优化实验装置 助力化学教学——以“原电池”教学为例

沈玉红

“原电池”是高中化学教学中连接必修与选修的一个重要知识点，也是化学学科中能量转化的重要体现，对学生理解化学能量转化观点，以及学生化学核心素养的提升有着重要的作用。然而，在现行的实际课堂教学中，由于装置较大、用量较多、现象不易观察等各方面原因，很多教师都停留在理论讲解原电池产生的原理与条件上，而将原本生动有趣的实验操作课堂，变成了枯燥乏味的理论记忆课堂，剥夺了学生观察、感受与亲身体验知识的机会，阻碍了学生核心素养的提升。为能方便有效地将原电池的实验带入课堂教学，我们可从以下两个方面进行原电池实验的改进。

一、原电池实验的微型化改进

1.药品用量的微型化。

大部分教师在课堂中展示的原电池实验装置如图1 所示，所使用的容器是烧杯或者电解槽，将锌电极、铜电极及电流表用导线相连后，放入稀硫酸中，然后观测装置内的现象与电流表的指针偏转。这样的装置既浪费原料又不环保，且现象不明显，原因在于：首先两个电极需要的表面积比较大，其中锌电极由于杂质等各方面原因，一旦使用一次后，表面会变黑而无法循环使用；在反应过程中，锌电极还容易释放出刺激性气味的气体，污染环境；由于装置的容积较大，需要的硫酸的量也相对较多，而原电池使用后的硫酸很难再重复利用，造成硫酸溶液的浪费与废液处理的压力。如果安排的是学生实验，要处理这些废弃的电极与废液，更将是个不小的工程。

为此笔者设计一个简单易行、效果明显又节约试剂用量的原电池实验方式。如图2 所示，选择使用点滴板代替电解槽，用锌棒与铜棒代替锌片与铜片，实现原电池的微型化；使用点滴板中的小孔，每个孔只需要一毫升试剂就足够产生电流，大大节约了试剂的用量。此外，由于未隔着塑料或者玻璃等容器观察，锌棒由于表面积小，产生的气泡也没有那么多，因而可以清楚看到铜棒表面的气泡，现象也十分明显。同时由于点滴板有6 个孔，还可以完成几个电池串联的实验操作。

图1

图2

2.盐桥装置的微型化。

在必修1 中，使用了简易的单液原电池装置，如图1 所示，将锌、铜两电极同时插入稀硫酸中，虽然可以看到电流表指针偏转，但由于锌片上会优先产生大量气泡，严重影响了铜片上气泡的观察，有时候甚至看不到铜片上的气泡；仔细观察电流表，发现电流表指针很不稳定，因而引出了选修教材中带盐桥的双液原电池装置。但与此同时，装置变得更庞大，同时由于盐桥的不易保存，因而课堂上学生更加不容易有机会直接观察与体验。

为此，笔者选择使用浸有饱和食盐水的滤纸来代替盐桥，使用点滴板中相邻的两个孔来作为双液原电池两电极溶液盛放的容器，溶液选用蓝色的硫酸铜，便于学生分辨观察。这样的改进，不但简化了盐桥装置，而且现象更加明显。

二、原电池实验的可视化改进

1.串联电路电压的可视化。

为了展示原电池装置中确实可以产生电流，苏教版教材使用了灵敏电流表来检测。这样的装置在实际操作时会发现，若电流表使用的量程太大，电流表指针偏转幅度很小，几乎看不到；若选择的量程较小，指针又容易满偏，从而损坏电流表。为此，笔者在尝试了很多次后，发现选择电压表来测电压可以有效地解决这个问题。我们知道，电阻不变时，电流与电压是成正比的，电压的产生与大小可以表示出此装置中电流的产生与大小，因此测电压既可以有效地说明原电池的发生，又可以有效地保护电表的安全。同时用测电压法还可以定量地表示几个串联原电池之间的电压关系。

2.离子移动方向的可视化。

用浸有饱和食盐水的滤纸代替盐桥，还有一大优势，即可以直观地观察到离子的定向移动。在点滴板加浸有饱和食盐水的滤纸的基础上，在滤纸中间滴入一滴酸性高锰酸钾溶液，十秒左右，即可发现滤纸上的紫红色明显向锌电极移动。这样直观的颜色移动，可以明显表示出原电池中阴阳离子的移动方向，比单纯的说教更有说服力。

这样的简易盐桥双液装置，还适用于电解池的使用。比如电解硫酸铜溶液，可以在两个相邻的小孔中分别滴入同浓度的硫酸铜溶液，同时在滤纸上滴加同样的少量硫酸铜溶液，用石墨做电极，连接电源。大约20 秒左右，可以看到蓝色的铜离子向阴极区移动，生动形象地展示出在电解池中阳离子的移动方向，这为后续电解池的深入学习提供了直观的体验过程。

化学是一门以实验为重要学习方式的自然学科，如果教师可以不断地对各种实验进行改进与创新，将原本大型的、不方便的实验微型化，将原本不明显的实验可视化，甚至引导学生利用生活中常见的一些物质与设备，将实验生活化、趣味化，这必将大大提升化学学科的教学效能，提升学生的化学核心素养。