立足实际培养学生的化学核心素养——“化学电源”课堂实录

山东曲阜师范大学附属中学 孙 航

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出，化学学科的核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”五个方面。相比而言，前三个方面的内容在平时的授课中更容易涉及，而基于实践层面和更高层面的“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”两方面与生活实际联系更紧密，教师需要结合恰当的教学内容，在教学中适时引导学生思考讨论，达到全面培养学生化学核心素养的目的。

一、“化学电源”学情分析和教学目标

（一）证据推理与模型认知

学生已经学习了原电池的工作原理和基本构成要素，明白其中存在化学能和电能的转化。对铜锌原电池的电化学过程已经有了一定的认识，初步掌握了原电池的基本模型。通过本课学习，学生能更深入地掌握原电池原理模型，能从更微观的氧化还原角度理解原电池工作原理，从电子转移的角度分析原电池，并能在掌握原电池原理模型的基础上进行简单的设计，以及避免常见的常温下不能发生的反应不可以做原电池的误区，深入理解化学能和电能的转换。

（二）科学探究与创新意识

通过查阅资料和生活常识，从实际应用出发，培养学生利用所学化学原理解决实际问题以及使用化学学科思想方法提出问题的能力。例如，如何发现某原电池的缺点、如何改善其缺点、如何根据不同的需要设计不同的原电池等。

（三）科学态度与社会责任

培养学生体会化学就在我身边，绿色化学从我做起，培养学生可持续发展意识。

二、课堂使用资料

（1）铜锌原电池的实际使用弊端。（2）变性淀粉资料。（3）用于心脏起搏器的电池。（4）铅中毒资料。（5）甲醇燃料电池资料。

三、教学流程

（一）任务一：一次电池的原理、设计和改进

教师引入：“之前我们学习的铜、锌、稀硫酸原电池可以产生电流，让小灯泡发亮。如果野外求生时带这样的电池和灯泡组合有哪些缺点？”学生讨论，设想实际情境并发现问题。

【实际问题1】硫酸会洒出来。

教师联系电池发展史，提供书籍《电池的秘史》85～86页复印件，提出问题：“历史上，人们在使用铜、锌、稀硫酸组成的原电池遇到了哪些问题？”请学生设计方案解决硫酸洒出来的问题。学生思考：“硫酸溶液是液体且流动性好，所以容易洒出来。”教师提问：“生活中什么物质可以让流动性好的液体变粘稠？”学生回答：“加入淀粉有可能让流动性好的硫酸溶液变粘稠，但是厨房中使用的淀粉溶液不能长久保存，因此最好找容器把硫酸密封起来。”“负极材料锌和正极材料铜都可以用来密封，选择锌较好。”教师小结：“淀粉溶液不能长久保存，人们做了很多努力尝试改进这一问题（提供课外阅读材料）。同时，人们尝试用消耗性的负极材料金属锌作为外壳，把整个电池装置密封起来。”

【实际问题2】随着电池的使用，锌外壳变薄。内部液态的电解质会很快漏光。

学生解决：“给电池加塑料外壳。”

【实际问题3】硫酸的浓度选择。

教师引导学生从微观角度理解原电池工作原理和反应实质。学生解决：“硫酸浓度高反应快，硫酸浓度低总电量少。最好选自由移动的氢离子浓度低、氢离子总量高的酸。反应实质是硫酸中的氢离子反应，所以把强酸硫酸换成弱酸更好。”

【实际问题4】密封的锌桶，产生氢气，容易炸。

教师引导学生从氧化还原角度理解原电池工作原理，可以通过改变氧化还原反应来改变原电池。学生解决：“换一种能与锌发生氧化还原反应且不产生氢气的物质。”教师：“最早的化学电池——锌锰电池，糊状物为氯化铵显酸性，而且不释放出气体。为了延长电池寿命和提高性能，人们又在此基础上研制了碱性锌锰电池。自放电更少，电池寿命更长。”教师展示碱性锌锰电池电极构造示意图和电极反应式。学生讨论碱性锌锰电池优点和缺点。

（二）任务二：二次电池的优点、缺点和改进

【实际问题5】碱性锌锰电池只能使用一次，比较浪费。

学生解决：“设计可反复使用的二次电池。”教师：“写出生活中常见的二次电池的铅酸电池和锂离子电池的充放电总反应式。”学生写出电极反应式。

教师给出资料，电动车常用的铅酸电池中含有铅，展示铅对环境和人的影响。学生讨论铅酸电池和锂离子电池的优点和缺点。

【实际问题6】联系实际，设计一款二次电池最好符合哪些要求？

学生解决：“选择对环境无污染的物质。根据原电池原理模型判断，应选择相同质量给出电子多的元素。”教师展示部分元素的摩尔质量与价电子数之比（见表1）。

表1 部分元素的摩尔质量与价电子数之比

学生解决：“越靠近表格左边的元素，相同质量给出的电量越多，因此可选用左边的元素做电池负极。”教师：“因为Be具有毒性，因此一般研究制作电池不考虑Be。”展示不同元素作电池负极材料的研制年代（见表2）。

表2 不同元素作电池负极材料的研制年代

（三）任务三：燃料电池的优点和缺点

【实际问题7】如何让相同质量给出的电量多的氢气作负极，制作原电池？

学生思考：“原电池本质为自发进行的氧化还原反应。最常见的氢气发生氧化反应的氧化还原反应为氢气燃烧。”学生讨论如何把氢气的燃烧反应设计为原电池。教师提供氢氧燃料电池的电极反应和装置，学生动手组装燃料电池。（因课堂时间有限，实验是第二个课时的内容）

【实际问题8】组装的燃料电池的技术难点和应用难点。

教师：“三星公司早在2006年就公布了Q35笔记本电脑使用燃料电池，为何现在我们使用的还是锂电池？燃料电池有哪些优点和缺点？请阅读并查找资料写一篇小论文。”

四、总结与讨论

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出，让问题和任务引领课堂，在现实情境中开展教学。本课的难点不仅在于要让学生理解原电池模型并进行应用，还需要引导学生设想现实中实际发生的现象，自己找出存在的问题，并提出符合科学逻辑的解决问题的猜想。

作为一节与实际生活联系紧密的课程，学生本身就有很多相关常识和感悟。除了参与课程的积极性高，更容易发展其“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”较高层面的化学学科素养。在讨论“问题1”时，电解质溶液洒出问题，因其与生活相关，学生较容易提出向溶液中掺淀粉尝试调成糊状的猜想。对比化学家的尝试，明确加入淀粉电池就会发霉。既能增加学生学习的兴趣，还可以提醒学生一定要多方面考虑问题，同时权衡事物的利弊两方面，明白满足了电解质溶液成糊这一个条件，不一定就可以直接应用。此外，本课可使学生主动对原电池原理及模型进行更加深入的思考和探究。

需要注意是，有时学生的思路会跑偏或停滞，需要教师及时干预和引导。例如，针对“问题1”，在有学生提出为什么不用铜做外壳时，讨论出现停滞。教师适当引导学生，与正极材料相比，该电池的负极材料被消耗，所以从成本上考虑，负极材料需要更多。为了降低成本，正极材料选导电、价廉的即可，不必使用太多。再如，展示废电池中含有汞、镉、铅、锌等重金属有毒物质的毒性影响时，学生讨论过于热烈，教师适时提出问题“如何避免环境污染”对讨论进行干预，同时也让学生体会“绿色化学”从源头上杜绝污染的精神。在课堂推进方面，由于本课讨论课的性质，教师要注意给予学困生更多回答问题的机会，避免他们因“懒得”思考而直接听答案的现象。本节课两个班因条件所限，均采用集体授课模式，讨论也是集体讨论，猜想如果用小组讨论的模式效果可能会更好。