摘要：概述“原电池”概念教学与实验研究的必要性，分析高中原电池实验研究的典型案例，按照研究主题将其分为教材原电池演示实验改进、原电池趣味实验开发、信息技术融入原电池实验的综合应用探究3 大类。总结国内原电池实验研究的发展趋势，提出将新技术融入原电池实验、加强原电池综合应用研究、注重实验创新与教学设计相融合等建议。

关键词：原电池实验；手持技术；铜锌原电池

1 “原电池实验”研究述评背景

“原电池”是化学核心概念之一，学生学习原电池概念，向上要联系氧化还原反应、能量变化、电解质概念，向下则为学习化学电源、电解池、电化学腐蚀奠定理论基础。基于学习进阶理论[1]，原电池概念的学习是分阶段和有明确路径的：①初中阶段：认识电池的能量转化形式；②高中阶段：首次提出原电池概念，学习单液、双液原电池的工作原理与形成条件，深入探讨电流大小和能量转化率等问题； ③ 大学阶段：深入学习电化学原理，在无机化学、物理化学等课程中从电极电势、电池组装与测试等角度深入研究原电池。

原电池实验与探究活动是中学原电池概念学习的关键环节，但在演示实验中常存在一些问题，如实验现象与教材描述不完全相符，学生难以观察清楚实验现象，不能定量、连续地研究单液、双液原电池的电流和溶液温度变化等。

综上，“原电池实验”研究述评的必要性在于：①原电池概念与实验是中学化学的重要内容；②原电池实验对学生学习原电池有重要作用，铜锌原电池是学生理解电化学原理的基础，是培养学生“宏观辨识与微观探析”、“证据推理与模型认知”等核心素养的一个切入口； ③ 目前教材中的原电池实验存在不足之处。由于高中教材中是以铜锌原电池作为案例，因此本研究主要是围绕铜锌原电池展开。

在中国知网以“原电池实验”、“原电池原理”等为关键词进行检索后发现国内研究者已进行了大量研究工作，累积了许多研究成果，但未对原电池实验内容进行细致的分析。本研究的主要任务是对自2010 年至今的国内文献中有关中学原电池的实验研究进行分类与探讨，以期为未来研究提供参考。

2 “原电池实验”研究分类与概况

根据中学原电池实验的不同研究主题，将研究分为3 类：教材原电池演示实验改进、原电池趣味实验开发以及信息技术融入原电池实验的综合应用探究。

2.1 教材原电池演示实验改进

围绕教材中原电池实验进行改进的方法多种多样，例如对实验装置的改进、药品的优化、实验设计的创新等，但总的来说，改进的目的主要可以归类为以下3 个。

第一，利于教师课堂教学演示、方便学生观察实验现象。课本演示实验中单液铜锌原电池两极在同一个烧杯中，学生观察时两极现象会造成干扰，针对这个问题有学者进行了研究。韦德富[2]提出用 U 型管代替烧杯，避免两极的现象互相干扰；王肃云[3]在实验中将铜片和锌片夹在有孔纤维板中，以便于观察电极表面气泡现象。还有学者对双液原电池的盐桥结构进行了改进，主要是针对盐桥制作要求较高、U 形管中的琼脂液易产生裂隙、使用时间间隔不能过长等难点而进行的。魏崇启[4]提出在 U 型管底部加入琼脂和饱和氯化钾溶液作为盐桥，该设计既简便又节省药品。刘影[5]等人是将氯化钾溶液装入带支口的U 型管中，并用琼脂装在橡皮管内而形成盐桥。目前很多教师已经用浸有盐溶液的滤纸、布条、瓦楞纸等制作而成的更加简易的盐桥来进行实验。

第二，对原电池供电时间和电池效率的探究。课本中的单液原电池供电时间短，双液原电池供电时间长，但电流非常小，因此关于课本实验的探究改进围绕电池效率开展，主要从原电池供电时间、电流大小、能量转化三个角度进行研究。张勇[6]等发明了用“硫酸纸”将两种不同的电解质溶液隔开的方法，通过对比小电机转动时间，发现改进后的原电池供电时间明显变长。李新[7]等人将课本中单液、双液原电池以及加入阳离子交换膜的3 个原电池的电流强度大小、供电时间进行对比，实验条件简单、操作便捷，学生在课堂即可完成实验探究。

第三，消除原电池“异常”现象的改进。在实际过程中教材中的演示实验常出现“理论分析与实际现象很不一致”的问题，往往锌片和铜片上都有气泡产生，甚至锌片上产生的气泡比铜片上的多，这与学生理解的H+在正极得到电子的认知不符，这种与预期不符的现象称之为“异常”现象。为使“宏观现象演示与微观理论分析”一致，研究者采取了多种多样的方法，归纳起来有以下几种：

（1）对锌片进行处理。实验室锌片通常含有碳、锡等杂质，这使得在构成铜锌原电池的同时，粗锌本身还形成了另外的原电池，造成H＋在粗锌电极处也会得电子生成氢气，因此有学者从锌片角度出发进行了相关研究。例如用锌汞齐法、特殊有机膜法[8]、电镀锌片纯化法等，但这三种方法存在药品有毒性、污染环境、原材料难制备等缺陷，且与学生现阶段学习认知不符。蒋晓乾尝试了其他两种方法：琼脂涂抹法[9]、 电极绞合法[10]，这两种方法具有较好的推广价值。

（2）对电解质溶液进行处理。龙丽华[11]从电极电势和双电层理论分析了该现象产生的原因，设计了在负极电解质溶液中加入少量硫酸锌固体的方法，简便易行。王红[12]等人选择电池锌皮作为电极材料，分别探讨能够产生理想实验效果的稀硫酸溶液浓度问题。

（3）对实验设计的创新。例如夏立先[13] 利用溶液密度不同，采用漏斗、滤纸等进行了铜锌原电池的实验装置改进，实验时铜表面气泡沿着漏斗颈孔冒出，锌表面至少可保持 15 分钟没有气泡 。

对原电池工作原理的探究。对单液原电池和双液原电池原理分析的侧重点不同，单液原电池在于将微观的内容可视化，双液原电池的探究则在于盐桥的工作原理。谭文生等[16]设计的探究原电池构成条件的实验装置，可探究不同电极材料、不同介质对原电池的构成的影响。龙丽华[15]通过改进实验装置可视化地探究原电池内电路离子迁移方向。李先栓[14]对单液、双液原电池电流减小的原因进行了理论分析，之后引入盐桥，借助“盐桥”与“金桥”的异常实验现象深入分析原电池工作原理。

2.2 原电池趣味实验开发

早期对原电池趣味实验的开发主要从水果电池入手。研究侧重于对水果电池的电流大小影响因素的探究实验，内容主要包括水果种类、不同材料的电极以及电极距离对电池电流大小的影响，测量不同种类水果汁的pH、电导率等数据。

张援[15]为增加学生的学习兴趣，将微型灯泡、微型电机、LED 发光二极管等微功耗器件用于原电池实验，在证实原电池工作时有电流产生的同时，也让原电池知识的学习生动活泼、充满乐趣。石冬梅[16]对教材中的探究性内容进行了深刻挖掘，设计了“人体电池”，不仅使学生有了亲身体验，引发学生的学习兴趣，在实验中还探讨了金属活动性顺序、电流大小影响因素等问题，提高学生的实践能力和科学素养。

2.3 信息技术融入原电池实验的综合应用探究

随着现代化技术及仪器设备的发展，将更先进更精确的仪器运用于原电池实验成为当下研究的热点，信息技术主要有数字化手持技术、远程实验室仪器等。由于手持技术具有便捷、定量、实时、直观、准确的特点，近年来被不断推广。早期将手持技术运用于原电池实验，主要是利用不同传感器测定原电池工作时的各项数据，如罗陈丹[17]等人利用pH、电导率传感器研究了以水果、蔬菜汁液作为电解液的果蔬原电池，黄海清[18]将简易化学电池与水果电池进行比较研究。之后，学者们不断挖掘手持技术优势，运用数字化手持技术进行原电池实验主要围绕两个主题，即原电池基本问题探讨和综合运用探索，根据实验目的不同，还可以进行细分（见表1）。

表1 运用数字化手持技术进行原电池实验研究分类

对原电池基本问题探讨主要围绕电池效率、电流大小、盐桥等几个方面展开。李友银[19]等通过测定温度曲线进行了原电池能量转化效率的计算；盛晓婧[20]运用手持技术进行单液、双液原电池反应的电流、溶液温度变化曲线的对比实验，进行了四重表征分析。

近年来学者们更加关注原电池的应用研究，主要是利用原电池为电器供电。丁娟娟[21]将小风扇的发动机连接在自制的微型氯化钾盐桥双液原电池的锌片和铜片上，即可发现小风扇会转动。林进太[22]串联多个电池来增大电池电压，并进一步设计了镁空气电池并进行串联，达到很好的实验演示效果。刘婷[23]运用远程实验室来进行原电池实验，主要解决实验难以远程控制等问题，远程装置与手持技术仪器相连，可测定数据类型更加多样，如电导率、pH 等。

3 结论与建议

对原电池相关文献进行整理分析，研究者对于原电池的研究内容涉及面广，既有课内演示实验，又有课外探究实验，实验装置设计、测量仪器和实验材料各方面都在不断改进发展，现有研究已十分丰富。

实验装置从最初的课本中的单液、双液原电池演示实验装置到可满足多种探究需求、可视化观察粒子运动、更加富有趣味性的多种原电池实验装置，装置设计呈现出微型化、高效化、可视化、便捷化的特点。测量仪器从灵敏电流计定性地展示电流产生，逐渐演化为利用万用表定量测电流数据，再到数字化手持技术仪器精确测量电流、电压、温度、pH 等各类数据，并记录数据曲线，数据测量更加精确、实时、便捷。实验材料从锌片、铜片、汞和琼脂等，拓展为果蔬、淀粉、离子交换膜、脱脂棉等，不断向着绿色环保、生活化、科技化的方向发展。

基于已有研究，笔者对今后中学原电池实验研究提出了以下3 点建议：

（1）关注新技术发展，结合新技术开发原电池实验。离子交换膜、数字化手持技术的运用使原电池实验不再局限于传统仪器和材料，实验条件更加优化，实验设计也有了更多的可能性。

（2）注重原电池探究实验，加强原电池应用研究。李润洲教授在三维六要素的中国学生发展核心素养基础上提出了“知识三重观视域的核心素养”，其中最核心的部分是“知识旨趣：人文情怀、科学精神”[24]，对应到原电池内容可以具体化为“科学探究与创新意识、科学态度与社会责任”。在对原电池进行探究和应用的过程中，需要综合各类知识，有利于学生化学核心素养的整体提升。

（3）融合实验创新与教学设计，使实验充分为教学服务。其一是利用原电池实验多年研究成果，将其与课堂教学相结合，充分发挥实验在化学教学中的特殊作用。其二是根据不同教学模式，开发相对应的实验，如在项目式教学中围绕项目主题进行系列实验开发。

参考文献

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衢州市科技局项目课题“教育数字化转型背景下中学教师分层发展实践研究”（项目编号：2023K237）研究成果