化學(xué)科學(xué)研究類情境在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用*

李美貴 鄧峰 余淞發(fā)

摘要： 基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，以高考試題中電化學(xué)試題、相關(guān)的化學(xué)科研成果以及實(shí)際應(yīng)用等素材為依據(jù)，在主題“電極反應(yīng)方程式”的教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)3個化學(xué)科學(xué)研究類情境，以期為化學(xué)情境教學(xué)的實(shí)踐提供新視角。

關(guān)鍵詞： 情境教學(xué); 化學(xué)科學(xué)研究; 燃料電池; 鋰空氣電池; 電極反應(yīng)式

文章編號： 10056629（2020）12004606

中圖分類號： G6338

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1設(shè)計(jì)緣起

創(chuàng)設(shè)情境是將課程知識與學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)、情感生命以及社會生產(chǎn)建構(gòu)聯(lián)系的一個過程。已有研究[1，2]發(fā)現(xiàn)，化學(xué)教學(xué)中主要通過生活案例、化學(xué)實(shí)驗(yàn)、科技與學(xué)術(shù)成果、化學(xué)史實(shí)、新舊知識間的聯(lián)系、背景知識、圖像、模型、動作、語言等方法創(chuàng)設(shè)情境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年版課標(biāo)中“科學(xué)研究”類素材有55個，這些素材選取化學(xué)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域前沿、熱點(diǎn)的成果，一方面突出化學(xué)研究在社會生活和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的應(yīng)用價值，另一方面這類情境素材與高中化學(xué)知識緊密聯(lián)系，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)知識的同時感受化學(xué)科學(xué)的發(fā)展與價值[3]，有助于發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

以研究者在化學(xué)領(lǐng)域探索的新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、新的功能物質(zhì)、新技術(shù)、新方向作為試題背景[4]，考查學(xué)生的能力與思維等綜合素質(zhì)，是高考重要命題方式之一。如2019年全國Ⅰ卷第10題情境來源于論文“Coexistence of Physisorbed and Solvated HCl at Warm Ice Surfaces”[5]，介紹HCl氣體在253K冰面上吸附和溶解過程。第28題第（3）問選自于我國化學(xué)學(xué)者發(fā)表在《Science》上的“Atomiclayered Au clusters on αMoC as catalysts for the lowtemperature watergas shift reaction”[6]一文，在單原子催化能量變化的情境中考查學(xué)生分析催化吸附機(jī)理及反應(yīng)過程的能量變化的能力。這種利用科技與學(xué)術(shù)成果創(chuàng)設(shè)的情境不僅具有現(xiàn)實(shí)意義，更能體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展方向。

電化學(xué)在“化學(xué)反應(yīng)原理”模塊中占有重要地位，也始終是高考試題的關(guān)注點(diǎn)。近幾年對電化學(xué)考查的內(nèi)容集中在電極反應(yīng)、電極符號、電池總反應(yīng)以及微粒、產(chǎn)物的有關(guān)計(jì)算等。其中電極反應(yīng)式是電化學(xué)知識學(xué)習(xí)中最重要的符號表征，是正負(fù)極判別、電子得失、環(huán)境分析的綜合應(yīng)用，是電子、離子的移動方向以及電化學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)。學(xué)生完成化學(xué)2與“化學(xué)反應(yīng)原理”第1章（均為魯科版）中原電池與電解池的基礎(chǔ)知識后，問卷調(diào)查結(jié)果顯示學(xué)生對“電極判斷、陰陽離子放電環(huán)境與介質(zhì)”等基礎(chǔ)知識掌握較好，主要困難在于“電極反應(yīng)式書寫與相關(guān)計(jì)算”方面。結(jié)合學(xué)生平時學(xué)習(xí)的表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生電極反應(yīng)式的學(xué)習(xí)困難主要由題目中的陌生情境所致，不能靈活遷移所學(xué)知識?；诖?，筆者嘗試以“電極反應(yīng)方程式”教學(xué)為例，挖掘科學(xué)研究成果類素材，創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，凸顯化學(xué)學(xué)科價值，提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

2設(shè)計(jì)實(shí)踐

2.1教學(xué)目標(biāo)

（1） 通過分析“電池示意圖”，提升圖文信息提取能力，克服陌生情境帶來的困難，發(fā)展獨(dú)立分析電極反應(yīng)環(huán)境、書寫電極反應(yīng)式等能力，建立電極反應(yīng)式的一般書寫思維模型。

（2） 通過練習(xí)書寫燃料電池與金屬空氣電池，歸納總結(jié)兩種電池的電極反應(yīng)式書寫的異同。

（3） 通過了解目前國內(nèi)外“電池”的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r，明確電池的最新研究方向，認(rèn)識電池在社會生產(chǎn)中的重要價值，認(rèn)同電化學(xué)在化學(xué)學(xué)科中的重要性。

2.2教學(xué)框架

以選科組合為“歷史+化學(xué)+生物”的高二學(xué)生為授課對象，選取電池在社會應(yīng)用、科研成果等方面的素材（主要涉及燃料電池與金屬空氣電池）作為情境，設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)框架如圖1所示。

2.3教學(xué)過程

[引入]呈現(xiàn)2張關(guān)于“電池”研究的圖片，分別是以“電池”和“battery”為關(guān)鍵詞在“中國知網(wǎng)”與“谷歌學(xué)術(shù)”上搜索的結(jié)果截圖。

[教師提問]從搜索結(jié)果上看，目前國內(nèi)外有關(guān)“電池”的研究熱點(diǎn)主要集中在哪幾個方面？

[學(xué)生回答]燃料電池、鋰電池、鋰離子電池。

設(shè)計(jì)意圖： 研究現(xiàn)狀的截圖旨在說明電化學(xué)知識在中學(xué)階段的重要性是有依據(jù)的，并非“為考而學(xué)”。電化學(xué)知識不僅在生活中應(yīng)用廣泛，在研究方面也不斷更新，且主要集中的點(diǎn)在燃料電池、鋰電池和鋰離子電池等。高考中對電化學(xué)的考查不僅具有現(xiàn)實(shí)意義，也符合未來學(xué)科的發(fā)展方向。

[教師設(shè)問]在之前的課程中學(xué)習(xí)的燃料電池主要是指氫氧燃料電池，那除氫氣外還有哪些常見的物質(zhì)可以做燃料電池？

[學(xué)生思考]甲烷、乙烷、甲醇、乙醇等。

2.3.1情境一： 關(guān)于甲醇燃料電池的科研成果

為驗(yàn)證上一環(huán)節(jié)學(xué)生推測甲醇、乙醇等可做燃料電池，選取發(fā)表在《自然能源》（JPS， Journal of Power Sources）上有關(guān)甲醇燃料電池論文中的圖片[7]作為情境（如圖2所示）。

[情境分析]圖片中的英文是陌生情境，但符號“-”“+”以及O2等都是熟悉的信息，且是突破電極方程式書寫的重要信息。另外需要提示學(xué)生圖片中“Proton exchange membrane”譯為質(zhì)子交換膜。

[教師設(shè)疑]根據(jù)圖中信息，分析出正、負(fù)極，判斷出環(huán)境的酸堿性。

[學(xué)生分析]觀察圖中氣體箭頭走向可推論出正極是氧氣，負(fù)極是甲醇。由提示的質(zhì)子交換膜，可分析出環(huán)境是堿性環(huán)境。

[教師追問]比較甲醇在酸性與堿性條件下氧化產(chǎn)物的區(qū)別。

[學(xué)生討論]酸性條件下甲醇的氧化產(chǎn)物是二氧化碳，但二氧化碳在堿性條件下會繼續(xù)反應(yīng)，從而推論出堿性條件下的產(chǎn)物是碳酸根。

[學(xué)生交流]書寫思路： 第一步分析出正、負(fù)極的反應(yīng)物，然后明確正極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極得到電子發(fā)生還原反應(yīng);第二步看環(huán)境是酸性還是堿性，從而確定電極反應(yīng)產(chǎn)物;最后根據(jù)得失電子守恒與元素守恒等配平方程式，完成方程式的書寫。

[師生歸納]電極反應(yīng)方程式的書寫模型： 分正負(fù)、明得失;看環(huán)境、找產(chǎn)物;配守恒、寫反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖： 以化學(xué)科研成果作為真實(shí)素材，設(shè)置一定的陌生情境，留給學(xué)生突破點(diǎn)（腳手架），根據(jù)圖文信息分析得出電池的基本概況。通過學(xué)生上臺書寫電極反應(yīng)式，梳理書寫思路。共同總結(jié)出電極反應(yīng)式書寫的一般模型： 分正負(fù)、明得失;看環(huán)境、找產(chǎn)物;配守恒、寫反應(yīng)。

[情境應(yīng)用]（根據(jù)論文情境編制試題）甲醇燃料電池（DMFC）可用于筆記本電腦、汽車、遙感通訊設(shè)備等，電解質(zhì)是質(zhì)子交換膜。氧氣在電極上的反應(yīng)是O2+4H++4e-2H2O。下列敘述中不正確的是（）。

A 負(fù)極的反應(yīng)式為CH3OH+H2O-6e-CO2↑+6H+

B 電池的總反應(yīng)式是2CH3OH+3O22CO2+4H2O

C 電池工作時，H+由正極移向負(fù)極

D 電池工作時，電子從通入甲醇的一極流出，經(jīng)外電路流入通氧氣的一極

設(shè)計(jì)意圖： 提取文中信息設(shè)置相關(guān)題目，一則鞏固知識，二則讓學(xué)生學(xué)會利用情境信息解決問題。

[教師追問]按照上述思路寫出乙烷燃料電池在酸性與堿性條件下的電極反應(yīng)方程式。

[學(xué)生練習(xí)]模型應(yīng)用、練習(xí)鞏固，查漏補(bǔ)缺。

[情境拓展]氫氧燃料電池（燃料電池）的實(shí)際應(yīng)用成果介紹[8，9]。提供資料： （1）氫氧燃料電池汽車的優(yōu)點(diǎn);（2）氫氧燃料電池汽車國外市場;（3）數(shù)據(jù)顯示截至2018年底我國氫氧燃料電池汽車、加氫站、政策等方面信息。

[教師引導(dǎo)]從燃料本身的性質(zhì)（化學(xué)知識）以及外在條件，如環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、政策等（方法視角）兩方面分析影響燃料電池在我國發(fā)展的因素。

[學(xué)生討論]制備氫氣技術(shù)難、儲存運(yùn)輸危險、開拓市場需要經(jīng)濟(jì)支撐……

[教師解疑]當(dāng)前燃料電池汽車主要是以氫能為主要驅(qū)動力，制氫、儲氫以及加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本高昂（有數(shù)據(jù)體現(xiàn)），加之我國國土面積大，鋪設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施難度大，所以暫時沒有把重心傾斜到發(fā)展氫氧燃料電池汽車上面[10，11]。

設(shè)計(jì)意圖： 從化學(xué)的角度解釋燃料電池的優(yōu)勢，感受研究燃料電池的必要性。通過呈現(xiàn)國內(nèi)外燃料電池汽車存在的數(shù)據(jù)差異，引發(fā)學(xué)生從2個角度思考其中的原因。最后突出燃料電池電動產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的分布、成本以及國情對市場的影響，解疑答惑！拓展部分知識難度不大，但主要目的是為了培養(yǎng)學(xué)生的思考分析能力，同時激發(fā)學(xué)生關(guān)注化學(xué)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的興趣。

[教師設(shè)問]燃料電池不是新能源電動汽車的主要供電源。目前我國新能源電動汽車（綠色牌照）主要是由什么供能？

[學(xué)生回答]鋰電池和鋰離子電池。

2.3.2情境二： 關(guān)于鋰空氣電池的學(xué)術(shù)論文

以材料行業(yè)頂尖雜志——《自然材料》（nature materials）上關(guān)于鋰空氣電池的論文[12]中的圖片為背景（如圖3所示）。

[情境分析]論文中出現(xiàn)的電池模型（共4個）均在高考中出現(xiàn)過。鑒于課時與學(xué)生基礎(chǔ)，本課例主要分析圖3呈現(xiàn)的鋰空氣電池（其中2個）。兩個正負(fù)極材料相同，但由于電解質(zhì)差異，導(dǎo)致產(chǎn)物不一樣。

[教師引導(dǎo)]從電池的正負(fù)極材料、電解質(zhì)、電子流向等方面觀察兩個電池模型的異同點(diǎn)，并思考原因。

[學(xué)生觀察]同： 鋰O2電池;異： 電池中的電解質(zhì)不一樣，產(chǎn)物不一樣。

[教師釋疑]前者電解質(zhì)是有機(jī)電解質(zhì)（Organic electrolyte），和鋰接觸不反應(yīng)。后者是水溶液介質(zhì)（Aqueous electrolyte），為了避免鋰和水溶液反應(yīng)，所以中間有其他物質(zhì)隔開。

[教師歸納]負(fù)極電極反應(yīng)式獨(dú)立完成。正極電極反應(yīng)書寫思路： 根據(jù)信息寫好反應(yīng)物O2，得到電子，生成產(chǎn)物L(fēng)i2O2，然后根據(jù)得失電子元素守恒配平得到： O2+2e-+2Li+Li2O2。依據(jù)此思路書寫第2個正極反應(yīng)式。

[學(xué)生書寫]按照上述思路，書寫O2+4e-+2H2O+4Li+4LiOH。

設(shè)計(jì)意圖： 此處重點(diǎn)在于讓學(xué)生從熟悉信息出發(fā)，克服陌生情境帶來的困擾，掌握2個電池模型的正極反應(yīng)式，難點(diǎn)在于需要用負(fù)極產(chǎn)物來配平反應(yīng)式，所以教師引導(dǎo)書寫第1個正極反應(yīng)式尤為重要。鋰電池與鋰離子電池生產(chǎn)應(yīng)用廣泛，不僅是研究的熱點(diǎn)，也是高考考查的重點(diǎn)。學(xué)習(xí)這方面的知識，可以讓學(xué)生了解現(xiàn)在所學(xué)具有現(xiàn)實(shí)意義，且符合學(xué)科發(fā)展趨勢。

[情境應(yīng)用]選題自2018年全國卷Ⅲ11。

一種可充電鋰空氣電池如圖4所示。當(dāng)電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（x=0或1）。下列說法正確的是（）

A 放電時，多孔碳材料電極為負(fù)極

B 放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極

C 充電時，電解質(zhì)溶液中Li+向多孔碳材料區(qū)遷移

D 充電時，電池總反應(yīng)為Li2O2-x2Li+（1-x2）O2↑

設(shè)計(jì)意圖： 一方面是鞏固前面知識點(diǎn)，另一方面追根溯源高考試題情境。顯化思想： 高考試題的情境不是憑空而來，而是基于實(shí)際應(yīng)用與學(xué)科發(fā)展。

[過渡]除了鋰空氣電池之外，還有部分研究者致力于其他金屬空氣電池。思考： 其他金屬可以是什么？提示： 在金屬活動性順序表中能與空氣（氧氣）自發(fā)反應(yīng)的金屬。

[學(xué)生]Mg、 Zn、 Al等金屬可考慮設(shè)計(jì)成金屬空氣電池。

2.3.3情境三： 關(guān)于鋅空氣電池的學(xué)術(shù)論文

展現(xiàn)清華大學(xué)汽車安全與能源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)表在《應(yīng)用能源》（Applied Energy）上的論文[13]圖片（如圖5所示），以之作為真實(shí)情境。

[情境分析]此情境中顯化“可充電電池”的兩個回路，引導(dǎo)學(xué)生可通過電子流向、比較反應(yīng)物和生成物、區(qū)分負(fù)載和電源等3個方面進(jìn)行分析，判斷出放電與充電回路。

[教師引導(dǎo)]圖5與前面的電池模型有所不同，上下有兩條線路。從電池的基本知識出發(fā)分析該示意圖，判斷放電回路與充電回路。

[學(xué)生匯報(bào)]O2是正極，Zn是負(fù)極;負(fù)極失去電子，正極得到電子;上面有燈泡，下面是電源等可以說明上半部分是放電回路，下半部分是充電回路。

[教師總結(jié)]正負(fù)極、得失電子與產(chǎn)物均已分析出，嘗試按照鋰空氣電池的書寫思路寫出正、負(fù)極電極反應(yīng)式。

[學(xué)生展示]書寫負(fù)極： Zn-2e-Zn2-;正極： O2+4e-+2H2O4OH-

設(shè)計(jì)意圖： 創(chuàng)設(shè)“鋅空氣電池”情境的目的： （1）鋰空氣電池的鞏固與遷移。（2）證實(shí)前面的猜測： 根據(jù)金屬活動性順序表與原電池自發(fā)性原則猜測的Mg/Zn/Al空氣電池是的確存在的。在一定程度上預(yù)知“金屬空氣電池”的大致范圍，讓學(xué)生體會到這種模型的適用性。（3）多角度分析判斷兩個回路，體會電池的陌生情境存在多個已知的問題突破點(diǎn)。

[情境應(yīng)用]選自2016年全國卷Ⅲ11題。

鋅空氣燃料電池可用作電動車動力電源，電池的電解質(zhì)溶液為KOH溶液，反應(yīng)為2Zn+O2+4OH-+2H2O2Zn（OH）2-4。下列說法正確的是（）

A 充電時，電解質(zhì)溶液中K+向陽極移動

B 充電時，電解質(zhì)溶液中c（OH-）逐漸減小

C 放電時，負(fù)極反應(yīng)為： Zn+4OH--2e-Zn（OH）2-4

D 放電時，電路中通過2mol電子，消耗氧氣22.4L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）

3實(shí)踐反思

本課例以“電化學(xué)的研究成果”為載體凸顯情境創(chuàng)設(shè)在教學(xué)中的應(yīng)用。知識的情境化是活化知識并轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的重要途徑，解決知識與背景、理論與實(shí)踐、文字符號與實(shí)際事物之間的關(guān)系問題。譬如，“情境一”以激發(fā)學(xué)生了解電池的應(yīng)用為目的，呈現(xiàn)“燃料電池目前發(fā)展情況”這一實(shí)際社會情境，共同培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的素養(yǎng)。而依據(jù)3篇論文創(chuàng)設(shè)的情境，旨在幫助學(xué)生建構(gòu)燃料電池、金屬空氣電池的電極反應(yīng)式的書寫思維模型。依據(jù)電池圖示中熟悉的信息來推斷正負(fù)極、反應(yīng)環(huán)境、充放電等可以培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)。因此，在實(shí)際的教學(xué)中可合理創(chuàng)設(shè)多樣化情境促進(jìn)落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的理念。課后學(xué)生表示本節(jié)課不僅深化學(xué)習(xí)了電極方程式的書寫，還體會到了高考考查內(nèi)容的深厚寓意，感受到書本知識、研究成果以及實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系，這正是本節(jié)課教學(xué)的重要目標(biāo)。

值得注意的是，在具體實(shí)施的過程中教師需要根據(jù)學(xué)生實(shí)際狀況選擇性地呈現(xiàn)情境的種類與深廣度。譬如，若學(xué)生基礎(chǔ)較好，可以將情境二（見文獻(xiàn)13）中另外2個鋰硫電池模型也作為情境之一;亦或以2019年化學(xué)諾貝爾獎項(xiàng)目（鋰離子電池）作為素材，增加鋰離子電池模型;對于信息化程度較高的學(xué)校，可引導(dǎo)學(xué)生課后收集資料，思考與分析鋰電池與鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用中情況有何差異及其主要原因等。

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