借助高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)提升學(xué)科核心素養(yǎng)

學(xué)科核心素養(yǎng)作為教育改革內(nèi)容之一，成為當(dāng)前的熱點(diǎn)話題?；瘜W(xué)作為一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑之一。此外，高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)科學(xué)思維、探究能力和創(chuàng)新意識(shí)的重要途徑，還是學(xué)生獲取化學(xué)知識(shí)與技能的有效方式。鑒于此，筆者結(jié)合新課標(biāo)要求，選擇了高中階段的化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“制作簡(jiǎn)單的燃料電池”，從知識(shí)與技能、思維與方法、探究與創(chuàng)新、態(tài)度與責(zé)任等多個(gè)維度深入探討了化學(xué)實(shí)驗(yàn)如何助力學(xué)生的全面發(fā)展。

一、教學(xué)內(nèi)容

本次教學(xué)以人教版高中化學(xué)選擇性必修1實(shí)驗(yàn)活動(dòng)5“制作簡(jiǎn)單的燃料電池\"為例。該實(shí)驗(yàn)涵蓋了氧化反應(yīng)、離子反應(yīng)、電化學(xué)等內(nèi)容，以“制作簡(jiǎn)單的燃料電池\"為媒介，將“回顧—設(shè)計(jì)—制作一總結(jié)\"四個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)起來，并通過創(chuàng)設(shè)情境、理解講解、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、總結(jié)反思等教學(xué)環(huán)節(jié)將燃料電池的化學(xué)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合，系統(tǒng)地梳理和內(nèi)化燃料電池的相關(guān)知識(shí)，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其學(xué)科素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.理解燃料電池的基本原理（氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)以及電化學(xué)等概念），將這些概念與燃料電池的實(shí)際應(yīng)用架構(gòu)相結(jié)合，掌握燃料電池的制作方法（電極材料的選擇、電解質(zhì)的配制以及燃料電池組裝與測(cè)試等）。（物理觀念與知識(shí)理解）

2.通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出科學(xué)的問題，設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案，并開展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，驗(yàn)證方案猜想；使用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、處理與分析，推導(dǎo)出科學(xué)的結(jié)論。（科學(xué)思維與探究能力）

3.在實(shí)驗(yàn)過程中嘗試使用不同的電極材料與電解質(zhì)配比，制訂具體實(shí)驗(yàn)方案，開展具體的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)問題，嘗試解決問題，并提出具體的改進(jìn)思路。（創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力）

4.認(rèn)識(shí)到燃料電池作為一種清潔、高效的能源技術(shù)，在現(xiàn)代生活中起到關(guān)鍵性作用，應(yīng)用前景廣闊；形成對(duì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境間關(guān)系的正確理解，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)與責(zé)任感。（科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感）

三、教學(xué)重難點(diǎn)

（一）教學(xué)重點(diǎn)

1.燃料電池的基本原理與制作方法的講解與過程演示。

2.學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究的方式理解不同電極材料與電解質(zhì)對(duì)燃料電池特性的影響。

（二）教學(xué)難點(diǎn)

1.如何設(shè)計(jì)并實(shí)施有效的實(shí)驗(yàn)方案來驗(yàn)證自己對(duì)燃料電池改進(jìn)的猜想。2.如何使用科學(xué)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集、處理與分析，形成基于論證的科學(xué)結(jié)論。

四、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，引入主題

使用希沃白板向?qū)W生展示燃料電池在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用實(shí)例，如氫燃料電池汽車、便攜式燃料電池等。

教師提問：同學(xué)們，你們知道這些高科技產(chǎn)品背后的能源技術(shù)是什么嗎？它們是如何工作的？由此引發(fā)思考與討論。

學(xué)生1：我認(rèn)為其背后的能源技術(shù)是燃料電池技術(shù)，根據(jù)所學(xué)，燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，與傳統(tǒng)“燃燒\"不同，是通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量。

學(xué)生2：燃料電池技術(shù)在現(xiàn)代生活中有很廣泛的應(yīng)用。除了上述案例外，它還可以為電子設(shè)備供電，這類便攜式的燃料電池體積較小、重量比較輕，適合戶外探險(xiǎn)或遇到緊急情況時(shí)使用。

教師：剛才兩位同學(xué)都提到了燃料電池的基本原理與應(yīng)用。作為一種清潔、高效的能源，其主要是通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料（如氫氣）和氧化劑（氧氣）轉(zhuǎn)化為電能，此過程中產(chǎn)物主要是水，對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)較小。

（設(shè)計(jì)意圖：引入實(shí)際生活案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與探究欲望，讓學(xué)生回顧所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，思考燃料電池這種新型能源，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定基礎(chǔ)。）

（二）理論講解，奠定基礎(chǔ)

利用希沃白板系統(tǒng)地講解燃料電池的基本原理、組成部分以及工作過程，重點(diǎn)回顧燃料電池是如何將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的，氧化還原反應(yīng)如何在此過程中起到關(guān)鍵性的作用，

帶領(lǐng)學(xué)生回顧燃料電池的構(gòu)造與工作原理，提問：燃料電池與原電池有什么區(qū)別？其工作原理有何異同？引導(dǎo)學(xué)生展開深入思考。

學(xué)生1：燃料電池與原電池的主要區(qū)別為工作原理與能量來源。燃料電池作為一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，需要外部持續(xù)提供燃料或者氧化劑，如氫氣與氧氣；而原電池更多像我們常用的干電池，將內(nèi)部存儲(chǔ)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不需要外部供應(yīng)反應(yīng)物。

學(xué)生2：我認(rèn)為燃料電池的使用效率要高于原電池，因?yàn)樵姵啬芰哭D(zhuǎn)換效率較低，其在放電過程中會(huì)出現(xiàn)能量損耗，同時(shí)燃料電池的排放物主要是水，對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)較小，而原電池中含有鉛、鎘等對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)。

學(xué)生3：燃料電池與原電池在結(jié)構(gòu)上有差異。燃料電池是由電極、電解質(zhì)以及外部電路構(gòu)成，通常為多孔結(jié)構(gòu)；而原電池是由陽(yáng)極、陰極以及電解質(zhì)組成，且結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，

教師：同學(xué)們回答得非常好，大家從燃料電池與原電池的能量轉(zhuǎn)換、效率、環(huán)境影響以及結(jié)構(gòu)與工作原理等多個(gè)方面進(jìn)行比較，闡述其異同點(diǎn)。

（設(shè)計(jì)意圖：回顧關(guān)于燃料電池與原電池的基本知識(shí)，通過對(duì)比、總結(jié)，加深學(xué)生對(duì)燃料電池工作原理的理解，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)提供重要的理論支持。）

（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)能力

將全班學(xué)生按照4＼～5人劃分實(shí)驗(yàn)小組，發(fā)放所需要的實(shí)驗(yàn)器材和試劑（U型管、石墨棒、直流電源、導(dǎo)線、電流表、NaOH等，并展示實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求（見表1）。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求設(shè)計(jì)并討論具體的實(shí)驗(yàn)方案，尤其是分析如何進(jìn)行電極材料的選擇、電解質(zhì)的配制以及燃料電池組的組裝與測(cè)試。以下是每個(gè)小組可能的方案展示。

小組1：我們以石墨棒為電極材料，因?yàn)槠渚哂辛己玫膶?dǎo)電性與化學(xué)穩(wěn)定性，非常適合做燃料電池的電極；電解質(zhì)的配制可以使用NaOH溶液為電解質(zhì)，因?yàn)槠淇梢蕴峁┮粋€(gè)堿性環(huán)境，有助于氫氧燃料電池進(jìn)行反應(yīng)。

小組2：我們以鉑為電極材料，這是一種非常好的催化劑，可以加速氫氣與氧氣的氧化反應(yīng)。在電解質(zhì)的選擇上，除了提供的NaOH溶液，還可嘗試使用其他催化劑，如鉑黑，以此來提升電解質(zhì)的導(dǎo)電性與反應(yīng)速率。

小組3：我們使用了金屬鎳作為電極材料，相對(duì)其他電極材料，此材料成本較低，且具有良好的導(dǎo)電性。在電解質(zhì)的選擇上，使用 1mol/LNaOH 溶液，同時(shí)增加一些導(dǎo)電鹽，如KOH，以此來增強(qiáng)電解質(zhì)的導(dǎo)電性。

（學(xué)生陸續(xù)分享各小組的實(shí)驗(yàn)方案，并組織開展討論）

教師：每個(gè)小組都有各自的想法。小組1的實(shí)驗(yàn)更為基礎(chǔ)，小組2則是嘗試使用催化劑來提高效率，小組3考慮到本次實(shí)驗(yàn)的成本現(xiàn)在請(qǐng)同學(xué)們按照自己的想法開展實(shí)驗(yàn)。

（設(shè)計(jì)意圖：以小組的形式組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的合作能力、探究能力，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)要求、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约皩?shí)驗(yàn)材料，擬定具體的實(shí)驗(yàn)方案，通過發(fā)散思維，讓學(xué)生大膽提出自己的猜想。）

（四）實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)踐探究

教師：同學(xué)們，剛才我們分享了各自的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)在讓我們一同制作簡(jiǎn)單的燃料電池，通過實(shí)驗(yàn)的方式來探究其性能。請(qǐng)各小組按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方案展開實(shí)驗(yàn)，認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，尤其是電壓、電流等參數(shù)，這可是我們后續(xù)分析和討論的重要依據(jù)。

（各小組開始忙碌起來，按照自己的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。教師巡回指導(dǎo)，把控實(shí)驗(yàn)進(jìn)展）

教師：小組1，老師發(fā)現(xiàn)你們已經(jīng)完成了電解水的步驟，現(xiàn)在準(zhǔn)備將氣體通入燃料電池，請(qǐng)你們告訴老師，你們是如何進(jìn)行電解水環(huán)節(jié)的？

小組1：在開始實(shí)驗(yàn)前，我們使用蒸餾水對(duì)U型管進(jìn)行多次沖洗，確保其內(nèi)部沒有殘留的雜質(zhì)，后使用無水乙醇對(duì)U型管進(jìn)行擦拭，確保其內(nèi)部的清潔，為電解與燃料電解池提供相對(duì)干凈的環(huán)境。隨后，將石墨棒插入U(xiǎn)型管的兩端，確保其與溶液能夠充分接觸并導(dǎo)電。石墨棒作為電極，在電解過程中發(fā)揮著重要的作用。我們將 1mol/LNaOH 溶液倒入U(xiǎn)型管中，直到將電極完全覆蓋，NaOH溶液作為電解質(zhì)，為電解過程提供所需要的離子環(huán)境。我們使用直流電源對(duì)U型管中的水進(jìn)行電解，以制備所需的氧氣和氫氣。接下來，我們計(jì)劃將收集到的氣體通入燃料電池的兩極，觀察并記錄電流變化的數(shù)值，以便對(duì)比不同條件下的電流變化情況。

教師：細(xì)節(jié)決定成敗，你們已經(jīng)注意到了要在無菌環(huán)境中操作。那么，在電解過程中，你們又觀察到哪些現(xiàn)象呢？和大家分享一下。

小組1：我們觀察到，石墨棒上有氣泡產(chǎn)生，這應(yīng)該是電解水產(chǎn)生的氫氣與氧氣，同時(shí)使用電流表對(duì)裝置的電流部分進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)隨著電解的進(jìn)行，其電流數(shù)值逐漸增大。

教師：非常棒！同學(xué)們，你們已經(jīng)成功地制作出氧氣和氫氣，現(xiàn)在就需要將其通入燃料電池中?，F(xiàn)在請(qǐng)第2小組分享你們的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。

小組2：我們主要是使用鉑電極作為燃料電池的電極材料，將其固定在U型管的兩端。鉑電極因其獨(dú)特的導(dǎo)電性和催化性能，能夠顯著提升氫燃料電池的效率。同時(shí)，我們需要注意電極間的距離，以防發(fā)生短路。通過使用含鉑的黑色NaOH溶液，并將鉑黑作為催化劑，可以加速氫氣與氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高燃料電池的輸出功率。

教師：小組2的同學(xué)們考慮得非常周全。在測(cè)試中，你們打算如何記錄觀察數(shù)據(jù)呢？

小組2：在電解水制備出氫氣和氧氣后，我們計(jì)劃將其通入燃料電池的兩個(gè)電極。隨后，我們使用數(shù)字電流表和電壓表對(duì)燃料電池進(jìn)行測(cè)量，并記錄電流與電壓的變化數(shù)值。我們每隔固定時(shí)間測(cè)量和記錄一次，并繪制出電流-電壓曲線圖，以便后續(xù)總結(jié)燃料電池的功能特點(diǎn)和性能。

教師：這個(gè)想法非常好，有助于我們進(jìn)一步了解燃料電池的工作機(jī)制。現(xiàn)在請(qǐng)第3組分享你們的實(shí)驗(yàn)方案。

小組3：我們使用鎳作為燃料電池的電極材料。鎳電極具有良好的耐腐蝕與導(dǎo)電特性，適合燃料電池電化學(xué)裝置。在電解質(zhì)方面，將NaOH溶液與KOH溶液按照一定比例混合后倒入U(xiǎn)型管中，這種混合溶液具有較強(qiáng)的電導(dǎo)率與電化學(xué)穩(wěn)定性，有助于提升燃料電池的性能。

教師：小組3的同學(xué)非常有創(chuàng)意，混合電解質(zhì)的使用也許會(huì)帶來不一樣的效果，我們很期待最后的結(jié)果。在具體實(shí)驗(yàn)過程中，你們遇到了哪些困難嗎？在這期間你們又是如何解決的呢？

小組3：在實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)混合電解質(zhì)比例是一個(gè)難題，起初，隨意混合NaOH溶液與KOH溶液，發(fā)現(xiàn)燃料電池的性能并不理想，然后我們開始討論其混合比例，通過不斷的嘗試和查閱相關(guān)資料，我們最終確定了合適的配比。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)電極的固定方式至關(guān)重要，如果固定不穩(wěn)，可能會(huì)導(dǎo)致電極接觸不良，從而影響實(shí)驗(yàn)效果。因此，我們使用了特殊的夾具來固定電極，以確保實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行。

教師：同學(xué)們，小組3尋找新的切入點(diǎn)，想嘗試混合電解質(zhì)的方式，在實(shí)驗(yàn)中遇到了混合比例的問題，但是并沒有放棄，而是積極尋找解決方案，這一點(diǎn)非常值得表?yè)P(yáng)。請(qǐng)各小組完成實(shí)驗(yàn)，根據(jù)所記錄的數(shù)值，分析燃料電池的特性，并討論不同電解材料與電解質(zhì)對(duì)燃料電池的影響規(guī)律。

（設(shè)計(jì)意圖：在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生不僅掌握了基本的實(shí)驗(yàn)操作技能，還進(jìn)一步激發(fā)了對(duì)新能源技術(shù)的學(xué)習(xí)探究興趣。鼓勵(lì)學(xué)生嘗試使用不同的電極材料與電解質(zhì)配比制訂實(shí)驗(yàn)方案，開展實(shí)驗(yàn)探究，以此來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。在此期間，學(xué)生深入了解燃料電池的工作原理，掌握電流、電壓的測(cè)量方式，學(xué)會(huì)如何應(yīng)用化學(xué)知識(shí)來解決實(shí)際問題，提升個(gè)人數(shù)據(jù)處理與圖表分析能力。）

（五）總結(jié)反思，提升素養(yǎng)

教師：同學(xué)們，在本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)中，我們回顧了什么是燃料電池，并親手制作了燃料電池，還對(duì)其性能展開了探究?，F(xiàn)在請(qǐng)同學(xué)們靜下心來，總結(jié)這次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷，我想聽聽大家的感受。在本次實(shí)驗(yàn)中，你們對(duì)燃料電池又有哪些新的認(rèn)識(shí)呢？在實(shí)驗(yàn)中，你們又遇到了哪些新的挑戰(zhàn)呢？你們是如何克服這些困難的呢？請(qǐng)同學(xué)們大膽分享自己的心得與體會(huì)。

學(xué)生1：在此次實(shí)驗(yàn)中，我充分地認(rèn)識(shí)和理解了燃料電池的工作原理，即通過電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電，在實(shí)驗(yàn)中我發(fā)現(xiàn)電極材料與電解質(zhì)的選擇對(duì)燃料電池的性能有重要影響。在具體實(shí)驗(yàn)中，我們小組遇到了電極固定不穩(wěn)定導(dǎo)致接觸不良的現(xiàn)象，后通過改進(jìn)固定方式，問題得以解決

學(xué)生2：我最大的收獲是學(xué)會(huì)了如何在實(shí)驗(yàn)中收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)，通過對(duì)比不同時(shí)間段的電流與電壓變化，對(duì)燃料電池的性能有了新的理解。而且在實(shí)驗(yàn)中合作是非常重要的，小組成員的相互支持、幫助，才讓我們克服困難，找到新的解決方案。

（學(xué)生陸續(xù)分享自己的實(shí)驗(yàn)收獲，反思自己在實(shí)驗(yàn)中的不足）

教師：同學(xué)們，你們今天的表現(xiàn)非常出色，不僅成功地制作出燃料電池，還向大家分享了自己的收獲與不足，老師很高興看到大家的成長(zhǎng)。請(qǐng)同學(xué)們課后將今天的實(shí)驗(yàn)過程以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式完整地呈現(xiàn)出來，下課！

（設(shè)計(jì)意圖：在本環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過自我反思與分享，回顧自己的實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)化，從而提升個(gè)人的核心素養(yǎng)。通過引導(dǎo)學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)過程、分享收獲與挑戰(zhàn)、反思不足與改進(jìn)方向，教師可幫助學(xué)生鞏固知識(shí)、提升實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)其思維與探究能力，同時(shí)強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作解決問題的重要性，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。）

五、教學(xué)反思

在本次教學(xué)中，通過開展“制作簡(jiǎn)單的燃料電池\"實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)（知識(shí)與技能、思維與方法、探究與創(chuàng)新以及態(tài)度與責(zé)任）得以有效提升。學(xué)生不僅掌握了燃料電池的基本知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能，還增強(qiáng)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究能力與創(chuàng)新意識(shí)。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求，設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案（電極材料的選擇、電解質(zhì)的配置以及燃料電池組裝與測(cè)試等），并開展討論、分享，優(yōu)化方案，記錄小組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、整理并分析。在此期間，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與匹配思維得到培養(yǎng)，逐步認(rèn)識(shí)到新能源技術(shù)的重要性，增強(qiáng)了社會(huì)責(zé)任感。

（作者單位：山東省聊城市水城中學(xué)）

編輯：趙飛飛