(xué)生】發(fā)現(xiàn)小車運動時間很短，不持續(xù)
【教師引導(dǎo)】讓學(xué)生先分析實際實驗現(xiàn)象與預(yù)測實驗現(xiàn)象的區(qū)別，思考分析“鋅片表面附著紅色固體，玩具車很快停止跑動”的原因？
【提示】播放事先錄制好的利用數(shù)字化手持技術(shù)探究單液原電池電流變化實驗
【學(xué)生】觀察到電流隨著時間的流逝逐漸衰減
【教師】鋅與硫酸銅溶液直接接觸反應(yīng),化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，能量利用率低, 電流逐漸衰減, 無法帶動電動車跑動。
讓學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化角度思考單液原電池衰減的原因？
【學(xué)生】探究其存在不足的原因：鋅與硫酸銅溶液直接接觸反應(yīng)，部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，體會能量的轉(zhuǎn)換有 “熱傳遞”和 “電功”2種形式,而在化學(xué)反應(yīng)中,最常見的功是 “電功”。
進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考如何延遲小車的運動時長？即如何設(shè)計才能避免電池的衰減？
【設(shè)計意圖】
通過比亞迪新能源汽車刀片電池引入課題，讓學(xué)生感受電化學(xué)對社會發(fā)展的重要作用，體會化學(xué)價值，培養(yǎng)社會責(zé)任。提出本節(jié)課任務(wù)：對小車電池性能進(jìn)行優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。
通過手持技術(shù)將定性的電流變化進(jìn)行定量化,有利于學(xué)生直觀感受單液原電池的工作特點。引導(dǎo)學(xué)生從宏觀和微觀2個維度上收集證據(jù),使得學(xué)生可以從能量轉(zhuǎn)化角度思考認(rèn)識到單液電池的缺點,為后續(xù)改進(jìn)電池埋下伏筆。
環(huán)節(jié)二、構(gòu)建雙液原電池的概念，探究雙液原電池的優(yōu)缺點
【教師引導(dǎo)】基于上述分析，如何設(shè)計才能避免電池的衰減？
【學(xué)生】避免硫酸銅和鋅片直接接觸反應(yīng)
【教師引導(dǎo)】若要避免直接接觸，就需要在鋅電極處增加一個電解質(zhì)溶液，如何既要將兩個不同電解質(zhì)溶液連接起來以構(gòu)成閉合回路，又要使硫酸銅不接觸鋅電極呢
【講解】介紹鹽橋的作用，鹽橋：通常是裝有含瓊膠的KCl飽和溶液。鹽橋中的K＋、Cl－是可以自由移動，瓊膠的固定作用可以防止KCl溶液直接流出來。
【教師演示實驗】搭建雙液原電池裝置，并用萬用數(shù)字表測定其電流，說明鹽橋在其中起到了導(dǎo)電作用，形成了閉合回路。
【小組討論】思考討論并畫出鹽橋中陰離子和陽離子的遷移方向？
請學(xué)生上臺展示
【教師】介紹雙液原電池工作原理，構(gòu)建雙液原電池模型
分析鹽橋的作用：
使整個裝置構(gòu)成通路，代替兩溶液直接接觸。(離子通路）
2、平衡電荷。（離子庫，可以源源不斷的供給需要的離子）
【教師引導(dǎo)】引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考為什么鋅片和CuSO4溶液沒有直接接觸，能形成電流？從物理學(xué)角度分析其帶電粒子定向移動的內(nèi)在驅(qū)動力是什么？
【學(xué)生】外電路：電勢差
內(nèi)電路：離子濃度差（電中性原理）
播放事先錄制好的利用數(shù)字化手持技術(shù)探究雙液原電池電流變化實驗，發(fā)現(xiàn)雙液原電池的電流雖然穩(wěn)定但電流小，讓學(xué)生思考這么小的電流能否讓小車轉(zhuǎn)動。
【教師演示實驗】利用雙液原電池裝置驅(qū)使小車運動
【學(xué)生】小車無法轉(zhuǎn)動。
【教師引導(dǎo)】分析雙液原電池的優(yōu)缺點：
優(yōu)點：電流穩(wěn)定，能量利用率高
缺點：電流小，無法讓電動車跑動
用物理學(xué)的電學(xué)知識解釋分析電流減小的原因，如何改進(jìn)？
【學(xué)生】與單液原電池相比
相同:電極材料相同，電勢差相同
不同：引入鹽橋，離子運動的距離變長，離子可通過橫截面積變窄，離子定向移動速度減慢
改進(jìn)措施：縮短鹽橋的長度，增大鹽橋的橫截面積
【設(shè)計意圖】通過解決單液原電池的電流不穩(wěn)定的缺點,從而建構(gòu)雙液原電池的模型;在探究雙液原電池的能效過程中發(fā)現(xiàn)盡管獲得穩(wěn)定電流,發(fā)現(xiàn)電流卻非常微小的事實,進(jìn)一步形成認(rèn)知沖突,并在解決認(rèn)知沖突中,應(yīng)用物理學(xué)電阻定律,進(jìn)行推理并提出猜想。
環(huán)節(jié)三、雙液原電池的改進(jìn)
【教師引導(dǎo)】設(shè)計瓊脂塊雙液原電池
【學(xué)生分組實驗】任務(wù)：根據(jù)提供的儀器和藥品組裝原電池，觀察能否使玩具車跑動？
儀器：銅片1條、鋅片1條、導(dǎo)線、鱷魚夾、玩具車、含飽和氯化鉀的瓊脂塊
藥品：CuSO4溶液、ZnSO4溶液
（每組由一位同學(xué)記錄實驗操作過程以及實驗現(xiàn)象）
請學(xué)生上臺展示實驗成果：小車能夠轉(zhuǎn)動
說明瓊脂塊雙液原電池電流變大，且電流穩(wěn)定
【教師】改進(jìn)離子交換膜型原電池及原理
高中常見的三種離子交換膜：
1.陽離子交換膜：只允許陽離子通過
2.陰離子交換膜：只允許陰離子通過
3.質(zhì)子交換膜：只允許H＋通過
播放事先錄制好的利用數(shù)字化手持技術(shù)探究雙液原電池電流變化實驗，發(fā)現(xiàn)相比瓊脂塊雙液原電池的電流增大十倍且穩(wěn)定性高。
【教師總結(jié)】從單液到鹽橋型雙液原電池，再到瓊脂塊型雙液原電池，最后改進(jìn)成離子交換膜型原電池，通過不斷創(chuàng)新和改進(jìn)。得到了能夠使小車持續(xù)運轉(zhuǎn)的簡單高效電池，正如比亞迪從未停止對電池技術(shù)的創(chuàng)新，最近他們又有了新的突破，我們一起來看相關(guān)消息。
播放視頻:比亞迪全新技術(shù)電池
習(xí)近平主席提出，我們要大力推進(jìn)科技創(chuàng)新，作為學(xué)生的我們，更應(yīng)該不斷提升創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。
【興趣實驗】根據(jù)提供的儀器和藥品，組裝出一個微型雙液原電池帶動玩具車跑起來
儀器：銅片1條、鋅片1條、導(dǎo)線、鱷魚夾、玩具車、含飽和氯化鉀的瓊脂塊、棉巾紙
藥品：CuSO4溶液、ZnSO4溶液
【教師引導(dǎo)】引導(dǎo)學(xué)生分析得出實驗裝置圖
【學(xué)生小組實驗】組裝微型雙液原電池驅(qū)使小車運動
請學(xué)生上臺展示實驗成果：小車能夠轉(zhuǎn)動
【教師總結(jié)】歸納總結(jié)本次授課的全部內(nèi)容，再一次明確解釋分析、設(shè)計與制作電池的基本路徑方法。
【設(shè)計意圖】讓學(xué)生基于“電功”視角分析電化學(xué)的一般思路和方法構(gòu)建原電池工作原理模型，再將模型應(yīng)用到典例中解決實際問題，通過探究帶電粒子在電勢差的驅(qū)動下移動形成帶電粒子的定向移動視角下，改進(jìn)實驗使得雙液原電池的更大的輸出電流。通過層層遞進(jìn)的實驗讓學(xué)生了解電池的工作原理,進(jìn)一步認(rèn)知實用的化學(xué)電源和原電池原理之間的關(guān)系,充分體會科學(xué)原理對于生產(chǎn)生活的重要意義
3.板書設(shè)計
4.作業(yè)設(shè)計
【小試牛刀】
由于存在離子濃度差而產(chǎn)生電動勢的電池稱為離子濃差電池，當(dāng)兩極室離子濃度相等時放電完成。某離子濃差電池的工作原理如圖所示，下列說法中正確的是(　　)
A. 銅電極Ⅰ上發(fā)生氧化反應(yīng)
B. Cu2+從左極室透過隔膜移向右極室
C. 電池工作一段時間后，右極室CuSO4濃 度增大
D. 該電池工作時，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能
【社會性科學(xué)議題】
查閱資料，了解新能源汽車與燃油車之爭的問題，它關(guān)乎我們個人的出行方式和生活質(zhì)量，更涉及到全球能源供需、環(huán)境保護(hù)、技術(shù)創(chuàng)新、政策制定等多種博弈，深入探討和思考，請從成本、體驗感、技術(shù)、環(huán)保等方面思考新能源汽車是否會取代燃油車？

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