山東曲阜師范大學(xué)附屬中學(xué) 孫 航

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出，化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”五個(gè)方面。相比而言，前三個(gè)方面的內(nèi)容在平時(shí)的授課中更容易涉及，而基于實(shí)踐層面和更高層面的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”兩方面與生活實(shí)際聯(lián)系更緊密，教師需要結(jié)合恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容，在教學(xué)中適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考討論，達(dá)到全面培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的目的。

一、“化學(xué)電源”學(xué)情分析和教學(xué)目標(biāo)

（一）證據(jù)推理與模型認(rèn)知

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了原電池的工作原理和基本構(gòu)成要素，明白其中存在化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)化。對(duì)銅鋅原電池的電化學(xué)過(guò)程已經(jīng)有了一定的認(rèn)識(shí)，初步掌握了原電池的基本模型。通過(guò)本課學(xué)習(xí)，學(xué)生能更深入地掌握原電池原理模型，能從更微觀的氧化還原角度理解原電池工作原理，從電子轉(zhuǎn)移的角度分析原電池，并能在掌握原電池原理模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，以及避免常見(jiàn)的常溫下不能發(fā)生的反應(yīng)不可以做原電池的誤區(qū)，深入理解化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)換。

（二）科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)

通過(guò)查閱資料和生活常識(shí)，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)化學(xué)原理解決實(shí)際問(wèn)題以及使用化學(xué)學(xué)科思想方法提出問(wèn)題的能力。例如，如何發(fā)現(xiàn)某原電池的缺點(diǎn)、如何改善其缺點(diǎn)、如何根據(jù)不同的需要設(shè)計(jì)不同的原電池等。

（三）科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任

培養(yǎng)學(xué)生體會(huì)化學(xué)就在我身邊，綠色化學(xué)從我做起，培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。

二、課堂使用資料

（1）銅鋅原電池的實(shí)際使用弊端。（2）變性淀粉資料。（3）用于心臟起搏器的電池。（4）鉛中毒資料。（5）甲醇燃料電池資料。

三、教學(xué)流程

（一）任務(wù)一：一次電池的原理、設(shè)計(jì)和改進(jìn)

教師引入：“之前我們學(xué)習(xí)的銅、鋅、稀硫酸原電池可以產(chǎn)生電流，讓小燈泡發(fā)亮。如果野外求生時(shí)帶這樣的電池和燈泡組合有哪些缺點(diǎn)？”學(xué)生討論，設(shè)想實(shí)際情境并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

【實(shí)際問(wèn)題1】硫酸會(huì)灑出來(lái)。

教師聯(lián)系電池發(fā)展史，提供書(shū)籍《電池的秘史》85～86頁(yè)復(fù)印件，提出問(wèn)題：“歷史上，人們?cè)谑褂勉~、鋅、稀硫酸組成的原電池遇到了哪些問(wèn)題？”請(qǐng)學(xué)生設(shè)計(jì)方案解決硫酸灑出來(lái)的問(wèn)題。學(xué)生思考：“硫酸溶液是液體且流動(dòng)性好，所以容易灑出來(lái)?！苯處熖釂?wèn)：“生活中什么物質(zhì)可以讓流動(dòng)性好的液體變粘稠？”學(xué)生回答：“加入淀粉有可能讓流動(dòng)性好的硫酸溶液變粘稠，但是廚房中使用的淀粉溶液不能長(zhǎng)久保存，因此最好找容器把硫酸密封起來(lái)?！薄柏?fù)極材料鋅和正極材料銅都可以用來(lái)密封，選擇鋅較好?！苯處熜〗Y(jié)：“淀粉溶液不能長(zhǎng)久保存，人們做了很多努力嘗試改進(jìn)這一問(wèn)題（提供課外閱讀材料）。同時(shí)，人們嘗試用消耗性的負(fù)極材料金屬鋅作為外殼，把整個(gè)電池裝置密封起來(lái)。”

【實(shí)際問(wèn)題2】隨著電池的使用，鋅外殼變薄。內(nèi)部液態(tài)的電解質(zhì)會(huì)很快漏光。

學(xué)生解決：“給電池加塑料外殼?！?/p>

【實(shí)際問(wèn)題3】硫酸的濃度選擇。

教師引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度理解原電池工作原理和反應(yīng)實(shí)質(zhì)。學(xué)生解決：“硫酸濃度高反應(yīng)快，硫酸濃度低總電量少。最好選自由移動(dòng)的氫離子濃度低、氫離子總量高的酸。反應(yīng)實(shí)質(zhì)是硫酸中的氫離子反應(yīng)，所以把強(qiáng)酸硫酸換成弱酸更好?！?/p>

【實(shí)際問(wèn)題4】密封的鋅桶，產(chǎn)生氫氣，容易炸。

教師引導(dǎo)學(xué)生從氧化還原角度理解原電池工作原理，可以通過(guò)改變氧化還原反應(yīng)來(lái)改變?cè)姵亍W(xué)生解決：“換一種能與鋅發(fā)生氧化還原反應(yīng)且不產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)?！苯處煟骸白钤绲幕瘜W(xué)電池——鋅錳電池，糊狀物為氯化銨顯酸性，而且不釋放出氣體。為了延長(zhǎng)電池壽命和提高性能，人們又在此基礎(chǔ)上研制了堿性鋅錳電池。自放電更少，電池壽命更長(zhǎng)。”教師展示堿性鋅錳電池電極構(gòu)造示意圖和電極反應(yīng)式。學(xué)生討論堿性鋅錳電池優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

（二）任務(wù)二：二次電池的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和改進(jìn)

【實(shí)際問(wèn)題5】堿性鋅錳電池只能使用一次，比較浪費(fèi)。

學(xué)生解決：“設(shè)計(jì)可反復(fù)使用的二次電池?！苯處煟骸皩?xiě)出生活中常見(jiàn)的二次電池的鉛酸電池和鋰離子電池的充放電總反應(yīng)式?！睂W(xué)生寫(xiě)出電極反應(yīng)式。

教師給出資料，電動(dòng)車(chē)常用的鉛酸電池中含有鉛，展示鉛對(duì)環(huán)境和人的影響。學(xué)生討論鉛酸電池和鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

【實(shí)際問(wèn)題6】聯(lián)系實(shí)際，設(shè)計(jì)一款二次電池最好符合哪些要求？

學(xué)生解決：“選擇對(duì)環(huán)境無(wú)污染的物質(zhì)。根據(jù)原電池原理模型判斷，應(yīng)選擇相同質(zhì)量給出電子多的元素?！苯處熣故静糠衷氐哪栙|(zhì)量與價(jià)電子數(shù)之比（見(jiàn)表1）。

表1 部分元素的摩爾質(zhì)量與價(jià)電子數(shù)之比

學(xué)生解決：“越靠近表格左邊的元素，相同質(zhì)量給出的電量越多，因此可選用左邊的元素做電池負(fù)極?！苯處煟骸耙?yàn)锽e具有毒性，因此一般研究制作電池不考慮Be?！闭故静煌刈麟姵刎?fù)極材料的研制年代（見(jiàn)表2）。

表2 不同元素作電池負(fù)極材料的研制年代

（三）任務(wù)三：燃料電池的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

【實(shí)際問(wèn)題7】如何讓相同質(zhì)量給出的電量多的氫氣作負(fù)極，制作原電池？

學(xué)生思考：“原電池本質(zhì)為自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。最常見(jiàn)的氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)的氧化還原反應(yīng)為氫氣燃燒?！睂W(xué)生討論如何把氫氣的燃燒反應(yīng)設(shè)計(jì)為原電池。教師提供氫氧燃料電池的電極反應(yīng)和裝置，學(xué)生動(dòng)手組裝燃料電池。（因課堂時(shí)間有限，實(shí)驗(yàn)是第二個(gè)課時(shí)的內(nèi)容）

【實(shí)際問(wèn)題8】組裝的燃料電池的技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)用難點(diǎn)。

教師：“三星公司早在2006年就公布了Q35筆記本電腦使用燃料電池，為何現(xiàn)在我們使用的還是鋰電池？燃料電池有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？請(qǐng)閱讀并查找資料寫(xiě)一篇小論文?！?/p>

四、總結(jié)與討論

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出，讓問(wèn)題和任務(wù)引領(lǐng)課堂，在現(xiàn)實(shí)情境中開(kāi)展教學(xué)。本課的難點(diǎn)不僅在于要讓學(xué)生理解原電池模型并進(jìn)行應(yīng)用，還需要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)想現(xiàn)實(shí)中實(shí)際發(fā)生的現(xiàn)象，自己找出存在的問(wèn)題，并提出符合科學(xué)邏輯的解決問(wèn)題的猜想。

作為一節(jié)與實(shí)際生活聯(lián)系緊密的課程，學(xué)生本身就有很多相關(guān)常識(shí)和感悟。除了參與課程的積極性高，更容易發(fā)展其“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”較高層面的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。在討論“問(wèn)題1”時(shí)，電解質(zhì)溶液灑出問(wèn)題，因其與生活相關(guān)，學(xué)生較容易提出向溶液中摻淀粉嘗試調(diào)成糊狀的猜想。對(duì)比化學(xué)家的嘗試，明確加入淀粉電池就會(huì)發(fā)霉。既能增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還可以提醒學(xué)生一定要多方面考慮問(wèn)題，同時(shí)權(quán)衡事物的利弊兩方面，明白滿(mǎn)足了電解質(zhì)溶液成糊這一個(gè)條件，不一定就可以直接應(yīng)用。此外，本課可使學(xué)生主動(dòng)對(duì)原電池原理及模型進(jìn)行更加深入的思考和探究。

需要注意是，有時(shí)學(xué)生的思路會(huì)跑偏或停滯，需要教師及時(shí)干預(yù)和引導(dǎo)。例如，針對(duì)“問(wèn)題1”，在有學(xué)生提出為什么不用銅做外殼時(shí)，討論出現(xiàn)停滯。教師適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生，與正極材料相比，該電池的負(fù)極材料被消耗，所以從成本上考慮，負(fù)極材料需要更多。為了降低成本，正極材料選導(dǎo)電、價(jià)廉的即可，不必使用太多。再如，展示廢電池中含有汞、鎘、鉛、鋅等重金屬有毒物質(zhì)的毒性影響時(shí)，學(xué)生討論過(guò)于熱烈，教師適時(shí)提出問(wèn)題“如何避免環(huán)境污染”對(duì)討論進(jìn)行干預(yù)，同時(shí)也讓學(xué)生體會(huì)“綠色化學(xué)”從源頭上杜絕污染的精神。在課堂推進(jìn)方面，由于本課討論課的性質(zhì)，教師要注意給予學(xué)困生更多回答問(wèn)題的機(jī)會(huì)，避免他們因“懶得”思考而直接聽(tīng)答案的現(xiàn)象。本節(jié)課兩個(gè)班因條件所限，均采用集體授課模式，討論也是集體討論，猜想如果用小組討論的模式效果可能會(huì)更好。