“化學(xué)核心素養(yǎng)”引領(lǐng)高三復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計(jì)的嘗試與思考

楊劍花

一、什么是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)？

高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組根據(jù)“中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)（征求意見(jiàn)稿）”和高中化學(xué)課程特點(diǎn)，提出了包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”、“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”、“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”、“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”等五個(gè)要素的高中化學(xué)核心素養(yǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“化學(xué)核心素養(yǎng)”）。

關(guān)于化學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的真正落腳點(diǎn)在哪里，應(yīng)該如何在實(shí)際教學(xué)中將該核心素養(yǎng)融入其中，對(duì)于核心素養(yǎng)的五大要素在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)和不同的教學(xué)內(nèi)容中又是如何真正得以實(shí)現(xiàn)并落實(shí)……等等，都必須通過(guò)我們的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)不斷地去研究與探索、提煉與總結(jié)。本文通過(guò)“原電池原理及應(yīng)用”一輪復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計(jì)為例，闡述筆者對(duì)核心素養(yǎng)某些要素的理解與實(shí)踐。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)思路

“原電池原理及應(yīng)用”高三復(fù)習(xí)課主要包括以下知識(shí)點(diǎn)：原電池工作原理，常見(jiàn)的化學(xué)電源和金屬的腐蝕及防護(hù)。這三塊內(nèi)容涉及的知識(shí)本質(zhì)上均是原電池的原理。本節(jié)課在設(shè)計(jì)時(shí)以金屬的腐蝕引入并復(fù)習(xí)原電池的工作原理，通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，嘗試將該反應(yīng)設(shè)計(jì)成金屬-空氣電池，由金屬-空氣電池→鋰-空氣電池→鋰金屬電池→鋰離子電池為主線，在電池的設(shè)計(jì)和改進(jìn)過(guò)程中，體會(huì)化學(xué)學(xué)科的價(jià)值，體會(huì)科學(xué)家的思維脈絡(luò)，激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)、將科學(xué)知識(shí)原理應(yīng)用于生產(chǎn)、生活及科技領(lǐng)域的強(qiáng)烈愿望，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、教學(xué)過(guò)程

情景創(chuàng)設(shè)：課件展示鋼鐵腐蝕的圖片，全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失占GDP的2%～4%，超過(guò)所有自然災(zāi)害造成損失的總和，導(dǎo)致極大的浪費(fèi)。

問(wèn)題一：寫(xiě)出鋼鐵腐蝕過(guò)程的總反應(yīng)方程式（4Fe+3O2+2nH2O=2Fe2O3·nH2O）

問(wèn)題二：雖然以上反應(yīng)導(dǎo)致鋼鐵生銹而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，但是換個(gè)角度思考該反應(yīng)是否有利用價(jià)值，從物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化兩個(gè)角度思考？

從物質(zhì)轉(zhuǎn)化角度看：該反應(yīng)中鐵粉可用于封閉環(huán)境中吸收氧氣，比如用作食品脫氧劑等

從能量轉(zhuǎn)化角度看：可以利用該反應(yīng)的熱能，如市售的暖寶寶、自熱食品等

展示暖寶寶和自熱食品圖片及配料表，共同配料：鐵粉、活性炭、氯化鈉、水

追問(wèn)：里面的發(fā)熱包是怎么做到快速放熱的？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生一分為二看問(wèn)題，讓學(xué)生建立研究反應(yīng)的兩種角度，物質(zhì)變化和能量變化，即化學(xué)核心素養(yǎng)中的“變化觀念”

問(wèn)題三：既然暖寶寶和自熱食品涉及的是原電池反應(yīng)，但最終化學(xué)能還是轉(zhuǎn)化為熱能，說(shuō)明缺少合適的裝置將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，請(qǐng)大家設(shè)計(jì)一套裝置將上述反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。該裝置是如何將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能？分析該電池的工作原理，寫(xiě)出電極反應(yīng)式，總反應(yīng)式。

練習(xí)1：金屬（M）–空氣電池（如下圖）具有原料易得、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新能源汽車(chē)和移動(dòng)設(shè)備的電源。該類(lèi)電池放電的總反應(yīng)方程式為：4M+nO2+2nH2O=4M（OH）n。思考并回答以下問(wèn)題：

1.采用多孔電極的目的是什么？

（提高電極與電解質(zhì)溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴(kuò)散至電極表面）

2.該電池工作時(shí)內(nèi)電路中離子如何移動(dòng)？如果去掉陰離子交換膜，離子又如何移動(dòng)？

3.在Mg–空氣電池中，為防止負(fù)極區(qū)沉積Mg（OH）2，應(yīng)采用什么離子交換膜？

4.M–空氣電池放電過(guò)程的正極反應(yīng)式如何書(shū)寫(xiě)？

設(shè)計(jì)目的：鞏固原電池工作原理分析，突破離子交換膜的應(yīng)用

問(wèn)題四：上述金屬—空氣電池是一次性電池，不可再充電，放電完全后只能更換負(fù)極板。美國(guó)佛羅里達(dá)州設(shè)計(jì)的一款電動(dòng)汽車(chē)，電源就用鋁做負(fù)極，更換一次負(fù)極板可以行使1600公里。為什么用鋁-空氣電池而不用鐵-空氣電池？

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)計(jì)輕而容量大的電池是人類(lèi)追求的目標(biāo)，但負(fù)極反應(yīng)物的選擇不是盲目的，在目前已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生應(yīng)該建立一個(gè)有序思維模型。模型認(rèn)知能力是以后解決眾多問(wèn)題的一個(gè)重要能力。真實(shí)地電池研發(fā)同時(shí)還受制于材料的開(kāi)發(fā)，學(xué)生通過(guò)化學(xué)史感知科學(xué)研究的不易。

學(xué)生很快意識(shí)到應(yīng)該提高單位質(zhì)量電池的容量，應(yīng)該尋找單位質(zhì)量提供電子物質(zhì)的量最大的金屬。例如Zn：65克～2mole—;Fe：56克～2mole—;Al：27克～3mole—。根據(jù)此思路可以將常見(jiàn)金屬提供1mol電子所需質(zhì)量（克）由大到小排列：

BeLiAlMgCaNaFe....

4.57912202328....

在電池工業(yè)上，用比容量（單位質(zhì)量的電極材料能釋放出的最大電能）來(lái)衡量電極的容量。鈹及其化合物毒性大，不適合做電極，目前比容量最大的是鋰，所以現(xiàn)在手機(jī)等便攜式的設(shè)備多用鋰電池。其次是鋁，鋁的價(jià)格便宜，安全性好，比容量大，所以鋁—空氣電池經(jīng)常用作航海航標(biāo)燈、水下潛艇等的電源。

練習(xí)2：鋰—空氣電池的放電原理如圖（隔膜只允許鋰離子通過(guò)），電池放電時(shí)的反應(yīng)可表示為：4Li+O2+2H2O=4LiOH。思考并回答以下問(wèn)題：

1.寫(xiě)出負(fù)極電極反應(yīng)式？

2.鋰常用于制作電池主要是因?yàn)槭裁矗?/p>

3.放電時(shí)，內(nèi)電路中Li+如何移動(dòng)？

4.為什么負(fù)極去用有機(jī)電解液，而不用水性電解液？

5.若去掉隔膜和有機(jī)電解液，電池反應(yīng)會(huì)不會(huì)改變？

6.以上鋰-空氣電池的致命缺陷在哪里？

（有機(jī)電解液一般是用碳酸酯類(lèi)溶劑，溶解LiClO4、LiPF6等鋰鹽;隔膜允許Li+通過(guò)）

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)一步強(qiáng)化原電池工作原理，電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)及離子移動(dòng)方向

以上鋰—空氣電池有個(gè)致命缺陷就是生成的LiOH會(huì)在正極上堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導(dǎo)致放電停止。因此鋰—空氣電池目前仍在開(kāi)發(fā)中，市場(chǎng)上還買(mǎi)不到。

改進(jìn)：正極活性物質(zhì)改為金屬氧化物或其他固體、液體氧化劑，比如鋰二氧化錳Li/MnO2電池主要應(yīng)用于照相機(jī)以及電子儀器設(shè)備的記憶電源，鋰亞硫酰氯Li/SOCl2電池主要應(yīng)用于需要較大功率的無(wú)繩電動(dòng)工具的電源等。

展示鋰-二氧化錳電池、鋰-亞硫酰氯電池的用途，電極材料，總反應(yīng)式和電極反應(yīng)式。

鋰電池具有比能量高、壽命長(zhǎng)、耐漏液等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用在手機(jī)、筆記本電腦上，但由于鋰的化學(xué)性質(zhì)太活潑，帶來(lái)極高的危險(xiǎn)性，安全性較差。若電池外殼稍微裂開(kāi)，空氣漏進(jìn)去，容易和鋰反應(yīng)放熱而爆炸;或者電池廠商為提升電池的能量密度，使用了較薄的隔膜，不能有效隔離正負(fù)極，進(jìn)而引發(fā)電池的短路而爆炸等。

改進(jìn)：用石墨作負(fù)極，鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等含鋰化合物材料作正極，研究表明這些材料的結(jié)構(gòu)中形成了納米級(jí)的細(xì)小微孔，可用來(lái)儲(chǔ)存鋰離子，這樣一來(lái)，即使電池外殼破裂，氧氣進(jìn)入，由于氧分子太大進(jìn)不了這些細(xì)小的微孔中，使得鋰不會(huì)和氧氣接觸而避免爆炸。而且石墨作負(fù)極材料無(wú)毒，且資源充足，鋰離子嵌入碳中，克服了鋰的高活性，解決了上述鋰電池存在的安全問(wèn)題。此類(lèi)電池稱(chēng)為鋰離子電池。鋰離子電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。當(dāng)電池放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰失電子生成離子脫出，經(jīng)過(guò)電解液、隔膜運(yùn)動(dòng)到正極，并嵌入到正極材料的微孔中;當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)則相反，電池的正極上有鋰離子脫出，經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，嵌入到碳層的微孔中。在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等物質(zhì)的量的電子的轉(zhuǎn)移。如下圖所示：

練習(xí)3：現(xiàn)如今太陽(yáng)能電池已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，現(xiàn)代四大發(fā)明之一的共享單車(chē)也用上了太陽(yáng)能電池。哈羅單車(chē)前面載物籃的底座就是太陽(yáng)能電池，電極材料是LixC6/LiCoO2，太陽(yáng)能電池的原理如圖所示，放電時(shí)正極反應(yīng)為xLi++xe-+Li（1-x）CoO2==LiCoO2，下列說(shuō)法不正確的是（）

A.陽(yáng)光照射該電池時(shí)，能量轉(zhuǎn)化過(guò)程：太陽(yáng)能→電能→化學(xué)能

B.光照時(shí)負(fù)極的質(zhì)量減少C.太陽(yáng)能電池板材料是Si

D.開(kāi)鎖時(shí)，電池總反應(yīng)為L(zhǎng)i1-xCoO2+LixC6==LiCoO2+6C

講述：我們班的林楷睿同學(xué)在今年5月份獲得69屆英特爾國(guó)際工程和科學(xué)大獎(jiǎng)賽二等獎(jiǎng)，他的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目《基于硬碳/石墨混合正極的鉀雙離子電池》，該電池是在鋰離子電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，下面請(qǐng)楷睿同學(xué)講講他的電池工作原理以及相比鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)。

楷睿同學(xué)上臺(tái)分享他的科技成果。介紹鉀雙離子的電極材料，有機(jī)電解液，工作原理，以及改進(jìn)后的優(yōu)勢(shì)。

鉀雙離子的優(yōu)勢(shì)在于用硬碳/石墨代替鈷酸鋰等含鋰化合物做正極，極大地降低了成本，而且也沒(méi)有了鈷等元素的污染，體現(xiàn)了綠色化學(xué)的思想?？５姆窒恚屚瑢W(xué)們更加覺(jué)得創(chuàng)新離我們很近，化學(xué)的應(yīng)用并不是遙不可及，希望將來(lái)我們班能有一些同學(xué)從事這方面的研究，為國(guó)家的科技發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

結(jié)語(yǔ)：金屬的腐蝕是生活中的普遍現(xiàn)象，這是一個(gè)真實(shí)情景，每個(gè)學(xué)生都有切身體會(huì)，借助“金屬的腐蝕”能讓學(xué)生感知真實(shí)的化學(xué)。本節(jié)課的復(fù)習(xí)過(guò)程中嘗試培養(yǎng)學(xué)生“宏觀—微觀—符號(hào)”相結(jié)合的方式表征化學(xué)反應(yīng)的素養(yǎng)，讓學(xué)生形成物質(zhì)在一定條件下可發(fā)生變化，變化的過(guò)程遵循能量守恒的觀念。將金屬腐蝕反應(yīng)設(shè)計(jì)成金屬-空氣電池，利用原電池模型分析鋰電池工作原理，在一系列電池的設(shè)計(jì)與改進(jìn)的過(guò)程中體會(huì)化學(xué)學(xué)科的思維脈絡(luò)，對(duì)原電池本職屬性的認(rèn)知建構(gòu)起解決原電池問(wèn)題的認(rèn)知模型，體現(xiàn)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)核心素養(yǎng);通過(guò)鋰離子電池電極材料微觀結(jié)構(gòu)分析，體現(xiàn)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的化學(xué)核心素養(yǎng);通過(guò)化學(xué)電源鋰電池的應(yīng)用、改進(jìn)、發(fā)展的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)、發(fā)現(xiàn)科學(xué)美并將科學(xué)知識(shí)原理運(yùn)用于生產(chǎn)、生活及科技領(lǐng)域的強(qiáng)烈愿望，體現(xiàn)“科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任”化學(xué)核心素養(yǎng)。整節(jié)課通過(guò)一些列問(wèn)題以及練習(xí)的解決使學(xué)生保持對(duì)物質(zhì)及其變化的好奇和探究欲望，培養(yǎng)學(xué)生積極探索科學(xué)問(wèn)題的熱情和解決生產(chǎn)生活中的化學(xué)問(wèn)題的擔(dān)當(dāng)和能力，突出化學(xué)科學(xué)對(duì)提高人類(lèi)生活質(zhì)量和促進(jìn)讓人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的價(jià)值。