数字化实验在原电池课堂教学中的应用

引言：在高中化学教学中，原电池作为至关重要却抽象的概念使学生理解面临阻碍。传统实验采用基础设备存在数据不精准的问题，且无法把实验过程直观呈现。下文采用数字化实验的教学法，以江苏省教育版（2019）高中化学教材为基础开展原电池教学，把柠檬、土豆这类水果当作电解质，尝试采用铜、锌、铁、铝等各类电极材料，采用数字仪器对不同电极组合的电压和电流进行测量，分析水果电池体系中电极反应的活性跟发电效率的关系，促进数字化实验在原电池课堂教学里的进步发展。

一、数字化实验在原电池课堂教学中的应用优势和存在问题

（一）应用优势

在原电池课堂教学中采用数字化实验具有多样优势，数字化仪器能完成精准的数据测量，为学生提供可用的实验参考凭据，辅助他们得出精准结论，实时数据采集及曲线显示功能助力学生直观观察反应过程的变化，有效增进对原电池原理的领悟，也给学生的自主探索增添更多机会，锻炼科学探究能力与创新思维水平。

（二）存在问题

在教学期间，部分学生对数字实验室仪器操作欠熟练，造成操作方面的失误，影响数据精准性，实验材料的差异和各小组操作标准不一样，造成数据采集结果好坏不均，给分析讨论造成了困扰，因为数字仪器价格高昂且普及率欠佳，其于教育领域的大范围应用依旧面临挑战。

二、数字化实验在原电池课堂教学中的应用策略

（一）设计循序渐进的实验任务

在开展原电池教学期间，教师可安排循序渐进的数字化实验任务，引导学生掌握基础操作技能，熟练运用数字仪器，并利用自主探索阶段，引导学生分析电极活性差别与电压的定量关系，助力其从“学习操作技能”过渡到“培养探究能力”。

在刚开始基础操作阶段，教师可指导学生阅读教材中跟原电池形成条件有关的内容，把铜锌板平行插入柠檬（间距 2 厘米），用鳄鱼夹连接电压/传感器电极，并且将数据采集软件的采样频率设为 1Hz ，当学生看到柠檬电池在 0.35mA 电流的情况下维持着约 1.02V 的稳定电压，小组实验中，马铃薯电池呈现出 0.95V 电压以及 0.32mA 电流，教师可借助教材中“电解质导电性影响原电池效率”的知识提出问题：“为什么柠檬电池发电比马铃薯电池多呢？”这引导学生思索不同电解质 pH 值怎样影响离子迁移速率，依靠动手实践让他们掌握教材原理。在后续的探索阶段，教师能引导学生自教材的“活动与探究”部分选取铜、锌、铁或铝电极的组合，经过查阅金属活性周期表并算出电极活性的偏差，学生就会开始知晓活性变化怎样影响发电效率，增进化学学习成效。

（二）实验教学中融入跨学科元素

原电池教学中应用数字化实验，其中融合化学、物理（电路与能量）以及数学（数据统计与绘图）等多学科知识，为开展跨学科任务设计创造了条件。

在剖析《电池“续航”的秘密》这一主题时，教师可从电路以及能量角度深入分析，利用物理学里的欧姆定律（I=U/R）探究水果电池的内阻，测量不同电极组合的电压（U）

以及电流（I）后，学生可采用公式计算出内阻，柠檬汁中的铜锌组合生成了 1.02 伏电压和 0.35 毫安的电流，内阻估摸为 2914 欧姆。而铁铝组合产生的是 0.15 伏电压以及0.05 毫安电流，内阻差不多是 3000 欧姆，利用对比不同电极组合的内阻，还运用“内阻对电路电流大小有影响”的物理原理，学生可分析内阻与电极材料彼此间的关系，进而弄明白不同组合出现不同发电效率的道理，从节能降耗的角度考量，水果电池虽能把化学能转换为电能，但存在着能量的消耗现象，借助测量同一时间段里不同电极组合产生的电能，并对比能量转化效率，学生可更透彻地明白能量转化的过程。

（三）建立在线数字实验库

为最大程度增进数字实验在小学电池课堂里的教学效果，教师要把实验资源进行系统整合，继而设立在线数字实验库，实现教学资料的高效分享，其中得包含实验操作的演示视频，采用多个模块进行呈现。

处于材料准备模块阶段，教师需界定四种电极材料（铜、锌、铁、铝）的筛选条件，如所有电极厚度都必须达到 0.2 厘米，尺寸要符合 2 厘米乘 3 厘米这样的规格，特写镜头应呈现怎样打磨电极表面氧化层，直到金属光泽展现出来，让电极与电解质实现充分接触。有关采用柠檬和土豆制备电解液的视频，需要解释选用中熟柠檬以及新鲜土豆的缘由，而且演示正确切片的方法，把柠檬切成 2 厘米厚的切片，把土豆切成 3 厘米见方、厚度 2 厘米的块状，同时着重提醒防止挤压致使汁液流失的注意要点。于仪器连接模块当中，采用多维度拍摄技术，详细展现电压传感器、电流传感器、数据采集设备以及计算机的安装配置情形，各接口名称以及接线方向都要清晰加以标注，红色端口对应正极，黑色端口跟负极对应。在做电极传感器连接演示之际，教师需细致讲解如何借助鳄鱼夹（距离尖端 1 厘米处）固定电极，而且在把电极插入柠檬片或者马铃薯块的时候，保持 2 厘米间距，保证电路连接平稳可靠，依靠数字化实验资源库中的教学视频，学生可直观掌握实验的各个关键环节，切实降低课堂操作的失误率，为精准钻研不同电极材料对水果电池发电效率的影响做好铺垫，同时让资源库的共享真正付诸实践，进而增进教学效益。

结束语

数字化实验给苏教版高二化学原电池课堂教学注入了别样活力，其具备的精准性、直观性与互动性，不仅打破了传统实验的局限，更贴合高中化学“以实验为基础”的学科特质，经由设计阶梯式实验任务、融入跨学科知识、设立在线数字实验库可让学生在水果电池实验中深度理解原电池原理，掌握科学探究的方法，让抽象的化学知识更好地贴近学生生活圈，强化学生核心素养水平。

参考文献：

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