《原电池的工作原理》教学设计高二上学期化学人教版选择性必修1

《原电池的工作原理》教学设计【教学理念】2019版《普通高中化学课程标准》的提出意在提升课程的思想性、科学性、时代性、系统性和指导性，化学课程要发挥学科的自身优势，将科学探究、实验创新作为课程改革的突破口，重视利用学生已有的知识和实验事实，通过讨论来启发学生思维，层层引导，学生自己得出有关结论。贯彻“教为主导，学为主体”的教学理念，帮助学生养成科学的思维习惯，增强创新意识和实践能力。【教材及学情分析】知识掌握学生已经系统知识掌握学生已经系统性地掌握了金属的性质、氧化还原反应及电解质溶液等有关知识；在能力上，学生已经初步具备了观察能力、实验能力、思维能力，喜欢通过实验探究化学反应的实质，由实验现象推测反应原理，并对其进行归纳总结。使用教材我们使用的教材是高中人教版新教材（2019版）。“原电池”知识内容涉及《必修二》和《选择性必修一》两个学习阶段。本节内容选自高二《选择性必修一》中第四章第一节内容，属于高阶部分知识，学生对象应为高二学生。从学科核心知识看，新课程更加注重发挥学科核心知识的认知发展功能，例如对原电池和电解池工作原理要求中，新课标描述为：“认识电解在实现物质转化和能量储存中的具体应用”。学科核心知识是学生学科能力的基础，知识只有变为自觉主动的认识角度和认识思路才能转化为学科能力和学科素养。从学生的认知脉络上来看，在《必修二》中锌片、铜片和稀硫酸溶液组成的简单原电池原理，学生非常熟悉。但对于原电池原理发展成化学电源的相关疑问始终存在。我设计的基于数字化实验系统来探究原电池的实用化改进实验，可以很有效地培养学生以定量的方式学习化学的思维模式，对今后逻辑思维的提升具有重要意义。本节内容约按两课时进行探究和展开，由于涉及到实验探究及数字化实验数据采集，所以本课时以第一课时教学进度进行设计。【教学目标及评价】1、教学目标：通过数字化探究实验探究单液原电池的缺点引发双液原电池的构成思考，分析并解释工作原理，建立原电池系统分析思路；运用化学方程式表示原电池的工作原理，渗透微粒观、变化观和守恒观；学会设计简单的双液原电池。2、评价目标：新课标强调“教、学、评”一体化，因此对应我的教学目标，我将评价目标设定为：通过绘制原电池工作原理示意图，诊断并发展及原电池系统分析思维；通过书写原电池正负极电极反应方程式，诊断并发展“宏微符”三重表征思维；通过自主设计一个双液原电池，诊断并发展模型认知的思维。提高学生创新思维。教为主导，学为主体教为主导，学为主体学实验设计法、观察对比法、合作交流法等综合性学习方式。抓住学情，设置多种形式的学生活动，在激发兴趣的基础上获得知识，发展素养。【教法学法】学实验设计法、观察对比法、合作交流法等综合性学习方式。抓住学情，设置多种形式的学生活动，在激发兴趣的基础上获得知识，发展素养。教教讲授法、实验演示法、问答法、引导法等综合性教学方式。目的是从学生已有的知识和社会生活真实情境出发，展开教学，形成合作探究、交流启发的课堂环境。【教学手段】教学媒体媒体内容使用方法使用效果多媒体情景导入导入、播放创设情境，激发思考分组实验化学反应操作、分析动手实践，感知宏观数字化实验软件界面分析、归纳呈现思路，形成示范板书知识框架书写、强调呈现思路，概念重申技能训练按要求设计原电池规范、合理动手训练，规范书写【教学准备】通过体验化学能转化为电能的实验过程（单液原电池），诊断学生对原电池工作原 理的掌握程度；利用数字化实验探究手段，通过对单池原电池的缺点探究与双液（带盐桥）原电池 的设计对比； 学会设计双液原电池并书写相关的电极方程式和电极材料电解质溶液的选择；基于原电池原理的深入理解后探究增大电流逐渐实用化的可行性方案。【教学思路】【目标及素养评价】01借助三重表征促成微观视角【教学过程】01借助三重表征促成微观视角情境活动知识素养1、导入，利用动画视频《干电池的工作原理》的引入，引导学生回忆必修二中所学的原电池工作原理，且通过对长期存放的干电池漏液现象图片引发思考，未使用的干电池也会导致电极材料的损耗，能否通过改进电池结构而避免长期未使用的电池会反应而造成损耗。动画视频展示干电池的工作原理，进而对所学过原电池的相关原理展开回忆。学生活动：回顾原电池的定义、原电池的构成要素、原电池的工作原理。通过学生回忆、师生互动等形式帮助学生回忆高一必修二中所学的原电池基本知识。教师总结：内外电路的导电粒子不同。口诀是：“电子不下水；离子不上岸”。为后续双液原电池的导出埋下伏笔。为了新知识教学过程的顺利进行,从学生已有知识入手，我把高一必修二中涉及到原电池的知识主要以师生问答形式将原先学过的知识得以回顾和掌握.让学生做到温故知新，为本节课新知识学习打下基础。具体回忆原电池的概念、形成条件其他与原电池内外电路相关的概念等。“一堂好课的教学就在于它的开头”，本节课以学生已知的生活经验作导入情境，提出问题引发思考，对旧知识的回顾而展开新问题的探索。“三重表征”学科思想的利用，学生分组实验的引入激发了学生的兴趣和积极性，又借学科思想增进对原电池原理反映微观本质的理解。同时帮助学生学习建立研究化学的思想模型。将抽象的概念理解过程转化为直观的离子间的运动。微观动画过程生动形象地帮助学生理解微观反应实质，充分考虑学生的接受水平，恰当的利用直观教具。002探究反应本质构建双液模型情境活动知识素养分组实验器材的使用准备。引导学生准备通过分组实验，回顾熟悉的单液原电池的连接，并预测实验现象。3、促成双液原电池的基本思路达成。【分组实验，归纳总结】学生活动：1、分组实验操作，做好数据记录及现象记录。特别是关注电流的衰减变化情况。连接好电流表和正负极的电夹后观察现象及读数。3、实验后的汇报和总结引发思考：可以将负极材料和电解质溶液分开存放，但带来但问题是内电路没有导通，选择合适的导通内电路材料：导线或浸有氯化钠溶液的棉条，因此引出朴素盐桥概念。教师活动：1、引导学生正确的观察现象及电流变化情况，引发思考和讨论。电流衰减；负极附着有红色固体物质。造成这些现象的原因是什么？抓好主要矛盾。2、引导学生在问题中沉浸思考，最终选出合适的材料导通内电路。通过动手实验、归纳关注数据变化，初步形成定量实验思维。应关注的细节情况、多种感官交互感知的过程中，总结归纳数据变化的结果及尝试讨论分析现象产生的原因。知道化学变化需要一定的条件，并遵循一定的规律，在增强信息归纳能力的同时体会变化的观念。003借助数字化实验探究盐桥原电池的优缺点情境活动知识素养探究实验任务一探究双液（盐桥）电池教师不断通过问题引导学生分析电池的改进过程，逐渐由单液电池建构出盐桥电池；【问题2】能否阻止Cu2+在锌片表面还原?【问题3】锌片应插入什么样的溶液中？【问题4】投影上的装置形成了原电池吗？该用什么样的物质连接装置的内电路呢？怎样能使电解质溶液连通构成原电池？【小结】我们需要一个能架在这两个烧杯上，并且为我们源源不断的提供离子的装置。那么大家思考一下这个装置我们怎么来进行设计。【引导】大家看一下老师手中拿的这个装置，这个装置就是装有饱和KCl和琼脂的一个装置，这个装置因为是起到联通两个电解质溶液的作用的，所以我们称之为盐桥。在这里面饱和KCl和琼脂我们制成了胶冻，制成胶冻的原因主要是为了防止溶液流出，下面我们就来试验一下，用这个盐桥能否联通两个溶液让他再次形成原电池。【任务二原电池装置的改进】用导线将置于ZnSO4溶液中的锌片和置于CuSO4溶液中的铜片与数字传感器连接起来，然后将盐桥放置在两烧杯中连接起来。【观察提示】1.电流表指针偏转情况，工作一段时间电流变化情况【分析讨论】通过这一现象大家可以看到，我们加了盐桥之后构成了闭合的回路，这实际上就是一个带盐桥的原电池。【交流·研讨】盐桥中离子移动方向和盐桥的作用？【过渡】下面我们来分析一下这个盐桥原电池的构成及工作原理。我们来看一张图片，在这里面大家可以看到，带盐桥的原电池实际上可以分为两部分，一部分是盐桥，另一部分是两个半电池。【分析】两个半电池可以分成锌半电池和铜半电池，锌半电池做负极发生的是氧化反应，铜半电池做的是正极发生的是还原反应。接下来我们再来看一下它的导电过程，大家可以看到，这里分两部分，一部分是电子从锌出发，经过导线之后到达铜电极，它构成的是溶液外的电路简称外电路，另外一个是溶液内的电路，大家可以看到盐桥不断地向两个烧杯当中补充阴阳离子，在这里他会向锌半电池里补充阴离子是吧，向铜半电池中补充阳离子，由此大家可以看到实际上溶液内通过离子导电，而溶液外通过电子导电，这样它又构成了闭合回路，这就是带盐桥的原电池的工作原理。大家一起讨论：ppt：将Zn从CuSO4中分离开来，放在其它电解质中，比如ZnSO4。可选择的导通材料为“导线”、“浸透氯化钠溶液的棉条”。学生：内电路是通过离子导电的，应该用电解质溶液连接两烧杯；所以应该选择“浸透氯化钠溶液的棉条”盐桥：通常是装有含琼胶的KCl饱和溶液。盐桥中的K＋、Cl－是可以自由移动，琼脂的固定作用可以防止KCl溶液直接流出来（类似果冻）观察现象盐桥未加入时无电流产生；有盐桥存在时电流数据产生并持续不衰减。3.铜片表面有铜析出；盐桥的作用：（1）联通两个溶液，形成闭合回路。（2）使两个溶液保持电中性，从而使电极反应持续进行。观察数字实验系统，强调学生关注数据变化趋势（电脑绘制曲线），初步认识数字实验系统的优点。强调培养学生对于“证据推理与模型认知”能力及“科学探究与创新意识”004借助数字化实验探究盐桥原电池的改进情境活动知识素养1、引导学生分析u形管盐桥双液电池的缺点，从而产生矛盾引发点。探究任务二：2、数字化实验探究改进后的双液原电池的电流数据【探索】大家刚才在观察的时候可能还发现这样一个现象，那就是我们引入了盐桥之后电流确实很稳定了，但是我们发现电流强度怎么样？电流比较小的原因是怎样造成的？【思考】双液原电池电流弱的原因？离子运动的距离长离子运动的通道窄离子容量小【改进思路】最主要的原因是盐桥的内阻太大了，应考虑缩短盐桥的长度，增大盐桥的横截面积；展示改进教具和阐述设计思路。主体思路就是增大盐桥的面积和缩短盐桥的离子移动距离（变薄和横截面变大），我们称之为“琼脂薄块盐桥实验器”。按电极特点连接好数字化实验圆盘，并通过大屏幕分享数据，组织学生关注电流数据并统计在黑板上，跟前面u型管盐桥原电池数据对比，出现明显的电流增大的情况，说明同学们的假设和探究是成功的。教师活动：1、引导学生碰到问题时能尝试主动思考和抓主要矛盾从而为解决问题找出正确的方向2、引导学生画出思路简图和仪器改进方案3、按改进后的实验器材和方案进行数字化实验探究及演示。通过自制教具的“琼脂薄块盐桥”的电流数据，学生得出结论，假设是成立并能更进一步展开思考，再薄些呢？在交流探讨的过程中增强学生大胆假设、合理创新的探究精神。数据充分说明，思考问题的方向是正确并且有效果的。005基于琼脂薄块思路对膜电池初探情境活动知识素养1、继续按照琼脂薄块的设计思路让盐桥更薄更大则可能更大增大电流。并且保留了双液原电池的优点，即使不工作也不会出现电极材料与电解质溶液反应的现象。探究实验三：离子交换膜电池模型2、总结、归纳【思路探索】能否用一张薄薄的隔膜代替盐桥呢？【翻转课堂】交给部分学生任务，提前按关键字“离子交换膜”进行百度搜索，上课时由学生进行汇报并展开说明，即：阴离子交换膜只允许阴离子通过，阳离子交换膜只允许阳离子通过。【PPT展示】离子交换膜的定义、分类特点等等。离子交换膜可以选择性的让某些离子通过，同时也可以把两份反应物隔开。【探究实验】离子交换膜夹在两个半电池仓内，展示自制教具——离子交换膜电池模型，同时用相似的方法进行实验操作，并引导学生关注电流数据变化，可以尝试保持在较高的电流并不衰减。与预测的思路一致。【PPT展示】比亚迪的刀片电池及原理示意图。新能源汽车的动力电池要求比较高，工作环境也存在着多种情况，不能因为漏液而造成交通事故等等，所以在重要领域的实际电池中采用的都是这种离子交换膜。【PPT】我们对原电池的发展思路经历了：单液、双液、琼脂薄块以及离子交换膜的四个阶段。通过层层发现问题解决问题的探究、创新思路不断改进原电池，科学探索永无止境，电池工程师还在探索。教师活动：1、引导学生进一步深入思考，方向没问题，就按照正确的方向继续深入探究和创新。2、合理使用各种手段包括但不限于信息搜索技能等方法，为学生主动获取新知拓宽渠道。3、按改进后的实验器材和方案进行数字化实验探究及演示。指导学生能进一步关注数据的提升。当我们把一个化学原理从理论变成应用的时候，它不是一帆风顺的，它需要经过一定的阶段，克服一些困难。1.通过对单液原电池和双液原电池的归纳总结，建构原电池模型，发展学生