從果蔬電池到電池環(huán)保的再認(rèn)識(shí)科技創(chuàng)新項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

孫秋紅

項(xiàng)目背景

在參加水果發(fā)電的社會(huì)體驗(yàn)活動(dòng)中，學(xué)生因“實(shí)驗(yàn)后的水果能不能吃”產(chǎn)生了爭論。真情境中的真問題、學(xué)科知識(shí)不足、環(huán)保觀念滯后，在生活—課程—社會(huì)之間建立起聯(lián)系，組成了一個(gè)很有價(jià)值的研究項(xiàng)目。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)

項(xiàng)目圍繞“果蔬為什么能發(fā)電”展開探究實(shí)踐活動(dòng)，適于在小學(xué)中高年級(jí)和初中年級(jí)開展，內(nèi)容涉及制作果蔬電池、測量果蔬發(fā)電能力、測量果蔬pH 值、分析果蔬電池發(fā)電原理、家庭實(shí)踐、宣講推廣等環(huán)節(jié)。

項(xiàng)目實(shí)施

任務(wù) 1. 開展問卷調(diào)查，聚焦核心問題

為了準(zhǔn)確了解學(xué)生對(duì)水果發(fā)電及廢舊電池處理等方面的關(guān)注度和認(rèn)知度，聚焦問題核心，開展小學(xué)生對(duì)水果電池和廢舊電池的認(rèn)知情況調(diào)查活動(dòng)。

● 查找資料，設(shè)計(jì)問卷組織學(xué)生查閱相關(guān)資料，走訪學(xué)生和家長，收集、匯總電路知識(shí)、水果發(fā)電、電池種類、國家政策4 個(gè)方面的內(nèi)容，歸納整理后設(shè)計(jì)問卷。

● 網(wǎng)絡(luò)編輯，發(fā)布問卷組織學(xué)生分工合作，利用“問卷星”平臺(tái)編輯問卷，將問卷鏈接、二維碼發(fā)送到家長微信群。

● 收集問卷，歸納整理學(xué)生收集調(diào)查問卷，按類型歸納整理。

● 統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確立主題指導(dǎo)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，梳理結(jié)果，提取最受關(guān)注的問題并確立研究方向：①發(fā)電后的水果能不能吃，為什么？②垃圾站不負(fù)責(zé)回收廢舊電池，怎么辦？③環(huán)保電池?zé)o污染，有哪些？

任務(wù) 2. 創(chuàng)設(shè)情境，提出有價(jià)值的問題

● 制作果蔬電池，點(diǎn)亮LED 二極管

學(xué)生將銅片、鋅片豎直插入果蔬，注意2 個(gè)金屬片不能接觸，從1 個(gè)果蔬電池開始實(shí)驗(yàn)，并觀察LED 發(fā)光情況，然后逐漸增加到4個(gè)。同時(shí)，記錄LED 發(fā)光的不同情況，畫出電路圖。LED 點(diǎn)亮的過程就是學(xué)生思維發(fā)展、問題碰撞、概念形成的過程，串聯(lián)、LED 單向?qū)щ娦?、果蔬電池正?fù)極等知識(shí)難點(diǎn)也在探索過程中被逐一破解。

● 梳理問題，分解任務(wù)

各組匯報(bào)交流，互動(dòng)答疑，梳理歸納4 個(gè)問題：水果為什么能發(fā)電？水果發(fā)電后為什么不能吃？水果越多發(fā)電能力越大嗎？ 4 個(gè)水果電池能點(diǎn)亮2 個(gè)LED 小燈嗎？提出問題是科學(xué)探究的導(dǎo)入階段，學(xué)生需在觀察、類比、分析、發(fā)散等思維范式的基礎(chǔ)上抽取、識(shí)別并明確可探究的問題；教師提供輔助性材料和學(xué)習(xí)方法，幫助學(xué)生感知問題的實(shí)際價(jià)值，構(gòu)建學(xué)習(xí)的意義，引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)和歸納可探究科學(xué)問題的特征。

在梳理問題的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生提出研究思路，比如要用工具測量果蔬電池的發(fā)電能力，選取酸的、甜的、水分多的、水分少的果蔬，2個(gè)LED 小燈要正負(fù)極連接，還需要查閱資料等，在討論交流過程中滲透實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

任務(wù) 3. 測量果蔬電池電壓，在實(shí)踐中迭代提升

● 使用指針式電壓表測量電壓

從熟悉的家電入手，幫助學(xué)生了解電壓。通過閱讀干電池上的說明，尋找家用電器上的標(biāo)簽，發(fā)現(xiàn)1.5 V、220 V 的標(biāo)注，了解電壓代表供電能力。

教師提供的紅色LED 發(fā)光二極管電壓是1.8 V，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1 節(jié)果蔬電池不能點(diǎn)亮紅色LED 發(fā)光二極管，學(xué)生據(jù)此推測，1 節(jié)果蔬電池電壓小于1.8 V，串聯(lián)電池越多電壓越高，供電能力越強(qiáng)，LED 小燈越亮。

使用指針式電壓表測量不同果蔬的電壓。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，果蔬電池?cái)?shù)量增加時(shí)，有的電壓增大，有的電壓不變，有的還會(huì)瞬間降低，這與串聯(lián)電池越多LED 越亮的推論相矛盾。首先確認(rèn)電壓表有無問題，然后在上網(wǎng)查找資料，并向物理教師請(qǐng)教，最終決定將電壓表替換為數(shù)字萬用表。

● 使用數(shù)字萬用表測量電壓

學(xué)生使用數(shù)字萬用表測量果蔬電池串聯(lián)時(shí)的電壓發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)果蔬電池越多，電壓越大，基本成倍數(shù)增加 ；果蔬不同，電池的電壓也不同，檸檬、蘋果電池電壓較高，胡蘿卜電池的電壓較低。結(jié)論：紅色LED 發(fā)光二極管的電壓為1.8 V，1 個(gè)果蔬電池不能點(diǎn)亮LED 發(fā)光二極管；2 個(gè)果蔬電池的電壓在1.8 V左右，能為LED 供電，但光很弱；隨著果蔬電池?cái)?shù)量串聯(lián)增加，電壓變高，LED 小燈越來越亮；4 個(gè)果蔬電池串聯(lián)后，當(dāng)電壓大于3.6 V時(shí)，能點(diǎn)亮串聯(lián)的2 個(gè)LED 小燈。

提出疑問：為什么用電壓表和萬用表測得的結(jié)果差距很大呢？

從網(wǎng)上查找資料得知：水果電池內(nèi)阻很大，數(shù)字萬用表的電壓擋內(nèi)阻更大，因此能比較準(zhǔn)確地測量出電路電壓；指針式電壓表的電壓擋內(nèi)阻比數(shù)字萬用表小，因此測出的數(shù)值偏低。

任務(wù) 4. 測量果蔬 pH值

學(xué)生通過觀看視頻學(xué)習(xí)測量pH 值的方法，測量實(shí)驗(yàn)用果蔬的pH 值。將果蔬pH 值與電壓數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)pH 值越小的果蔬電池電壓越高。但是，酸度指的是果蔬汁中氫離子濃度指數(shù)，而不是口味。那么，為什么酸性果蔬的發(fā)電能力強(qiáng)呢？

任務(wù) 5. 分析果蔬電池發(fā)電原理

學(xué)生將果蔬電池和干電池放在一起觀察比較，發(fā)現(xiàn)銅片、鋅片與果蔬接觸部分有細(xì)微變色，相當(dāng)于電池的銅帽和鋅皮，果汁相當(dāng)于電池中的電解液，學(xué)生猜想電流從果蔬正極銅片流向負(fù)極鋅片，但不清楚電是怎么產(chǎn)生的。

教師向?qū)W生征集問題，整理為“水果蔬菜電池為什么能發(fā)電”“發(fā)電后的水果能不能吃”“電池分為哪幾類”“廢舊電池怎么處理”4個(gè)問題，指導(dǎo)學(xué)生在信息課上進(jìn)行查詢。

學(xué)生在科學(xué)課上交流分享，由教師進(jìn)行補(bǔ)充解釋，了解到水果中含有大量糖類、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸等物質(zhì)，其中的有機(jī)酸起到了電解質(zhì)的作用。水果中的銅片和鋅片通過電解質(zhì)和導(dǎo)線構(gòu)成閉合回路，銅片置換出果酸中的氫離子產(chǎn)生正電荷，鋅片失去電子產(chǎn)生負(fù)電荷，電子在電解質(zhì)作用下發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電流，LED 燈發(fā)光，果蔬中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。電極在電池放電過程中會(huì)釋放出金屬離子，因此做過實(shí)驗(yàn)的果蔬不能食用。

我國法規(guī)要求干電池?zé)o汞化生成，1 號(hào)、5 號(hào)、7 號(hào)電池可隨生活垃圾一同丟棄，但紐扣電池、手機(jī)舊電池、電動(dòng)車的鉛酸電池等均含有重金屬，應(yīng)放入有害垃圾回收桶或進(jìn)行專項(xiàng)回收。關(guān)于如何處理廢舊紐扣電池，教師鼓勵(lì)學(xué)生向生態(tài)環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行咨詢。

任務(wù) 6. 學(xué)以致用，制作家庭紅綠燈

在學(xué)生具備了相關(guān)知識(shí)和技能后，給學(xué)生布置居家制作紅綠燈的任務(wù)。教師提前將導(dǎo)線、相同電壓的三色LED 發(fā)光二極管、1 個(gè)八寶粥罐的蓋子發(fā)給學(xué)生，周六日與家長一起制作紅綠燈，制作完成后上傳視頻，展示自己的成果。要求學(xué)生在制作過程中掌握1 個(gè)開關(guān)控制3 盞燈交替亮滅的方法，感受電池串聯(lián)電壓增大的科學(xué)原理。

任務(wù) 7. 總結(jié)宣講，強(qiáng)化責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識(shí)

教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧3 個(gè)月來果蔬電池研究進(jìn)展，并通過觀看視頻了解“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃、“碳達(dá)峰”行動(dòng)等國家政策，激勵(lì)學(xué)生樹立科學(xué)志向、做一名生態(tài)文明建設(shè)者的美好愿望。

項(xiàng)目結(jié)束2 個(gè)月后，學(xué)生收到了保定市生態(tài)環(huán)境局的回信，學(xué)生激情高漲，紛紛加入宣講團(tuán)，到學(xué)校不同班級(jí)分享、交流研究成果，并發(fā)出倡議，將科學(xué)學(xué)習(xí)的種子撒遍學(xué)校，向近千名同學(xué)傳遞了環(huán)保知識(shí)和社會(huì)責(zé)任，激勵(lì)青少年樹立生態(tài)文明建設(shè)理念。

該項(xiàng)目參與了第36 屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科教創(chuàng)新成果線上交流活動(dòng)