黃謙

摘要：原電池原理的發(fā)現(xiàn)和利用是近代化學(xué)的一個(gè)重要事件。作者在高中化學(xué)課堂教學(xué)中以這一探索發(fā)現(xiàn)過程為線索，適當(dāng)引入化學(xué)史的教學(xué)，對新課程改革中提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)做出嘗試。

關(guān)鍵詞：原電池;探索;學(xué)科核心素養(yǎng);化學(xué)史教學(xué)

文章編號：1008-0546（2019）09-0031-03

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.09.009

高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是高中學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn)，反映了社會(huì)主義核心價(jià)值觀下化學(xué)學(xué)科育人的基本要求，全面展現(xiàn)了化學(xué)課程學(xué)習(xí)對學(xué)生未來發(fā)展的重要價(jià)值。化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”5個(gè)方面。我們的課堂教學(xué)，偏重于教材知識的傳授和基本技能的訓(xùn)練，學(xué)生更多地掌握了一些能夠應(yīng)付考試的知識，通過大量、反復(fù)的練習(xí)提高了自己的應(yīng)試能力。但是對化學(xué)這門學(xué)科的來龍去脈卻沒有一個(gè)較為全面的認(rèn)識。做為教師，我們有責(zé)任在課堂上向?qū)W生介紹一些化學(xué)發(fā)展的歷史。在教學(xué)中滲透化學(xué)史的探索故事、探索精神、探索思路，對于培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)大有裨益。

一、問題提出

當(dāng)前化學(xué)史教育在課堂教學(xué)中的應(yīng)用主要如下：①開闊學(xué)生視野，活躍課堂氣氛;②以化學(xué)家獻(xiàn)身科學(xué)、探索過程的曲折和艱辛進(jìn)行情感態(tài)度價(jià)值觀的教育。這些做法存在的問題是：教師講少了，學(xué)生接觸到的化學(xué)史內(nèi)容是零碎的，很難系統(tǒng)化。講簡單了，就難以體現(xiàn)化學(xué)發(fā)現(xiàn)的艱辛和邏輯思維的力量。比如，講到苯的結(jié)構(gòu)式發(fā)現(xiàn)歷史的時(shí)候，大多數(shù)老師都是說凱庫勒做了一個(gè)夢然后恍然大悟，得到了苯的分子結(jié)構(gòu)。然后強(qiáng)調(diào)“以事實(shí)為依據(jù)，以嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度進(jìn)行多方面的分析和探討，這一切都為他取得成功奠定了基礎(chǔ)”。但是這樣又過于籠統(tǒng)，學(xué)生很難有深刻的認(rèn)識。其三，化學(xué)史講得太過詳細(xì)，課時(shí)又不夠，同時(shí)也沖淡了每節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)重點(diǎn)。

二、問題思考

以化學(xué)史的發(fā)現(xiàn)為主線，在探索中組織課堂教學(xué)。讓學(xué)生在問題的層層推進(jìn)中不斷思考探索，體會(huì)前人的探索歷程。

本文以“原電池”的教學(xué)設(shè)計(jì)來做探討。提煉電化學(xué)發(fā)展歷程中與中學(xué)化學(xué)教學(xué)有關(guān)的重要事件和節(jié)點(diǎn)（表1），設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的教學(xué)思路和方法，以人類對于電化學(xué)認(rèn)識的歷程為主線，層層推進(jìn)，達(dá)成過程與方法、知識與能力、情感態(tài)度價(jià)值觀的統(tǒng)一。

三、課堂探究

1.原電池實(shí)驗(yàn)的引入

這是一個(gè)學(xué)生非常熟悉的實(shí)驗(yàn)。教師準(zhǔn)備好導(dǎo)線、靈敏電流計(jì)、番茄、銅片、鋅片。組裝成如圖1所示的番茄電池。

實(shí)驗(yàn)中最顯著的現(xiàn)象就是靈敏電流計(jì)指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。顯示本實(shí)驗(yàn)中有電流產(chǎn)生并且通過。課堂討論由此開始。

是不是番茄內(nèi)部帶有電呢？

事實(shí)上，1780年，意大利解剖學(xué)教授伽伐尼在一次解剖青蛙中，獲得了一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，他將剝?nèi)テさ那嗤芊旁趯?shí)驗(yàn)桌上的金屬板上，金屬板在起電機(jī)的旁邊。他的妻子在取一把解剖刀時(shí)偶然觸及了青蛙的腿神經(jīng)。這時(shí)起電機(jī)剛好打出一個(gè)火花，同時(shí)，青蛙的腿猛烈地抽搐了一下。

是不是蛙腿帶電呢？

他立即抓住這一現(xiàn)象重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，不但又觀察到了同樣的結(jié)果，而且還發(fā)現(xiàn)了用金屬接觸青蛙神經(jīng)才有電火花。之后他又以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，選擇各種不同的條件，在不同的天氣重復(fù)這類實(shí)驗(yàn)，青蛙的腿都能發(fā)生痙攣。以后他又用各種不同的物體做實(shí)驗(yàn)，但是當(dāng)用玻璃、橡膠、松香、石頭和干木頭等代替金屬導(dǎo)體時(shí)，就不發(fā)生上述現(xiàn)象。針對這些現(xiàn)象，伽伐尼猜想，在動(dòng)物體內(nèi)存在著某種電，如果使神經(jīng)和肌肉同兩種不同的金屬相接觸，再使這兩種金屬相連接，這種電就會(huì)被激發(fā)出來，所以這很可能是從神經(jīng)傳到肌肉的特殊的“電流質(zhì)”引起的“動(dòng)物電”。

2.原電池原理及構(gòu)成

【探究實(shí)驗(yàn)一】將Zn片、Cu片分別插入H2S04溶液中，有什么現(xiàn)象？為什么？

【探究實(shí)驗(yàn)二】用導(dǎo)線把實(shí)驗(yàn)一中的鋅片和銅片用導(dǎo)線連接起來有什么現(xiàn)象？為什么？ 學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)一中鋅與稀硫酸發(fā)生置換反應(yīng)，鋅片表面產(chǎn)生氣泡，同時(shí)試管發(fā)熱。學(xué)生已經(jīng)有了氧化還原反應(yīng)本質(zhì)的認(rèn)識，明確該反應(yīng)中有電子的得失。實(shí)驗(yàn)二中學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)銅片表面產(chǎn)生氣泡這一最明顯的現(xiàn)象。如果此時(shí)用靈敏電流計(jì)接在銅鋅之間的導(dǎo)線上，會(huì)發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)，顯示有電流通過。顯然，這樣的裝置與番茄或是蛙腿沒有任何關(guān)系，無論是“動(dòng)物電”還是“番茄電”都是不存在的。伽伐尼的解釋在歷史上曾經(jīng)引發(fā)了長達(dá)10年之久的學(xué)術(shù)爭論，并直接促成了伏打電池的發(fā)明。

意大利物理學(xué)家伏特在自己的實(shí)驗(yàn)室無數(shù)次地重復(fù)伽伐尼的實(shí)驗(yàn)。但是，他的注意力主要集中在那一對金屬片上而不是蛙腿上。實(shí)驗(yàn)證明，只要兩種金屬片中間隔有用鹽水、或者堿液浸泡過的紙張、布匹，并用導(dǎo)線將兩種金屬連接起來，不管有沒有蛙腿，都有電流產(chǎn)生。伏特在自己的發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上終于發(fā)明了具有實(shí)用價(jià)值的伏打電堆。為此當(dāng)時(shí)還受到了拿破侖的特別嘉獎(jiǎng)。

在實(shí)驗(yàn)二潛在的電子轉(zhuǎn)移過程中，建立了有序的電子轉(zhuǎn)移路徑從而改變了能量的轉(zhuǎn)換形式。原先實(shí)驗(yàn)一中化學(xué)能到熱能的轉(zhuǎn)換在實(shí)驗(yàn)二中絕大多數(shù)變成了化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)換。從而說明有電子轉(zhuǎn)移的氧化還原反應(yīng)確實(shí)構(gòu)成了一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，這就是原電池。

歸納總結(jié)原電池的構(gòu)成條件：活潑性不同的兩個(gè)電極、有電解質(zhì)溶液、構(gòu)成閉合回路、有自發(fā)的氧化還原反應(yīng)。

3.電池的發(fā)展

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)二中實(shí)際上是會(huì)有困惑的。根據(jù)原電池原理，做為正極的銅片表面產(chǎn)生氣泡，做為負(fù)極的鋅片應(yīng)該僅有逐漸溶解這一很不明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但是實(shí)際情況是不僅銅片表面有大量氣泡，鋅片表面也有大量氣泡。事實(shí)上，由于鋅片表面產(chǎn)生氣泡，使得早期的伏打電堆的效率很低。

對實(shí)驗(yàn)二進(jìn)行微觀分析。在原電池反應(yīng)發(fā)生過程中，鋅片表面的H+并不會(huì)立刻消失，而是圍繞在鋅片周圍，這就導(dǎo)致了鋅與H+的置換反應(yīng)必然要發(fā)生。也正是由于該置換反應(yīng)在鋅片表面直接發(fā)生，導(dǎo)致了原先往銅片有序轉(zhuǎn)移的電流效率的降低。

如何才能讓原電池反應(yīng)依舊發(fā)生，同時(shí)采取措施趕開鋅片表面的H+，提高電池的電流效率？學(xué)生對此繼續(xù)展開探討。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生將銅鋅稀硫酸原電池的各部分逐一拆開，再重新組裝研究。經(jīng)歷了下圖的四個(gè)研究步驟。

從①到②是為了趕開鋅片表面的H+。從②到③發(fā)現(xiàn)缺少了閉合回路這一條件，于是教師引導(dǎo)加了鹽橋。從③到④是升級版，自由電子從鋅片表面經(jīng)過導(dǎo)線到了銅片表面上，在③裝置中H+在銅片表面得到電子放出氫氣。放出氫氣會(huì)導(dǎo)致電池體積龐大且安全系數(shù)降低，故不易推廣。但是正極上必須發(fā)生還原反應(yīng)構(gòu)成原電池的另一個(gè)半反應(yīng)。照此思路，裝置④用Cu2+代替H+繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，得到很好的效果。

1836年英國科學(xué)家丹尼爾為了提高伏打電堆的電流效率研發(fā)了一種新的實(shí)用性電池。后人為紀(jì)念他的成就，將這種電池命名為丹尼爾電池。今天同學(xué)們所經(jīng)歷的探討、想象、實(shí)驗(yàn)在不經(jīng)意間重溫了丹尼爾當(dāng)年所走過的路。從丹尼爾電池研發(fā)問題的提出，到研發(fā)過程中解決問題的思路，同學(xué)們在教師的引領(lǐng)下，領(lǐng)略了化學(xué)史發(fā)展道路上的別樣風(fēng)景[2]。

人們研究化學(xué)的歷史過程在宏觀上反映了科學(xué)認(rèn)識發(fā)展的邏輯規(guī)律。循著人類前行的足跡，我們踽踽而行。每一次的交匯仿佛是與前人發(fā)生了思維的碰撞。我們以化學(xué)史的發(fā)現(xiàn)為主線，在探索中組織課堂教學(xué)，讓學(xué)生在問題的層層推進(jìn)中不斷思考探索，體會(huì)前人的探索歷程。他們走過的彎路、他們考慮問題的方式、他們的成功或者失敗帶給我們的啟發(fā)無不照亮了新時(shí)代的我們學(xué)習(xí)化學(xué)、探究化學(xué)的前行道路?！敖逃o予人們的無非是當(dāng)一切已學(xué)過的東西都忘記后所剩下來的東西”?；瘜W(xué)核心素養(yǎng)就是化學(xué)學(xué)科所賦予學(xué)生最有價(jià)值的寶貴財(cái)富。

參考文獻(xiàn)

[l] 白建娥，劉聰明.化學(xué)史點(diǎn)亮新課程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012：160-161

[2]江敏，發(fā)現(xiàn)人類思維的脈絡(luò)——“原電池”教學(xué)實(shí)踐與思考[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2014（12）：1，5-9