《揭秘化学电源》案例研究

陈俊英+张国兴+田斌+张俊杰

一、项目提出

雾霾是特定气候条件与人类活动相互作用的结果。2013年以来，“雾霾”成为人们关注的问题之一。在这一大背景下，新能源的推广和使用备受人们关注，尤其是电动汽车。结合这一环境问题的治理和化学知识的学习，将项目学习的内容确定为和环境保护有关的“化学电源”，通过探究电动汽车的能量来源学习相关概念和原理，揭开化学电源的神秘面纱，让学生能够了解新能源的使用和发展，更加关注环境的保护。

二、项目准备

1.解读课标，整合教材。

项目的实施依赖于课标的指导，因此研读课标能够准确地把握课程知识的主体性。对于化学电源的知识，课标在必修二和选修四课程模块中分别作了如下说明：

学生能够举例说明化学能与电能的转化关系及其应用；认识研制新型电池的重要性。建议通过查阅资料了解化学能转化为热能、电能在生产、生活中的应用；用生活中的材料制作简易电池；对不同种类电池的特点、性能与用途做市场调查。

学生在学习过程中能够体验化学能与电能相互转化的探究过程，了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式；通过查阅资料了解常见化学电源的种类及其工作原理，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。建议能够完成电能与化学能的相互转化的实验探究；调查市场常见化学电池的种类，讨论它们的工作原理、生产工艺和回收价值。

根据课程标准的要求和教科书中的内容，我们将必修二中第二章第二节《化学能与电能》与选修四第四章第一节《原电池》、第二节《化学电源》的知识进行整合，形成与化学电源相关的教材资料。根据相关教材资料，确定项目实施的开展周期为13学时。

2.研讨项目，确定流程。

在确定了项目课题后，组织教师开展多次项目研讨会，对项目课题的开展和方式进行研讨。

首先，第一次项目研讨会确定了项目的目標。从三个维度（知识与技能、过程与方法、情感态度和价值观）提出项目的指引性目标。对学生的能力、态度和成果作了基本的要求。根据课程标准，我们整理出项目的概要。

其次，在之后的几次会议中，主要研讨了项目流程，并不断进行修改，最终确定了以下学习环节：

（1）创设问题：根据信息，结合一些资料卡片，让学生以此了解所学知识的背景，以此进行延伸，对所需掌握的知识、所要提高的能力、最终获得的成果有整体的认识。

（2）自主学习：结合创设问题和内容学案，由学生自主进行知识的学习。在这一过程中，对知识的分析和探讨为实践操作将奠定理论基础。

（3）总结概括：小组讨论知识的原理、构成和发展，并由教师最终对知识进行总结归纳，引导学生进行知识的整合。

（4）类比迁移：以教学资料为基础，对相关知识的了解进行迁移，可作阶梯难度学习，根据不同学生的能力进行不同内容的学习。

（5）拓展延伸：学生可利用图书馆、网络等资源，进行其他知识的学习，如化学史等。

（6）实践操作：依据理论知识的学习，进行实验操作的验证和探究，加强理论知识的理解，同时提高学生的动手能力。

（7）测评考核：对项目学习的各环节进行测评，如学生知识的掌握、思维能力的提升、动手能力的提高等。

（8）成果展示：结合课程内容和自主活动，进行小组汇报和自由发挥的成果展示，同时在项目活动中体现出学校特色、教师特长、学生特点，能够成为学生知识体系学习的有益补充。

在项目实施过程中，不断地对项目进行中反映出的一些问题及时作出修改，同时结合学生提出的一些建议，讨论其合理性和实践性。

三、体例说明

项目学习是通过一系列任务的完成，最终达成项目目标的学习方式。以“揭秘化学电源”为例，在项目学习过程中，学生将通过自主学习、总结拓展、实践操作、交流展示、测评考核等教学活动，在“做中学”，提升化学素养。

1.项目概要。

（1）从原理上认识燃料电池，能正确书写电极反应方程式。结合生活，了解生活中电池的种类，分析其结构，认识能量的相互转化过程。

（2）通过对电池的拆分，掌握能量转换的原理。结合组成成分的验证，认识研制新型电池的重要性。

（3）依据化学史知识，了解电池的发展，培养学生的环保意识和绿色化学意识，逐步形成可持续发展的思想。

2.项目活动。

活动一：课前热身。（2课时）

根据学习资料卡片的内容，进行走访了解、策划设计等，为完成项目成果做好铺垫。

[资料卡片一] 由于城市空气质量指数“爆表”，为保护公众健康，减缓大气污染程度，北京市应急办于2015年12月7日18时首次启动空气重污染红色预警。

[资料卡片二] 环保部提出，PM2.5来源是机动车、燃煤、扬尘、流动源、工业生产等。中小学、幼儿园停课，全市范围内实施机动车单双号行驶（电动车除外）。

[资料卡片三] 燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水；零排放，不污染环境。燃料电动车能量转化效率高，可高达60%～80%，为内燃机的2～3倍。

根据以上三个资料卡片，查阅相关资料，了解电动车动力的来源及其原理。

活动二：自主学习。（2课时）

①知识回顾——科学探究一。

回顾人教版九年级化学教科书（上册）第三单元 《自然界的水》 课题一：水的组成，[实验3-1]水的电解实验。

电解水需要的实验仪器有：电源、碳电极、硫酸钠溶液、电流表、试管、导线若干、开关。实验步骤为：将装置连接接通电源一段时间后，观察两电极上的现象，及电流表指针偏转方向。预期得到的实验结果为：在负极连接的电极上产生H2，在正极连接的电极上产生O2，且体积比为2：1。

②知识反转——科学探究二。

去掉电解水装置的电源，将两电极与小灯泡用导线相连，形成氢氧燃料电池。

实验所需仪器有：碳电极、硫酸钠溶液、电流表、试管、导线若干、开关、小灯泡。实验步骤为：将电解装置的电源拆掉，连接小灯泡，观察两电极现象，电流表指针偏转方向及小灯泡是否变亮。预期得到的实验结果为：小灯泡可以发光，两电极气体减少，电流表偏转。

③新知学习。

根据科学探究一和科学探究二，研究这两个装置的原理：

电解水：

阴极：2H++2e-■H2

阳极：4OH--4e-■O2+2H2O

燃料电池：H2-2e-■2H+

O2+2H2O+4e-■4OH-

思考与交流：

根据电流表偏转确定电流方向：从能量转移角度和电子得失守恒分析这两个装置。

电解过程：能量：电能→化学能；电子得失：阴极得e-，阳极失e-。

原电池：能量：化学能→电能，电子得失：正极得e-，负极失e-。

活动三：知识延伸。（2课时）

①根据下图所示信息，分析生活中使用的酸性和碱性锌锰电池原理，思考交流每种物质在电池中所起到的作用。

②查阅资料：生活中常见电池的分类及其原理，生活中常见电池的应用及发展，新型能源电池的使用。

活动四：实践操作。（2课时）。

从生活中收集各种类型的电池，类型可以有酸性电池、碱性电池、小型蓄电池、手机电池等。

拆分电池基本实验报告

组号：________

小组成员：

________________________

根据所提示的内容，完成下列操作：

1.拆分电池（尽量保持电池剖面的完整，各组自己备份照片做材料汇报用）。

实验仪器：

实验步骤：

实验拆分成分预估：

实验结论：

2.描绘电池拆分后的横截面。

3.反思与评价。

[提示信息]

（1）可做横向和纵向切割。

（2）尽量保证切面的完整性。

下次课程任务：研究电池的原理及组成成分。

根据学生收集的电池种类和数量、学生拆分实验方案的设计、拆分实验工具选择和拆分的合理性作出评价。如何才能更好地保留电池的成分，为下面进行原理学习和验证实验提供有效的例证？

根据学生所学习的知识，结合拆分电池所得到的成分，学生可以进行电池组成组分实验验证，选取酸性干电池或是碱性干电池部分成分验证，其他成分进行理论推导。

电池成分验证基本实验报告

组号：___________

小组成员：________________________

1.材料一：电池构造示意图（见65页图）

根据所提示的内容，完成下列操作：

小组讨论设计验证电池中成分的方案（每小组选择酸、碱性中的一个进行设计）。

2.实验验证。

实验仪器：

实验步骤：

实验结论：

3.反思与评价。

[提示信息]

（1）MnO2是不溶于水的黑色固体，反应后电池中产物为MnOOH。

（2）锌的氧化物及其氢氧化物具有两性。

（3）电池中还有一些其他材料需自行查閱资料。

学生先小组讨论设计方案，由教师进行指导，选择合理有效的实验方法。实验中学生可以通过实验验证酸性电池中的NH4Cl、MnO2、ZnCl2，以及作为负极的铝片。碱性电池中学生通过实验验证KOH、MnO2以及作为负极的铝片，但是MnOOH无法在中学实验室进行验证。

活动五：测评考核。（2课时）

根据所学知识，完成下面测评试题。（见下图）

活动六：成果展示。（3课时）

①开展“化学史—化学电源的发展”活动。收集、整理有关电池发展的历史材料，查阅有关化学电源的化学史知识，从克莱斯特被电击、马森布莱克发明德莱顿瓶，到伽伐尼认为的“生物电”，再到伏打电池、丹尼尔电池、本生电池的出现，一直到近代所使用的电池，最终以PPT的形式展示。

②开展“话剧—化学电源的历程”活动。根据化学史收集的材料，编写“化学电源的历程”剧本。通过话剧将重要的发展历史再现。

③收集和整理电池在生活中的应用资料，最终以PPT的形式展出“电池在生活中的应用和发展”。可以根据所学有关原电池的知识，自制电池（如干电池、水果电池、简易版新型空气电池等）。

结合课程内容和自主活动，进行小组汇报和自由发挥的成果展示，同时在项目活动中体现出学校特色、教师特长、学生特点，能够成为学生知识体系学习的有益补充。

3.项目交流。

实现自我评价和反思。对原电池原理、装置和反应方程式、常见原电池的种类及原理知识进行整理，结合实验操作的验证和探究，加强理论知识的理解，提高动手能力，对知识的掌握、思维能力的提升、动手能力的提高、科学知识的学习等有一个全面的认识。

4.科学视野。

新型电池在中国的发展

《中国新型电池供需预测与投资前景分析报告》指出，研制新型电池都遵循这样一个方向，即自重小、体积小、容量大、温度适应范围宽、使用安全、储存期长、维护方便。应用于空间技术方面的电池还特别注意性能可靠、密封性好，能经受得住各种严酷的空间环境和发射环境的考验。新型电池是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的主力军，随着中国快速发展的经济对新型电池需求的增加，中国政府将继续在政策、资金等方面支持新型电池的研究与发展。

（1）太阳电池。

目前常用的太阳电池是由硅制成的，一般是在电子型单晶硅的小片上用扩散法渗进一薄层硼，以得到PN结，然后再加上电极。当日光直射到渗了硼的薄层面上时，两极间就产生电动势。这种电池可用作人造卫星上仪器的电源。除硅外，砷化镓也是制作太阳电池的好材料。

（2）原子电池。

据1975年的报道，当时国外正对第一个原子电池进行测试。这个可输出20瓦，质量为1398kg的原子电池已沉入北海海底，向邻近的海洋测量站供电。这种电池密封在长84cm，直径69cm，铅外壁厚10cm的圆柱体中。它的核心部分是锶90。当锶衰变时，它产生相当于300W的热能，然后通过热电发生器将热能转化为电能。最后输出的电功率是20W，电压28V。据称这种原子电池不需维护，至少可用5年，估计可用10年。《自然》杂志日前报道：开发具有高能量密度的电极材料对提升锂离子电池的性能十分重要。一种包含非正常锂储能位点的多孔二氧化钼材料，其首次的放电容量达到1814mAhg-1，

是理论值的两倍多。这种过渡金属的纳米孔洞有意想不到的高储能反应发生。作者称这一发现或许为设计新型电池系统提供了思路。

（3）可充放电池。

西安交通大学研究成果表明：钼替代锂作为电极，极大地提高了电极的性能，电池的储电量可以提高7～8倍，而且重复充电次数也提高了近100倍。我国在世界上率先突破钼电池电极的制造难度，成果突破了钼电池耐腐蚀性差的缺点。

美国研究人员近日发明了一种以金纳米线为材料的新型电池，可以反复充放电数万次。

四、项目总结及评价

项目实施过程中，学生每完成项目任务，教师和学生都要做出总结，分析、反思这一课题出现的问题，及时对下一个项目任务计划做出调整，力求达到最好的教学效果。实际项目开展过程中，力求各小组体现良好的合作精神。但过程中也出现了一些问题，如在活动四中，学生收集的电池种类多，教师对学生电池拆分实验方案的指导存在一定的困难。这对教师的知识储备提出了挑战，但同时也促进了教师专业水平的提升。电池组成成分的验证，在现有实验条件下很难全部完成，我们只能选择一部分成分进行验证，其他物质只做理论分析。

1.教学目标达成评价。

在项目开展中，学生表现出了极大的热情、丰富的想象力和活跃的思维，一次次碰撞出闪亮的思维火花，推动着课程的进程。学生对化學知识的学习方法和态度上有了明显的改善。学生的学习不再是以枯燥的被动接受知识为主，课堂气氛逐渐活跃，学生了解到兴趣是学习的第一推动力，学生懂得了主动学习和自主学习是最有效的学习方式，最初制订的三维目标基本达成。

2.教学改革效果评价。

项目的开展让我们认识到：在内容上，始终要坚持源于教材，但不应拘泥于课本的教学内容，应该将知识的学习放在社会生产和发展、学生的生活经验和学科历史的大背景下；在学习方式上，不能局限于传统的灌输式教学，而应通过丰富多彩的多元化活动，让学生感受、参与和体验知识的形成；在教学目标上，我们不应单纯追求知识的落实，而应该从三维目标上全面落实。