《揭秘化學(xué)電源》案例研究

陳俊英+張國(guó)興+田斌+張俊杰

一、項(xiàng)目提出

霧霾是特定氣候條件與人類活動(dòng)相互作用的結(jié)果。2013年以來(lái)，“霧霾”成為人們關(guān)注的問(wèn)題之一。在這一大背景下，新能源的推廣和使用備受人們關(guān)注，尤其是電動(dòng)汽車。結(jié)合這一環(huán)境問(wèn)題的治理和化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，將項(xiàng)目學(xué)習(xí)的內(nèi)容確定為和環(huán)境保護(hù)有關(guān)的“化學(xué)電源”，通過(guò)探究電動(dòng)汽車的能量來(lái)源學(xué)習(xí)相關(guān)概念和原理，揭開(kāi)化學(xué)電源的神秘面紗，讓學(xué)生能夠了解新能源的使用和發(fā)展，更加關(guān)注環(huán)境的保護(hù)。

二、項(xiàng)目準(zhǔn)備

1.解讀課標(biāo)，整合教材。

項(xiàng)目的實(shí)施依賴于課標(biāo)的指導(dǎo)，因此研讀課標(biāo)能夠準(zhǔn)確地把握課程知識(shí)的主體性。對(duì)于化學(xué)電源的知識(shí)，課標(biāo)在必修二和選修四課程模塊中分別作了如下說(shuō)明：

學(xué)生能夠舉例說(shuō)明化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化關(guān)系及其應(yīng)用；認(rèn)識(shí)研制新型電池的重要性。建議通過(guò)查閱資料了解化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、電能在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用；用生活中的材料制作簡(jiǎn)易電池；對(duì)不同種類電池的特點(diǎn)、性能與用途做市場(chǎng)調(diào)查。

學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠體驗(yàn)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的探究過(guò)程，了解原電池和電解池的工作原理，能寫出電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式；通過(guò)查閱資料了解常見(jiàn)化學(xué)電源的種類及其工作原理，認(rèn)識(shí)化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)際意義及其重要應(yīng)用。建議能夠完成電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)探究；調(diào)查市場(chǎng)常見(jiàn)化學(xué)電池的種類，討論它們的工作原理、生產(chǎn)工藝和回收價(jià)值。

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和教科書中的內(nèi)容，我們將必修二中第二章第二節(jié)《化學(xué)能與電能》與選修四第四章第一節(jié)《原電池》、第二節(jié)《化學(xué)電源》的知識(shí)進(jìn)行整合，形成與化學(xué)電源相關(guān)的教材資料。根據(jù)相關(guān)教材資料，確定項(xiàng)目實(shí)施的開(kāi)展周期為13學(xué)時(shí)。

2.研討項(xiàng)目，確定流程。

在確定了項(xiàng)目課題后，組織教師開(kāi)展多次項(xiàng)目研討會(huì)，對(duì)項(xiàng)目課題的開(kāi)展和方式進(jìn)行研討。

首先，第一次項(xiàng)目研討會(huì)確定了項(xiàng)目的目標(biāo)。從三個(gè)維度（知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度和價(jià)值觀）提出項(xiàng)目的指引性目標(biāo)。對(duì)學(xué)生的能力、態(tài)度和成果作了基本的要求。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，我們整理出項(xiàng)目的概要。

其次，在之后的幾次會(huì)議中，主要研討了項(xiàng)目流程，并不斷進(jìn)行修改，最終確定了以下學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)：

（1）創(chuàng)設(shè)問(wèn)題：根據(jù)信息，結(jié)合一些資料卡片，讓學(xué)生以此了解所學(xué)知識(shí)的背景，以此進(jìn)行延伸，對(duì)所需掌握的知識(shí)、所要提高的能力、最終獲得的成果有整體的認(rèn)識(shí)。

（2）自主學(xué)習(xí)：結(jié)合創(chuàng)設(shè)問(wèn)題和內(nèi)容學(xué)案，由學(xué)生自主進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)。在這一過(guò)程中，對(duì)知識(shí)的分析和探討為實(shí)踐操作將奠定理論基礎(chǔ)。

（3）總結(jié)概括：小組討論知識(shí)的原理、構(gòu)成和發(fā)展，并由教師最終對(duì)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)歸納，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)的整合。

（4）類比遷移：以教學(xué)資料為基礎(chǔ)，對(duì)相關(guān)知識(shí)的了解進(jìn)行遷移，可作階梯難度學(xué)習(xí)，根據(jù)不同學(xué)生的能力進(jìn)行不同內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

（5）拓展延伸：學(xué)生可利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源，進(jìn)行其他知識(shí)的學(xué)習(xí)，如化學(xué)史等。

（6）實(shí)踐操作：依據(jù)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的驗(yàn)證和探究，加強(qiáng)理論知識(shí)的理解，同時(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

（7）測(cè)評(píng)考核：對(duì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)的各環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)評(píng)，如學(xué)生知識(shí)的掌握、思維能力的提升、動(dòng)手能力的提高等。

（8）成果展示：結(jié)合課程內(nèi)容和自主活動(dòng)，進(jìn)行小組匯報(bào)和自由發(fā)揮的成果展示，同時(shí)在項(xiàng)目活動(dòng)中體現(xiàn)出學(xué)校特色、教師特長(zhǎng)、學(xué)生特點(diǎn)，能夠成為學(xué)生知識(shí)體系學(xué)習(xí)的有益補(bǔ)充。

在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，不斷地對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行中反映出的一些問(wèn)題及時(shí)作出修改，同時(shí)結(jié)合學(xué)生提出的一些建議，討論其合理性和實(shí)踐性。

三、體例說(shuō)明

項(xiàng)目學(xué)習(xí)是通過(guò)一系列任務(wù)的完成，最終達(dá)成項(xiàng)目目標(biāo)的學(xué)習(xí)方式。以“揭秘化學(xué)電源”為例，在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生將通過(guò)自主學(xué)習(xí)、總結(jié)拓展、實(shí)踐操作、交流展示、測(cè)評(píng)考核等教學(xué)活動(dòng)，在“做中學(xué)”，提升化學(xué)素養(yǎng)。

1.項(xiàng)目概要。

（1）從原理上認(rèn)識(shí)燃料電池，能正確書寫電極反應(yīng)方程式。結(jié)合生活，了解生活中電池的種類，分析其結(jié)構(gòu)，認(rèn)識(shí)能量的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程。

（2）通過(guò)對(duì)電池的拆分，掌握能量轉(zhuǎn)換的原理。結(jié)合組成成分的驗(yàn)證，認(rèn)識(shí)研制新型電池的重要性。

（3）依據(jù)化學(xué)史知識(shí)，了解電池的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和綠色化學(xué)意識(shí)，逐步形成可持續(xù)發(fā)展的思想。

2.項(xiàng)目活動(dòng)。

活動(dòng)一：課前熱身。（2課時(shí)）

根據(jù)學(xué)習(xí)資料卡片的內(nèi)容，進(jìn)行走訪了解、策劃設(shè)計(jì)等，為完成項(xiàng)目成果做好鋪墊。

[資料卡片一] 由于城市空氣質(zhì)量指數(shù)“爆表”，為保護(hù)公眾健康，減緩大氣污染程度，北京市應(yīng)急辦于2015年12月7日18時(shí)首次啟動(dòng)空氣重污染紅色預(yù)警。

[資料卡片二] 環(huán)保部提出，PM2.5來(lái)源是機(jī)動(dòng)車、燃煤、揚(yáng)塵、流動(dòng)源、工業(yè)生產(chǎn)等。中小學(xué)、幼兒園停課，全市范圍內(nèi)實(shí)施機(jī)動(dòng)車單雙號(hào)行駛（電動(dòng)車除外）。

[資料卡片三] 燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水；零排放，不污染環(huán)境。燃料電動(dòng)車能量轉(zhuǎn)化效率高，可高達(dá)60%～80%，為內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。

根據(jù)以上三個(gè)資料卡片，查閱相關(guān)資料，了解電動(dòng)車動(dòng)力的來(lái)源及其原理。

活動(dòng)二：自主學(xué)習(xí)。（2課時(shí)）

①知識(shí)回顧——科學(xué)探究一。

回顧人教版九年級(jí)化學(xué)教科書（上冊(cè)）第三單元 《自然界的水》 課題一：水的組成，[實(shí)驗(yàn)3-1]水的電解實(shí)驗(yàn)。

電解水需要的實(shí)驗(yàn)儀器有：電源、碳電極、硫酸鈉溶液、電流表、試管、導(dǎo)線若干、開(kāi)關(guān)。實(shí)驗(yàn)步驟為：將裝置連接接通電源一段時(shí)間后，觀察兩電極上的現(xiàn)象，及電流表指針偏轉(zhuǎn)方向。預(yù)期得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：在負(fù)極連接的電極上產(chǎn)生H2，在正極連接的電極上產(chǎn)生O2，且體積比為2：1。

②知識(shí)反轉(zhuǎn)——科學(xué)探究二。

去掉電解水裝置的電源，將兩電極與小燈泡用導(dǎo)線相連，形成氫氧燃料電池。

實(shí)驗(yàn)所需儀器有：碳電極、硫酸鈉溶液、電流表、試管、導(dǎo)線若干、開(kāi)關(guān)、小燈泡。實(shí)驗(yàn)步驟為：將電解裝置的電源拆掉，連接小燈泡，觀察兩電極現(xiàn)象，電流表指針偏轉(zhuǎn)方向及小燈泡是否變亮。預(yù)期得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：小燈泡可以發(fā)光，兩電極氣體減少，電流表偏轉(zhuǎn)。

③新知學(xué)習(xí)。

根據(jù)科學(xué)探究一和科學(xué)探究二，研究這兩個(gè)裝置的原理：

電解水：

陰極：2H++2e-■H2

陽(yáng)極：4OH--4e-■O2+2H2O

燃料電池：H2-2e-■2H+

O2+2H2O+4e-■4OH-

思考與交流：

根據(jù)電流表偏轉(zhuǎn)確定電流方向：從能量轉(zhuǎn)移角度和電子得失守恒分析這兩個(gè)裝置。

電解過(guò)程：能量：電能→化學(xué)能；電子得失：陰極得e-，陽(yáng)極失e-。

原電池：能量：化學(xué)能→電能，電子得失：正極得e-，負(fù)極失e-。

活動(dòng)三：知識(shí)延伸。（2課時(shí)）

①根據(jù)下圖所示信息，分析生活中使用的酸性和堿性鋅錳電池原理，思考交流每種物質(zhì)在電池中所起到的作用。

②查閱資料：生活中常見(jiàn)電池的分類及其原理，生活中常見(jiàn)電池的應(yīng)用及發(fā)展，新型能源電池的使用。

活動(dòng)四：實(shí)踐操作。（2課時(shí)）。

從生活中收集各種類型的電池，類型可以有酸性電池、堿性電池、小型蓄電池、手機(jī)電池等。

拆分電池基本實(shí)驗(yàn)報(bào)告

組號(hào)：________

小組成員：

________________________

根據(jù)所提示的內(nèi)容，完成下列操作：

1.拆分電池（盡量保持電池剖面的完整，各組自己備份照片做材料匯報(bào)用）。

實(shí)驗(yàn)儀器：

實(shí)驗(yàn)步驟：

實(shí)驗(yàn)拆分成分預(yù)估：

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

2.描繪電池拆分后的橫截面。

3.反思與評(píng)價(jià)。

[提示信息]

（1）可做橫向和縱向切割。

（2）盡量保證切面的完整性。

下次課程任務(wù)：研究電池的原理及組成成分。

根據(jù)學(xué)生收集的電池種類和數(shù)量、學(xué)生拆分實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、拆分實(shí)驗(yàn)工具選擇和拆分的合理性作出評(píng)價(jià)。如何才能更好地保留電池的成分，為下面進(jìn)行原理學(xué)習(xí)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)提供有效的例證？

根據(jù)學(xué)生所學(xué)習(xí)的知識(shí)，結(jié)合拆分電池所得到的成分，學(xué)生可以進(jìn)行電池組成組分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選取酸性干電池或是堿性干電池部分成分驗(yàn)證，其他成分進(jìn)行理論推導(dǎo)。

電池成分驗(yàn)證基本實(shí)驗(yàn)報(bào)告

組號(hào)：___________

小組成員：________________________

1.材料一：電池構(gòu)造示意圖（見(jiàn)65頁(yè)圖）

根據(jù)所提示的內(nèi)容，完成下列操作：

小組討論設(shè)計(jì)驗(yàn)證電池中成分的方案（每小組選擇酸、堿性中的一個(gè)進(jìn)行設(shè)計(jì)）。

2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)儀器：

實(shí)驗(yàn)步驟：

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

3.反思與評(píng)價(jià)。

[提示信息]

（1）MnO2是不溶于水的黑色固體，反應(yīng)后電池中產(chǎn)物為MnOOH。

（2）鋅的氧化物及其氫氧化物具有兩性。

（3）電池中還有一些其他材料需自行查閱資料。

學(xué)生先小組討論設(shè)計(jì)方案，由教師進(jìn)行指導(dǎo)，選擇合理有效的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證酸性電池中的NH4Cl、MnO2、ZnCl2，以及作為負(fù)極的鋁片。堿性電池中學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證KOH、MnO2以及作為負(fù)極的鋁片，但是MnOOH無(wú)法在中學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證。

活動(dòng)五：測(cè)評(píng)考核。（2課時(shí)）

根據(jù)所學(xué)知識(shí)，完成下面測(cè)評(píng)試題。（見(jiàn)下圖）

活動(dòng)六：成果展示。（3課時(shí)）

①開(kāi)展“化學(xué)史—化學(xué)電源的發(fā)展”活動(dòng)。收集、整理有關(guān)電池發(fā)展的歷史材料，查閱有關(guān)化學(xué)電源的化學(xué)史知識(shí)，從克萊斯特被電擊、馬森布萊克發(fā)明德萊頓瓶，到伽伐尼認(rèn)為的“生物電”，再到伏打電池、丹尼爾電池、本生電池的出現(xiàn)，一直到近代所使用的電池，最終以PPT的形式展示。

②開(kāi)展“話劇—化學(xué)電源的歷程”活動(dòng)。根據(jù)化學(xué)史收集的材料，編寫“化學(xué)電源的歷程”劇本。通過(guò)話劇將重要的發(fā)展歷史再現(xiàn)。

③收集和整理電池在生活中的應(yīng)用資料，最終以PPT的形式展出“電池在生活中的應(yīng)用和發(fā)展”?？梢愿鶕?jù)所學(xué)有關(guān)原電池的知識(shí)，自制電池（如干電池、水果電池、簡(jiǎn)易版新型空氣電池等）。

結(jié)合課程內(nèi)容和自主活動(dòng)，進(jìn)行小組匯報(bào)和自由發(fā)揮的成果展示，同時(shí)在項(xiàng)目活動(dòng)中體現(xiàn)出學(xué)校特色、教師特長(zhǎng)、學(xué)生特點(diǎn)，能夠成為學(xué)生知識(shí)體系學(xué)習(xí)的有益補(bǔ)充。

3.項(xiàng)目交流。

實(shí)現(xiàn)自我評(píng)價(jià)和反思。對(duì)原電池原理、裝置和反應(yīng)方程式、常見(jiàn)原電池的種類及原理知識(shí)進(jìn)行整理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作的驗(yàn)證和探究，加強(qiáng)理論知識(shí)的理解，提高動(dòng)手能力，對(duì)知識(shí)的掌握、思維能力的提升、動(dòng)手能力的提高、科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)等有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)。

4.科學(xué)視野。

新型電池在中國(guó)的發(fā)展

《中國(guó)新型電池供需預(yù)測(cè)與投資前景分析報(bào)告》指出，研制新型電池都遵循這樣一個(gè)方向，即自重小、體積小、容量大、溫度適應(yīng)范圍寬、使用安全、儲(chǔ)存期長(zhǎng)、維護(hù)方便。應(yīng)用于空間技術(shù)方面的電池還特別注意性能可靠、密封性好，能經(jīng)受得住各種嚴(yán)酷的空間環(huán)境和發(fā)射環(huán)境的考驗(yàn)。新型電池是發(fā)展能源技術(shù)、提高能源生產(chǎn)和利用效率的主力軍，隨著中國(guó)快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)對(duì)新型電池需求的增加，中國(guó)政府將繼續(xù)在政策、資金等方面支持新型電池的研究與發(fā)展。

（1）太陽(yáng)電池。

目前常用的太陽(yáng)電池是由硅制成的，一般是在電子型單晶硅的小片上用擴(kuò)散法滲進(jìn)一薄層硼，以得到PN結(jié)，然后再加上電極。當(dāng)日光直射到滲了硼的薄層面上時(shí)，兩極間就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這種電池可用作人造衛(wèi)星上儀器的電源。除硅外，砷化鎵也是制作太陽(yáng)電池的好材料。

（2）原子電池。

據(jù)1975年的報(bào)道，當(dāng)時(shí)國(guó)外正對(duì)第一個(gè)原子電池進(jìn)行測(cè)試。這個(gè)可輸出20瓦，質(zhì)量為1398kg的原子電池已沉入北海海底，向鄰近的海洋測(cè)量站供電。這種電池密封在長(zhǎng)84cm，直徑69cm，鉛外壁厚10cm的圓柱體中。它的核心部分是鍶90。當(dāng)鍶衰變時(shí)，它產(chǎn)生相當(dāng)于300W的熱能，然后通過(guò)熱電發(fā)生器將熱能轉(zhuǎn)化為電能。最后輸出的電功率是20W，電壓28V。據(jù)稱這種原子電池不需維護(hù)，至少可用5年，估計(jì)可用10年。《自然》雜志日前報(bào)道：開(kāi)發(fā)具有高能量密度的電極材料對(duì)提升鋰離子電池的性能十分重要。一種包含非正常鋰儲(chǔ)能位點(diǎn)的多孔二氧化鉬材料，其首次的放電容量達(dá)到1814mAhg-1，

是理論值的兩倍多。這種過(guò)渡金屬的納米孔洞有意想不到的高儲(chǔ)能反應(yīng)發(fā)生。作者稱這一發(fā)現(xiàn)或許為設(shè)計(jì)新型電池系統(tǒng)提供了思路。

（3）可充放電池。

西安交通大學(xué)研究成果表明：鉬替代鋰作為電極，極大地提高了電極的性能，電池的儲(chǔ)電量可以提高7～8倍，而且重復(fù)充電次數(shù)也提高了近100倍。我國(guó)在世界上率先突破鉬電池電極的制造難度，成果突破了鉬電池耐腐蝕性差的缺點(diǎn)。

美國(guó)研究人員近日發(fā)明了一種以金納米線為材料的新型電池，可以反復(fù)充放電數(shù)萬(wàn)次。

四、項(xiàng)目總結(jié)及評(píng)價(jià)

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生每完成項(xiàng)目任務(wù)，教師和學(xué)生都要做出總結(jié)，分析、反思這一課題出現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)對(duì)下一個(gè)項(xiàng)目任務(wù)計(jì)劃做出調(diào)整，力求達(dá)到最好的教學(xué)效果。實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中，力求各小組體現(xiàn)良好的合作精神。但過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如在活動(dòng)四中，學(xué)生收集的電池種類多，教師對(duì)學(xué)生電池拆分實(shí)驗(yàn)方案的指導(dǎo)存在一定的困難。這對(duì)教師的知識(shí)儲(chǔ)備提出了挑戰(zhàn)，但同時(shí)也促進(jìn)了教師專業(yè)水平的提升。電池組成成分的驗(yàn)證，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下很難全部完成，我們只能選擇一部分成分進(jìn)行驗(yàn)證，其他物質(zhì)只做理論分析。

1.教學(xué)目標(biāo)達(dá)成評(píng)價(jià)。

在項(xiàng)目開(kāi)展中，學(xué)生表現(xiàn)出了極大的熱情、豐富的想象力和活躍的思維，一次次碰撞出閃亮的思維火花，推動(dòng)著課程的進(jìn)程。學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)方法和態(tài)度上有了明顯的改善。學(xué)生的學(xué)習(xí)不再是以枯燥的被動(dòng)接受知識(shí)為主，課堂氣氛逐漸活躍，學(xué)生了解到興趣是學(xué)習(xí)的第一推動(dòng)力，學(xué)生懂得了主動(dòng)學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)是最有效的學(xué)習(xí)方式，最初制訂的三維目標(biāo)基本達(dá)成。

2.教學(xué)改革效果評(píng)價(jià)。

項(xiàng)目的開(kāi)展讓我們認(rèn)識(shí)到：在內(nèi)容上，始終要堅(jiān)持源于教材，但不應(yīng)拘泥于課本的教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)該將知識(shí)的學(xué)習(xí)放在社會(huì)生產(chǎn)和發(fā)展、學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和學(xué)科歷史的大背景下；在學(xué)習(xí)方式上，不能局限于傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，而應(yīng)通過(guò)豐富多彩的多元化活動(dòng)，讓學(xué)生感受、參與和體驗(yàn)知識(shí)的形成；在教學(xué)目標(biāo)上，我們不應(yīng)單純追求知識(shí)的落實(shí)，而應(yīng)該從三維目標(biāo)上全面落實(shí)。