4.1原电池 教学设计 高中化学 人教版（2019） 选择性必修1

《原电池》教学设计
课标解读
本节课选取的是人民教育出版社高中化学选择性必修一《化学反应原理》第四章第一节原电池的内容。通过研读课标中选择性必修课程主题1“化学反应与能量”中对“原电池”内容的学业要求，提取课标中化学学科核心素养的水平划分中不同素养水平的关键要素，可以得出新课标针对 “原电池”的教学目标提出了如下要求：
1.能识别化学反应中的能量转化形式，能解释化学反应中能量变化的本质；
2.能分析、解释原电池的工作原理，能设计简单的原电池；
3.能分析能源利用对社会发展的影响。
教学目标
1.通过在不断解决问题过程中理解大概念“能量”和核心概念“电功”，从微观角度认识电功是电子、离子在电势差的驱动下定向移动实现的，多视角理解原电池原理。
2.通过实验证据发现真实问题，进一步思考解决问题，完善原电池思维模型；培养学生发现问题、解决问题的关键能力，提高学生证据推理与模型认知、科学探究与创新意识的核心素养。
3.通过实验证据逐步关键多重原电池模型，为后续原电池设计、电源分析、隔膜原电池讨论构建思维模型，形成从化学理论到实践应用过程的科学态度。
4.通过化学史和生产生活中的电源的学习，能理解化学在改善人们生活、推动社会进步中发挥的巨大作用，探寻理想电源对促进社会发展，服务人类生活的重大贡献价值，培养社会责任意识。
重难点：
通过在不断解决问题过程中理解大概念“能量”和核心概念“电功”，从微观角度认识电功是电子、离子在电势差的驱动下定向移动实现的，多视角理解原电池原理。
教材和学情分析
1.教材分析
本节是高中化学人教版选择性必修一第四章第一节第一课时内容，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-微观-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,引导学生更加深层次的理解化学反应中的 “电功”是带电粒子的有序运动,这也是电化学反应区分于普通化学反应的本质特征。带电粒子是如何定向移动的 如何实现和优化带电粒子的定向移动 是电化学主题的特质性思路和方法。电池的发展是逐步深入的，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。
2.学情分析
从知识储备上看，通过高一必修二的原电池学习，学生已经掌握了氧化还原反应知识，初步了解了原电池的相关知识，能辨识与分析简单单液原电池的构成要素和工作原理，为本节课奠定了理论基础。但这些知识是分离的、片段式的碎片知识，知识不够系统和完善，所以在较长的一段时间里学生对电化学知识应用较少以至遗忘较多。
从能力水平来看，学生整体能力强，素养较高，能从氧化还原反应来分析原电池工作原理，也具有一定的实验操作能力、观察分析和归纳总结能力。
从心理层面来看，学生有过合作探究的经历，对电池有探索的欲望。
但学生还未构建过原电池模型，对原电池原理还未真正的掌握，知识迁移能力薄弱，对于陌生情境下电池的工作原理难以理解，而且实验改进、设计能力不足，部分学生对于双液原电池分开进行的氧化反应和还原反应难于理解，通过探究带电粒子在电势差的驱动下移动形成带电粒子的定向移动视角下,实现及优化电化学反应的一般思路，学生在整个探究过程中的分析思路不够严谨，思维没有创新意识，原电池模型更加抽象复杂，对于学生来说难以理解。
设计思路
教学方法
小组合作学习法
教学重难点
教学重点：原电池的工作原理；电极反应的分析与表征。
教学难点：盐桥和离子交换膜的作用；原电池思维模型的构建。
教学过程
1.教学内容
教学内容
教材版本 授课时长 知识定位
2019 人教版高中化学选择性必修一《化学反应原理》 40 分钟 原电池第一课时
2.教学过程
环节一、创设情境，引入课题，探究单液原电池的优缺点
【导入】随着支持新能源汽车产业发展的政策不断，新能源汽车更是随处可见，而其中的佼佼者比亚迪引领绿色出行的关键就在于其对电池技术的不断创新和突破，特别是刀片电池技术的推出，更近一步提升了他的国际影响力。
【播放视频】比亚迪刀片电池
【教师】那今天就让我们沿着电池改进之路，一起来尝试让小车转动起来。
回顾必修阶段原电池的基本概念、本质和构成要素，画出单液原电池的工作原理基本认知模型。
【小组讨论】尝试利用单液原电池的知识设计简单锌-铜原电池来驱使小车运动并预测实验现象。
【教师演示实验】搭建单液原电池装置驱使小车运动，并播放事先录制好的小车停止运动的视频，让学生观察实验现象
【学生】发现小车运动时间很短，不持续
【教师引导】让学生先分析实际实验现象与预测实验现象的区别，思考分析“锌片表面附着红色固体，玩具车很快停止跑动”的原因？
【提示】播放事先录制好的利用数字化手持技术探究单液原电池电流变化实验
【学生】观察到电流随着时间的流逝逐渐衰减
【教师】锌与硫酸铜溶液直接接触反应,化学能转化为热能，能量利用率低, 电流逐渐衰减, 无法带动电动车跑动。
让学生从能量转化角度思考单液原电池衰减的原因？
【学生】探究其存在不足的原因：锌与硫酸铜溶液直接接触反应，部分化学能转化为热能，体会能量的转换有 “热传递”和 “电功”2种形式,而在化学反应中,最常见的功是 “电功”。
进一步引导学生思考如何延迟小车的运动时长？即如何设计才能避免电池的衰减？
【设计意图】
通过比亚迪新能源汽车刀片电池引入课题，让学生感受电化学对社会发展的重要作用，体会化学价值，培养社会责任。提出本节课任务：对小车电池性能进行优化，培养学生的创新精神。
通过手持技术将定性的电流变化进行定量化,有利于学生直观感受单液原电池的工作特点。引导学生从宏观和微观2个维度上收集证据,使得学生可以从能量转化角度思考认识到单液电池的缺点,为后续改进电池埋下伏笔。
环节二、构建双液原电池的概念，探究双液原电池的优缺点
【教师引导】基于上述分析，如何设计才能避免电池的衰减？
【学生】避免硫酸铜和锌片直接接触反应
【教师引导】若要避免直接接触，就需要在锌电极处增加一个电解质溶液，如何既要将两个不同电解质溶液连接起来以构成闭合回路，又要使硫酸铜不接触锌电极呢
【讲解】介绍盐桥的作用，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，琼胶的固定作用可以防止KCl溶液直接流出来。
【教师演示实验】搭建双液原电池装置，并用万用数字表测定其电流，说明盐桥在其中起到了导电作用，形成了闭合回路。
【小组讨论】思考讨论并画出盐桥中阴离子和阳离子的迁移方向？
请学生上台展示
【教师】介绍双液原电池工作原理，构建双液原电池模型
分析盐桥的作用：
使整个装置构成通路，代替两溶液直接接触。(离子通路）
2、平衡电荷。（离子库，可以源源不断的供给需要的离子）
【教师引导】引导学生进一步思考为什么锌片和CuSO4溶液没有直接接触，能形成电流？从物理学角度分析其带电粒子定向移动的内在驱动力是什么？
【学生】外电路：电势差
内电路：离子浓度差（电中性原理）
播放事先录制好的利用数字化手持技术探究双液原电池电流变化实验，发现双液原电池的电流虽然稳定但电流小，让学生思考这么小的电流能否让小车转动。
【教师演示实验】利用双液原电池装置驱使小车运动
【学生】小车无法转动。
【教师引导】分析双液原电池的优缺点：
优点：电流稳定，能量利用率高
缺点：电流小，无法让电动车跑动
用物理学的电学知识解释分析电流减小的原因，如何改进？
【学生】与单液原电池相比
相同:电极材料相同，电势差相同
不同：引入盐桥，离子运动的距离变长，离子可通过横截面积变窄，离子定向移动速度减慢
改进措施：缩短盐桥的长度，增大盐桥的横截面积
【设计意图】通过解决单液原电池的电流不稳定的缺点,从而建构双液原电池的模型;在探究双液原电池的能效过程中发现尽管获得稳定电流,发现电流却非常微小的事实,进一步形成认知冲突,并在解决认知冲突中,应用物理学电阻定律,进行推理并提出猜想。
环节三、双液原电池的改进
【教师引导】设计琼脂块双液原电池
【学生分组实验】任务：根据提供的仪器和药品组装原电池，观察能否使玩具车跑动？
仪器：铜片1条、锌片1条、导线、鳄鱼夹、玩具车、含饱和氯化钾的琼脂块
药品：CuSO4溶液、ZnSO4溶液
（每组由一位同学记录实验操作过程以及实验现象）
请学生上台展示实验成果：小车能够转动
说明琼脂块双液原电池电流变大，且电流稳定
【教师】改进离子交换膜型原电池及原理
高中常见的三种离子交换膜：
1.阳离子交换膜：只允许阳离子通过
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
播放事先录制好的利用数字化手持技术探究双液原电池电流变化实验，发现相比琼脂块双液原电池的电流增大十倍且稳定性高。
【教师总结】从单液到盐桥型双液原电池，再到琼脂块型双液原电池，最后改进成离子交换膜型原电池，通过不断创新和改进。得到了能够使小车持续运转的简单高效电池，正如比亚迪从未停止对电池技术的创新，最近他们又有了新的突破，我们一起来看相关消息。
播放视频:比亚迪全新技术电池
习近平主席提出，我们要大力推进科技创新，作为学生的我们，更应该不断提升创新能力，培养创新思维。
【兴趣实验】根据提供的仪器和药品，组装出一个微型双液原电池带动玩具车跑起来
仪器：铜片1条、锌片1条、导线、鳄鱼夹、玩具车、含饱和氯化钾的琼脂块、棉巾纸
药品：CuSO4溶液、ZnSO4溶液
【教师引导】引导学生分析得出实验装置图
【学生小组实验】组装微型双液原电池驱使小车运动
请学生上台展示实验成果：小车能够转动
【教师总结】归纳总结本次授课的全部内容，再一次明确解释分析、设计与制作电池的基本路径方法。
【设计意图】让学生基于“电功”视角分析电化学的一般思路和方法构建原电池工作原理模型，再将模型应用到典例中解决实际问题，通过探究带电粒子在电势差的驱动下移动形成带电粒子的定向移动视角下，改进实验使得双液原电池的更大的输出电流。通过层层递进的实验让学生了解电池的工作原理,进一步认知实用的化学电源和原电池原理之间的关系,充分体会科学原理对于生产生活的重要意义
3.板书设计
4.作业设计
【小试牛刀】
由于存在离子浓度差而产生电动势的电池称为离子浓差电池，当两极室离子浓度相等时放电完成。某离子浓差电池的工作原理如图所示，下列说法中正确的是(　　)
A. 铜电极Ⅰ上发生氧化反应
B. Cu2+从左极室透过隔膜移向右极室
C. 电池工作一段时间后，右极室CuSO4浓 度增大
D. 该电池工作时，电能转化为化学能
【社会性科学议题】
查阅资料，了解新能源汽车与燃油车之争的问题，它关乎我们个人的出行方式和生活质量，更涉及到全球能源供需、环境保护、技术创新、政策制定等多种博弈，深入探讨和思考，请从成本、体验感、技术、环保等方面思考新能源汽车是否会取代燃油车？