基于真实情境培养学生化学学科核心素养<br/>———以“电动车的动力电池”教学设计为例

基于真实情境培养学生化学学科核心素养
———以“电动车的动力电池”教学设计为例

2020-08-13北京蔡元博

高中数理化 2020年10期

◇ 北京蔡元博贺新

随着社会的发展和人们生活水平的提高,与能源和环境相关的问题也越来越密切地影响着我们每一个人的生活.其中,传统燃油汽车所带来的能源与环境问题更是与我们的日常出行息息相关,以电动汽车为代表的新能源汽车逐渐取代部分传统燃油汽车是缓解此类问题的一个重要举措.

本节课选择了与当今能源问题、环境问题紧密关联的电动汽车作为素材.在电动汽车中,提供行驶动力的电池无疑是重要的核心部件,也是与能源和环境问题关系最为紧密的部分.因此,我们选择了电动车动力电池作为化学电源的素材,组织学生开展分析解释、推论预测、设计评价等学习活动.以较为简单和熟悉的铅蓄电池为载体,帮助学生认识电极反应、电极材料、离子导体、电子导体是构成电化学装置的基本要素,建立对电化学体系的基本分析思路,提高学生对电化学本质的认识.再以相对陌生的镍氢电池为载体,进一步发展学生对原电池和电解池工作原理的认识,巩固所学的思路方法,并培养学生利用相关信息分析陌生电化学体系的能力.

1 学习内容分析

本节课程内容主要基于人教版《选修4》第四章第二节化学电源,在《普通高中化学课程标准(2017 年版)》中对原电池和电解池的要求是能辨识简单的原电池的构成要素,能分析原电池和电解池的工作原理,能设计简单的原电池和电解池,认识电解在物质转化和储存能量中的具体应用.对于化学电源的要求是能列举常见的化学电源,能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义,并能利用相关信息分析化学电源的工作原理.

汽车中的动力电池都是可充电的二次电池,借助对汽车动力电池发展史中的几种经典电池的性能比较,了解电池的哪些性能指标对其实际应用有重要影响,学会从实际角度、综合角度去看待问题.动力电池的发展先后经历了铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等多种类型,其中锂离子电池又有多种不同的组成结构,目前仍然有新型电池在不断的研发中.在一节课的时间内无法将所有这些不同种类的电池全部讨论清楚,否则对每种电池的学习都只能流于表面而没有时间进行深入分析,这样不符合高二学生应该达到的认知层次.因此本节课以铅蓄电池和镍氢电池为代表,分析其充放电过程的工作原理,巩固原电池的相关知识,初步了解电解池的相关概念,同时培养学生对陌生情境下复杂问题的分析能力.

2 学情分析

学生在《必修2》中已经学习了原电池的基本构成和原理,但他们对原电池的认识主要还停留在铜—锌电池等简单的原电池模型上,对于稍复杂的、真实的原电池原理的分析还比较生疏,对电化学体系的分析思路还未熟练掌握.同样,在《必修2》中,学生已经认识一些化学电源的基本组成,包括铅蓄电池的结构和放电过程也已经有所了解,但没有深入对电池的构成要素进行仔细分析,也没有介绍充电过程的工作原理.另一方面,对于电解池的工作原理,学生并没有进行系统的学习,只有一些“电解是使用外接电源将电能转化为化学能”“电解是发生原电池反应的逆过程”等简单认识.学生对本节学习的障碍点主要表现在以下两方面：

1)对电池的认识停留在理论模型的层面,对复杂的实际问题难以抽提出简单的模型.

2)对电解原理的认识不足,分析电池的充电过程时可能面临困难.

3 学习目标

化学电源本身是对原电池和电解池工作原理的实际应用,因此本节课的学习目标如下.

1)深入理解原电池的工作原理,初步了解电解池.

2)通过对铅蓄电池充放电原理的分析,巩固原电池的基本知识,建立分析电化学体系的基本思路.

3)通过对镍氢电池充放电原理的讨论,进一步巩固分析电化学问题的基本思路和方法,提高对陌生电化学问题的分析能力.

4 教学重点

铅蓄电池的工作原理.

5 教学难点

分析电化学问题的基本思路和方法.

6 教学过程

环节1引入电动汽车

教师引导：从能源和环境的角度,引导学生分析传统燃油汽车到新能源汽车的转变.

学生活动：思考代替热能的能量转化方式,从而想到使用电能的电动汽车.

设计意图：了解化学对科技发展的影响,体会化学在能源、环境问题上所承担的责任.

环节2比较几种电动车电池的优缺点,畅想动力电池的发展方向

教师引导：介绍电动车及所用电池的发展过程,引导学生思考电池实际使用过程中所面临的问题.

[提问]结合材料1以及对电动汽车的理解,分析铅蓄电池、镍氢电池及锂离子电池的优缺点.

材料1：铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池的性能比较,见表1.

比能量：单位质量或单位体积的电池所能放出的电能大小.

功率密度：电池的输出功率与其质量之比.

自放电率：开路状态下电池放置30天时其电池容量损失的百分比.

表1

学生活动：1)分析所给材料,讨论并回答三种电池的优缺点.

2)思考这些电池的性能指标在实际使用中分别对应电动汽车的什么性能.

3)畅想理想中的汽车动力电池应该具有什么样的性能.

设计意图：通过对铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池性能指标的比较,了解电池在实际应用中所需要面对的问题,了解比能量、功率密度、循环寿命、自放电、单体电压等化学电源中常见的概念,理解目前新型动力电池的研发方向.

环节3最早的动力电池——铅蓄电池

教师引导：结合图片介绍铅蓄电池的构造,结合铅蓄电池工作原理的视频,引导学生思考铅蓄电池的充放电原理.

[提问](1)分析铅蓄电池的工作原理.(2)结合工作原理和材料2,分析铅蓄电池循环寿命较短的原因.

材料2：废弃的铅蓄电池

铅蓄电池在长时间使用后内阻逐渐增大,电池容量逐渐减小,只能进行废弃和回收.废弃的电池中可发现酸液的酸性显著下降,极板上附着有大量不溶的PbSO4颗粒,且这种PbSO4颗粒体积大、导电性差,常规方法难以将其重新转化为活性物质,同时在负极板底部也发现因产生气体而脱落的活性物质.

学生活动：1)观察图片和视频,分析铅蓄电池的基本构成要素以及放电时的工作原理,填写学案中的表格.

2)与其他同学分享思考的过程和结果.

3)结合对充电过程的理解,分析充电时铅蓄电池的工作原理,并将其填写于学案中.

4)思考铅蓄电池寿命较短的原因.从材料2中提取出“内阻增大”“容量减小”“酸性下降”“附着大量PbSO4颗粒”“产生气体”“活性物质脱落”等现象,并结合电池放电时产生PbSO4、充电时H＋放电等电极反应,对这些现象进行合理解释.

教师总结：铅蓄电池结构简单、材料来源广泛、价格低廉,因而成为电动汽车最早使用的动力电池,并且直到今天依然在使用.不过,由于铅蓄电池质量较大,导致其比能量、比功率较小,使得电动车的速度和续航能力不足,同时铅蓄电池又存在循环寿命较短的问题,因此现在主要应用于小型电动车和短途公共汽车之中.那么如何解决比能量、比功率小的问题呢? 一种思路是使用较轻质的材料,在此背景下镍氢电池应运而生.

设计意图：1)依托对相对简单的铅蓄电池充放电过程的学习,巩固原电池的基本知识,建立起原电池的基本结构模型,学会分析电化学体系的基本思路和方法,初步了解电解池装置.

2)理解铅蓄电池循环寿命短的原因是实际使用过程中随着导电性较差的PbSO4的累积、H2SO4浓度的降低,电池内阻不断增加,同时充电时部分H＋也发生放电产生小气泡H2使活性物质脱落.对这类问题的分析能帮助我们在生活中更好地应对出现的问题.

环节4让车跑得更远的镍氢电池——电化学原理的巩固与深化

教师引导：介绍镍氢电池的构造,引导学生思考镍氢电池的充放电原理.

[提问](1)依据工作原理图(图1),分析镍氢电池的工作原理.

(2)根据材料3,分析镍氢电池自放电过程中NH3的作用,推测所使用的选择透过性膜有何特点.

图1 镍氢电池工作原理示意图

材料3：镍氢电池自放电的机制

镍氢电池的自放电有很多可能的机制,其中一种机制如下：电极的正极材料制造时容易混有氮化物杂质,杂质在水中溶解产生NH3,并以NH3和NO－2的形式在两电极之间循环,使得正、负极退化,电池容量降低.

针对这种自放电机制,研究者优化了电极材料,并制造出了特殊的选择透过性膜作为隔膜,可以有效阻隔NH3和NO－2在电池中的循环,从而大幅降低了镍氢电池的自放电率.

学生活动：1)观察并分析镍氢电池的工作原理示意图,模仿上一环节中对铅蓄电池的分析过程,分析镍氢电池的工作原理,填写学案中的表格.

2)与其他同学分享思考的过程和结果.

3)思考问题(2),从材料3中提取“NH3和NO－2在两电极之间循环”等关键信息,分析出NH3在自放电中的电极反应,结合溶液中离子的迁移提出合理的推测.

教师总结：镍氢电池的高比能量和高比功率大大提升了电动车的续航能力,使电动车的远距离行驶成为可能.但是它的单体电压较低,导致电动车动力稍显不足,尤其是其较高的价格和较高的自放电率又给日常的使用带来了很多不便.因此镍氢电池在锂离子电池发展起来后逐渐退出主流市场,目前只有少部分纯电动汽车和油电混合动力汽车还在使用.但是随着技术的发展,镍氢电池的自放电率问题也正在逐步得到解决,将来镍氢电池也可能重新得到广泛应用.

设计意图：1)以相对陌生且复杂的镍氢电池为对象,将上一环节建立的原电池基本结构模型、分析思路、分析方法进行实际应用.

2)镍氢电池中增加了离子交换膜,构建了双液原电池系统,借助对镍氢电池的分析可了解电池结构中隔膜或盐桥的作用,发展学生的认知.

7 教学反思

7.1 真实情境下的任务建构

化学电源主题本身就是所学知识的实际应用,在选择情境时,我们选择了更具社会探讨价值的新能源汽车作为载体.新能源汽车所使用的动力电池可以作为化学电源的代表,既可作原电池与电解池工作原理的学习素材,又可将课堂所学的化学知识用于生产生活实际中作为学以致用的典型实例.同时,我们还希望课程更加贴近生活,能够让学生更充分地体会所学知识与生活的紧密联系.因此在主干内容外,我们增加了两部分内容：

1)比较铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池的各种性能,了解选择电池时要考虑的重要指标;

2)从原理的角度试着去解释铅蓄电池和镍氢电池在使用过程中可能遇到的问题.经过这样的完善,本节课基本上做到既能在知识和技能层面上有足够的深度,又能贴近生活,将书本上的知识落到实际中.

7.2 层层递进的问题引导

在本课程的环节1和环节2,是电动车和动力电池的引入,所提的问题如“如何解决燃油汽车的能源和环境问题”“比较几种动力电池的优缺点”等,学生可以基于生活常识和所给材料直接得到答案.通过师生间的共同讨论,思维碰撞,使学生学会全面地看待问题.

在针对电池工作原理进行分析时,我们先使用了学生比较熟悉的铅蓄电池.由于学生在《必修2》已经接触过铅蓄电池,且本节课前已经系统学习过原电池的基本原理,因此对铅蓄电池放电过程的分析是较为简单的.但是由于课前尚未系统学习过电解池的原理,所以对铅蓄电池充电过程的分析有一定难度.基于此,我们提供了一段展示铅蓄电池充放电工作原理的视频,学生结合视频的展示,可以总结出铅蓄电池充放电的原理,我们再对充电过程进行探讨和引导,使学生能够初步理解充电过程与放电过程的关系,学习如何分析电解池装置.在环节3的最后,我们基于铅蓄电池循环寿命短的问题进行深入讨论,这是对铅蓄电池工作原理的应用,不仅需要充分熟悉原理,更需要能够将原理与实际现象进行对应,因而对学生的分析能力提出了很高的要求.

在对铅蓄电池的充放电原理进行学习后,再以镍氢电池为例对环节3所学的分析思路进行巩固.镍氢电池本身是一个相对陌生的素材,我们提供的资料是镍氢电池充放电的原理示意图.要分析清楚镍氢电池的工作原理,不仅要熟练掌握电化学装置的分析思路,还要学会看图,从图上提取电极反应的相关信息,因此难度相对较高,它既是对环节3的巩固,也是对学生学习状况的即时反馈.同样,在镍氢电池原理分析之后,我们设计了相关的实际问题——镍氢电池的自放电问题.对自放电原因和解决方案的分析一方面再次巩固了陌生情境下对电化学装置的分析,另一方面也对选择透过性膜这一重要装置有更直接的认识,通过层层递进的问题引导不断发展学生认知.

7.3 构建解决电化学问题的基本思路

本节课在分析铅蓄电池充放电原理时,总结了电极种类(正负极或阴阳极)、电极反应物和生成物、电极反应、电子流动方向、离子迁移方向等在电化学体系中需要分析的内容以及它们之间的关系,在实际电化学体系的分析中可以依据其中部分信息推断其余信息,并依据它们解决电化学问题.在铅蓄电池和镍氢电池原理的分析中反复使用这样的分析思路,包括镍氢电池的原理示意图也与该分析思路相匹配,通过不断地使用这种分析思路并将这种思路的分析过程记录于学案中,使学生能够熟练掌握并将其应用于陌生电化学问题的分析中.