高中化學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐

【摘要】本文以創(chuàng)新制作氫氧燃料電池為例，闡述在高中化學(xué)教學(xué)中開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的途徑：學(xué)生在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中探究理論、構(gòu)建模型、開(kāi)展試驗(yàn)、改進(jìn)模型，創(chuàng)新制作性能優(yōu)良的氫氧燃料電池，實(shí)現(xiàn)“綠色氫能”的轉(zhuǎn)化理論模型，有效提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng) 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

燃料電池 創(chuàng)新制作

【中圖分類號(hào)】G63 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2022）14-0100-05

具有模塊化、單元化特征的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式能有效組織以素養(yǎng)為本的學(xué)科教育教學(xué)。隨著項(xiàng)目研究的實(shí)施，學(xué)生能快速進(jìn)入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)，最終能創(chuàng)造性地解決實(shí)際問(wèn)題。本文以創(chuàng)新制作氫氧燃料電池的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為例，探討以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，以真實(shí)情境為載體，以問(wèn)題解決為任務(wù)，以學(xué)科知識(shí)構(gòu)建為目標(biāo)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的基本模型。

一、項(xiàng)目背景

情境是問(wèn)題產(chǎn)生的沃土。深入情境，聚焦情境主題，獨(dú)立思索，就可以產(chǎn)生與學(xué)科密切相關(guān)的又具有引領(lǐng)性的學(xué)習(xí)項(xiàng)目?；趯?shí)際問(wèn)題背景而開(kāi)展的具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)活動(dòng)，能使學(xué)科學(xué)習(xí)有效發(fā)生。

氫能已經(jīng)走進(jìn)我們的生活。北京冬奧會(huì)期間，奧運(yùn)火炬采用氫作為燃料;氫燃料電池汽車亮相，為賽事提供交通運(yùn)輸服務(wù)保障?！半p碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，氫能源得到更多關(guān)注。開(kāi)展氫氧燃料電池的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，能讓高中生參與燃料電池的制作、改進(jìn)和創(chuàng)新，體驗(yàn)科學(xué)研究的歷程，培養(yǎng)科學(xué)精神和責(zé)任意識(shí)。

二、項(xiàng)目目標(biāo)

在燃料電池教學(xué)中，教師應(yīng)該帶領(lǐng)學(xué)生由被動(dòng)解析燃料電池邁向制作和研發(fā)燃料電池，分別從宏觀和微觀視角分析理解燃料電池原理，構(gòu)建電極反應(yīng)中微觀粒子發(fā)生的變化和運(yùn)動(dòng)的知識(shí)的聯(lián)結(jié);用變化與平衡的思想觀念理解燃料電池的能量轉(zhuǎn)化和調(diào)控，理解電能輸出的多少、輸出的效率與物質(zhì)參與變化的多少之間的關(guān)系;在探究過(guò)程中獲得認(rèn)知，構(gòu)建知識(shí)體系，在實(shí)踐過(guò)程中調(diào)用、核驗(yàn)知識(shí)本質(zhì)，在探究式學(xué)習(xí)實(shí)踐中自然引發(fā)創(chuàng)新，在創(chuàng)新中靈活運(yùn)用知識(shí)，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任。據(jù)此，筆者將氫氧燃料電池的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)定為：創(chuàng)新制作氫氧燃料電池實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

三、項(xiàng)目任務(wù)

問(wèn)題產(chǎn)生于具體的學(xué)習(xí)、探究過(guò)程：或微觀變化的設(shè)想、或計(jì)量上的關(guān)系、或反應(yīng)轉(zhuǎn)化條件的控制，也可以是生產(chǎn)、生活、科研過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)際的問(wèn)題。這些問(wèn)題有梯度、有層次、有開(kāi)放性、有針對(duì)性，誕生于學(xué)習(xí)實(shí)踐的真實(shí)情景，與實(shí)踐密切相關(guān)。學(xué)生的學(xué)習(xí)探究過(guò)程因思考而不斷產(chǎn)生新的問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決就是新的學(xué)習(xí)任務(wù)，成了驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)的動(dòng)力源。

以項(xiàng)目總?cè)蝿?wù)為驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)化的各項(xiàng)子任務(wù)，這些子任務(wù)都是為總?cè)蝿?wù)的達(dá)成而設(shè)計(jì)產(chǎn)生。當(dāng)然，隨著項(xiàng)目推進(jìn)會(huì)遇到新的問(wèn)題，因此也會(huì)產(chǎn)生新的子任務(wù)。學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)的實(shí)踐過(guò)程中，能夠深刻理解、掌握新知識(shí)，構(gòu)建知識(shí)體系，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。因此，創(chuàng)新制作氫氧燃料電池項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的總?cè)蝿?wù)為：創(chuàng)新設(shè)計(jì)、制作氫氧燃料電池以驅(qū)動(dòng)小車模型。子任務(wù)分為：理論探究、模型初建、模型試驗(yàn)、模型改進(jìn)、創(chuàng)新制作、拓展探究等。

（一）理論探究

燃料電池與干電池或二次電池的主要區(qū)別在于反應(yīng)物不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，而是由外設(shè)裝備提供燃料和氧化劑等。燃料電池是一種環(huán)境友好的發(fā)電裝置：當(dāng)以H2為燃料時(shí)，產(chǎn)物為H2O。

筆者引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，了解各種離子傳導(dǎo)介質(zhì)條件下氫氧燃料電池的電極反應(yīng)。

負(fù)極：H2-2e-=2H+（酸性、中性環(huán)境）或H2-2e-+2OH-=2H2O（堿性環(huán)境）。

正極：O2+4e-+4H+=2H2O（酸性環(huán)境）或O2+4e-+2H2O=4OH-（中性、堿性環(huán)境）。

我們以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件為基礎(chǔ)，以綠色高效為原則，確定了電極材料和離子傳導(dǎo)介質(zhì)：石墨電極、硫酸鈉溶液（硫酸鈉溶液為中性溶液，無(wú)腐蝕性）。

（二）模型初建

根據(jù)原理，繪制設(shè)計(jì)圖，組裝實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

項(xiàng)目小組通過(guò)查閱資料，優(yōu)化電極材料和電解質(zhì)溶液的選擇：采用自制多孔石墨電極和具有較優(yōu)導(dǎo)電效率的相應(yīng)濃度的硫酸鈉溶液。用恰當(dāng)?shù)娜萜鞣謩e制取氫氣、氧氣，并導(dǎo)入多孔石墨電極區(qū)域，進(jìn)行放電測(cè)試（需做空白對(duì)比實(shí)驗(yàn)）。

實(shí)驗(yàn)方案：1.利用家用天然氣灶把石墨電極灼燒至通紅、冷萃，重復(fù)操作5次，制作多孔石墨電極;2.選用中性、無(wú)腐蝕性的硫酸鈉溶液作為離子傳導(dǎo)介質(zhì)，其濃度為0.5 mol/L（查閱文獻(xiàn)可知：物質(zhì)的量濃度為0.5 mol/L的硫酸鈉溶液導(dǎo)電性良好，濃度小于0.5 mol/L時(shí)導(dǎo)電率低，濃度大于0.5 mol/L時(shí)容易造成放電短路）;3.準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材：試管、導(dǎo)氣管、單孔膠塞，實(shí)驗(yàn)藥品：雙氧水、二氧化錳、稀硫酸、粗鋅（鋅與硫酸反應(yīng)、雙氧水的分解都是放熱反應(yīng)，會(huì)使塑料受熱變形，因此不宜使用塑料儀器）。

（三）模型試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)試項(xiàng)目產(chǎn)生的基本思路：表現(xiàn)其性質(zhì)特征的現(xiàn)象要明顯，代表其性能的參數(shù)要充分。新測(cè)試項(xiàng)目增加的情況：隨著項(xiàng)目推進(jìn)，新問(wèn)題出現(xiàn)，需要檢測(cè)預(yù)設(shè)測(cè)試項(xiàng)目之外更具代表性的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象既會(huì)讓我們明確一定條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，又會(huì)引發(fā)新的問(wèn)題。

結(jié)合物理電學(xué)知識(shí)，項(xiàng)目小組選擇了以下測(cè)試項(xiàng)目：用電流計(jì)和數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)電流信號(hào)。

試驗(yàn)現(xiàn)象：接通電流計(jì)，指針未發(fā)生偏轉(zhuǎn);用數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)，有不穩(wěn)定的微弱電流產(chǎn)生。進(jìn)行不導(dǎo)入燃料氣情況下的空白實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)也有不穩(wěn)定的電流產(chǎn)生。由此判斷，初建的燃料電池模型無(wú)法獲得有效的電流信號(hào)。項(xiàng)目小組推斷認(rèn)為：此條件下導(dǎo)入的氫氣與氧氣無(wú)法被多孔石墨電極有效吸附和催化放電。因而產(chǎn)生新的問(wèn)題：如何提高多孔石墨電極的吸附性和催化效率？

（四）模型改進(jìn)——“改進(jìn)1號(hào)”

解決“如何提高多孔石墨電極的吸附性和催化效率”這一問(wèn)題，需要聯(lián)想石墨電極電解制備氫氣、氧氣的原理：利用石墨為電極，電解水，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣，陰極產(chǎn)生氫氣。石墨具有強(qiáng)吸附力，推理氫氣、氧氣脫離電極前已經(jīng)在電極界面吸附達(dá)到飽和。據(jù)此，項(xiàng)目小組認(rèn)為可以用多孔石墨電極電解水制備氫氣、氧氣，氣體直接在電極上產(chǎn)生、附著。學(xué)生在了解多相催化劑原理的基礎(chǔ)上可以理解：石墨界面具有的強(qiáng)表面張力使其兼具較強(qiáng)的表面催化性能。

項(xiàng)目小組根據(jù)以上分析，展開(kāi)改進(jìn)試驗(yàn)活動(dòng)，設(shè)計(jì)新的電池模型——“改進(jìn)1號(hào)”。實(shí)驗(yàn)方案為：1.燃料氣供給。其原理為用多孔石墨電極電解水制備氫氣、氧氣，氣體直接在電極上產(chǎn)生、吸附、催化。操作為將6 V電壓學(xué)生電源接通多孔石墨電極，電解硫酸鈉溶液產(chǎn)生氫氣和氧氣，直至電極冒出大量氣泡。2.放電測(cè)試。用電流計(jì)檢測(cè)電流的產(chǎn)生，若有電流產(chǎn)生，接著檢測(cè)端電壓，再接入配置10 [Ω]小電機(jī)的玩具車進(jìn)行空轉(zhuǎn)測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：電流計(jì)指針明顯偏轉(zhuǎn)。明顯的電流信號(hào)給了項(xiàng)目小組極大的信心，學(xué)生立即對(duì)電流信號(hào)產(chǎn)生了進(jìn)一步探究的興趣。筆者引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有的物理知識(shí)，開(kāi)展電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向探究，電流強(qiáng)度、電壓大小的參數(shù)測(cè)定等活動(dòng)。從定量的角度獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：電流計(jì)指針向著附著氧氣的電極偏轉(zhuǎn)，負(fù)載玩具小車10 Ω電機(jī)的電流強(qiáng)度達(dá)到16 mA，端電壓最高達(dá)到2.2 V;驅(qū)動(dòng)玩具車空轉(zhuǎn)測(cè)試，車輪空轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間達(dá)到50 s。

根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目任務(wù)，項(xiàng)目小組分析此電池模型存在的不足：實(shí)驗(yàn)室提供的多孔石墨電極長(zhǎng)12 cm，即使用250 mL燒杯盛約200 mL的硫酸鈉溶液，也只能使電極有效浸泡長(zhǎng)度約6 cm，電極不能有效利用，而且溶液用量多、燒杯重量大，無(wú)法搭載到玩具車上。由此，提高該電池的比能量成為項(xiàng)目小組需要解決的問(wèn)題。

（五）創(chuàng)新制作——“改進(jìn)2號(hào)”

項(xiàng)目小組通過(guò)研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)多種改良設(shè)計(jì)，比如在石墨棒上捆綁附著碳粉的棉布，或?qū)⑹衾壴诤＞d上，電解吸附燃料氣或者制作儲(chǔ)氣容器，把燃料氣導(dǎo)入金屬絲球，實(shí)現(xiàn)吸附催化。這些設(shè)計(jì)，裝置復(fù)雜、體積龐大，且電流都比較小，只能驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管、音樂(lè)卡或小電機(jī)的風(fēng)葉驅(qū)動(dòng)等微功耗的器件，無(wú)法驅(qū)動(dòng)我們預(yù)備的較高功耗的玩具車。為了實(shí)現(xiàn)提高電池的比能量的目標(biāo)，項(xiàng)目小組進(jìn)行了創(chuàng)新探究。

項(xiàng)目小組根據(jù)已有實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行反思：多孔石墨電極材料本身的表面吸附能力是優(yōu)良的，不必要更換材料，那么可以從設(shè)計(jì)電極外觀入手進(jìn)行創(chuàng)新與優(yōu)化。由此，項(xiàng)目小組有了新設(shè)想，形成了創(chuàng)新方案。

“改進(jìn)2號(hào)”創(chuàng)新方案：1.實(shí)驗(yàn)室提供長(zhǎng)12 cm直徑約0.8 cm的石墨電極，用上文提到的方法將其制成多孔石墨電極后，又將其平均截為2段，每段再平均截成3段，共6段;用直徑0.02 mm的銅絲將每3小段多孔石墨電極綁成“三柱”型電極，獲得兩段這樣的電極。2.用50 mL的塑料杯替代250 mL燒杯，加約40 mL物質(zhì)的量濃度為0.5 mol/L的硫酸鈉溶液，使得每根電極有效浸泡長(zhǎng)度約4 cm，如此，每個(gè)電極達(dá)到12 cm的有效浸泡長(zhǎng)度。3.放電測(cè)試。先檢測(cè)端電壓，再接入10 Ω電機(jī)，串聯(lián)電流傳感器，監(jiān)測(cè)、收集電流數(shù)據(jù)。將所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與“改進(jìn)1號(hào)”的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

收集“改進(jìn)1號(hào)”電流數(shù)據(jù)，并與“改進(jìn)2號(hào)”的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（6 V電壓，0.5 A電解約10 s，至石墨電極有大量氣泡冒出，收集數(shù)據(jù)并對(duì)比）。

數(shù)據(jù)表明，“改進(jìn)2號(hào)”優(yōu)點(diǎn)顯著：1.溶液用量減少至原來(lái)的1/5左右;2.電池體積更小，重量更輕;3.最初一分鐘，回路的電流平均值提高約16.2%;4.電池有效放電時(shí)間延長(zhǎng)約100.0%;電池制作方法簡(jiǎn)單、方便演示或小組探究使用。

“改進(jìn)2號(hào)”體積、重量以及電流強(qiáng)度均達(dá)到驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)的基本要求，與“改進(jìn)1號(hào)”相比，其比能量顯著提高。驅(qū)動(dòng)測(cè)試結(jié)果顯示：接入6 V電壓，電解至兩極冒出大量氣泡所用時(shí)間約為10 s，小車行駛距離達(dá)1.8 m。

項(xiàng)目小組在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電解至兩極冒出大量氣泡時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)小車驅(qū)動(dòng)距離有著明顯影響。項(xiàng)目小組進(jìn)而對(duì)燃料電池持續(xù)放電驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)距離的極限進(jìn)行了測(cè)試，收集數(shù)據(jù)整理如表2所示。

數(shù)據(jù)表明，多孔石墨電極對(duì)燃料氣體的吸附量在電解冒出大量氣泡之后還可以繼續(xù)增加，否定了“多孔石墨電極冒出大量氣泡時(shí)就達(dá)到了吸附飽和狀態(tài)”這一認(rèn)識(shí)。最后測(cè)得有效電解40 s左右制備燃料氣，此電池可驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)的極限距離達(dá)到4.0 m。

（六）拓展探究

根據(jù)已有的能量轉(zhuǎn)化知識(shí)，項(xiàng)目小組產(chǎn)生了“綠色氫能”的構(gòu)想，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵哉宫F(xiàn)氫燃料電池的綠色優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)方案：利用晶體硅光電板替代學(xué)生電源，用40 W的白熾燈進(jìn)行了模擬太陽(yáng)光照試驗(yàn)，再利用日照進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：白熾燈模擬太陽(yáng)光，照射9 V、0.5 A的光電板，光電轉(zhuǎn)化，電解約30 s，燃料電池放電，可驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)1.5米;較強(qiáng)的太陽(yáng)光照射下測(cè)試，光電板輸出電壓約11 V，電流約0.6 A，5—10 s就可以實(shí)現(xiàn)電解產(chǎn)生大量氣泡，驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)達(dá)到1.5 m。“綠色氫能”裝置模型成功呈現(xiàn)構(gòu)想圖中各種能量形式的轉(zhuǎn)化：太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能;電解水，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能;氫氧燃料電池放電，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能;使1.8 V啟輝電壓的發(fā)光二極管閃亮，電能轉(zhuǎn)化為光能;驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。實(shí)驗(yàn)充分展現(xiàn)了氫能利用的綠色優(yōu)點(diǎn)。

四、項(xiàng)目成果

項(xiàng)目小組創(chuàng)新制作出性能很好的氫氧燃料電池，實(shí)現(xiàn)搭載、驅(qū)動(dòng)電機(jī)電阻為10 Ω的模型車，電解40 s制備燃料氣情況下可驅(qū)動(dòng)小車行進(jìn)距離達(dá)到4.0 m。成功利用輸出電壓為9 V的光電板模擬電解制備氫氣，實(shí)現(xiàn)“綠色氫能”的理論模型。氫氧燃料電池創(chuàng)新制作項(xiàng)目框架圖如圖8所示。

五、項(xiàng)目評(píng)價(jià)

創(chuàng)新制作的氫氧燃料電池的優(yōu)點(diǎn)可以概括為：電流大、體積小、容易制作、便于演示實(shí)驗(yàn)或小組探究實(shí)驗(yàn)使用。項(xiàng)目的模型試驗(yàn)使用靈敏電流計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、電流傳感器，獲得豐富、精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為理解燃料電池的原理、改進(jìn)燃料電池提供了事實(shí)依據(jù)。項(xiàng)目的實(shí)踐創(chuàng)新從原理出發(fā)，由設(shè)計(jì)圖到最初作品，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析存在的不足，提出改進(jìn)設(shè)想，形成創(chuàng)新方案，再試驗(yàn)，再改進(jìn)，最終創(chuàng)作出性能更好的燃料電池。由此，學(xué)生體驗(yàn)了一個(gè)相對(duì)完整的科學(xué)研究歷程，深刻理解了氫能開(kāi)發(fā)利用的綠色前景和存在的技術(shù)難關(guān)。學(xué)生的學(xué)科意識(shí)、知識(shí)、技能、能力得到協(xié)同發(fā)展，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得到一定程度提升。

雖然以質(zhì)子交換膜、鉑金粉末為材料的氫氧燃料電池工業(yè)制品，已經(jīng)能完全實(shí)現(xiàn)“持續(xù)導(dǎo)入燃料氣，從而持續(xù)放電”的理想狀態(tài)，但是我們對(duì)燃料電池的基礎(chǔ)研究仍不可缺少。高中階段基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件的探究和創(chuàng)新，是學(xué)生獲取知識(shí)、構(gòu)建知識(shí)體系的重要途徑。

高中化學(xué)教學(xué)以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為本，貫徹“教、學(xué)、評(píng)”一體化思想，教師需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行意義挖掘、知識(shí)挖掘、能力挖掘，促使課堂教學(xué)變革。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式是在課堂教學(xué)變革的過(guò)程中孕育產(chǎn)生的，值得我們繼續(xù)探究，不斷挖掘其內(nèi)在的教育價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：戴柏春（1979— ），廣西桂平人，一級(jí)教師，主要研究方向?yàn)橹袑W(xué)化學(xué)教學(xué)。