立足實際培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)
——“化學電源”課堂實錄

山東曲阜師范大學附屬中學 孫 航

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出，化學學科的核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”五個方面。相比而言，前三個方面的內(nèi)容在平時的授課中更容易涉及，而基于實踐層面和更高層面的“科學探究與創(chuàng)新意識”和“科學態(tài)度與社會責任”兩方面與生活實際聯(lián)系更緊密，教師需要結(jié)合恰當?shù)慕虒W內(nèi)容，在教學中適時引導(dǎo)學生思考討論，達到全面培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)的目的。

一、“化學電源”學情分析和教學目標

（一）證據(jù)推理與模型認知

學生已經(jīng)學習了原電池的工作原理和基本構(gòu)成要素，明白其中存在化學能和電能的轉(zhuǎn)化。對銅鋅原電池的電化學過程已經(jīng)有了一定的認識，初步掌握了原電池的基本模型。通過本課學習，學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)上進行簡單的設(shè)計，以及避免常見的常溫下不能發(fā)生的反應(yīng)不可以做原電池的誤區(qū)，深入理解化學能和電能的轉(zhuǎn)換。

（二）科學探究與創(chuàng)新意識

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

（三）科學態(tài)度與社會責任

培養(yǎng)學生體會化學就在我身邊，綠色化學從我做起，培養(yǎng)學生可持續(xù)發(fā)展意識。

二、課堂使用資料

（1）銅鋅原電池的實際使用弊端。（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、教學流程

（一）任務(wù)一：一次電池的原理、設(shè)計和改進

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

【實際問題1】硫酸會灑出來。

教師聯(lián)系電池發(fā)展史，提供書籍《電池的秘史》85～86頁復(fù)印件，提出問題：“歷史上，人們在使用銅、鋅、稀硫酸組成的原電池遇到了哪些問題？”請學生設(shè)計方案解決硫酸灑出來的問題。學生思考：“硫酸溶液是液體且流動性好，所以容易灑出來。”教師提問：“生活中什么物質(zhì)可以讓流動性好的液體變粘稠？”學生回答：“加入淀粉有可能讓流動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久保存，因此最好找容器把硫酸密封起來。”“負極材料鋅和正極材料銅都可以用來密封，選擇鋅較好。”教師小結(jié)：“淀粉溶液不能長久保存，人們做了很多努力嘗試改進這一問題（提供課外閱讀材料）。同時，人們嘗試用消耗性的負極材料金屬鋅作為外殼，把整個電池裝置密封起來。”

【實際問題2】隨著電池的使用，鋅外殼變薄。內(nèi)部液態(tài)的電解質(zhì)會很快漏光。

學生解決：“給電池加塑料外殼。”

【實際問題3】硫酸的濃度選擇。

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

【實際問題4】密封的鋅桶，產(chǎn)生氫氣，容易炸。

教師引導(dǎo)學生從氧化還原角度理解原電池工作原理，可以通過改變氧化還原反應(yīng)來改變原電池。學生解決：“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)。”教師：“最早的化學電池——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。”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。學生討論堿性鋅錳電池優(yōu)點和缺點。

（二）任務(wù)二：二次電池的優(yōu)點、缺點和改進

【實際問題5】堿性鋅錳電池只能使用一次，比較浪費。

學生解決：“設(shè)計可反復(fù)使用的二次電池。”教師：“寫出生活中常見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。”學生寫出電極反應(yīng)式。

教師給出資料，電動車常用的鉛酸電池中含有鉛，展示鉛對環(huán)境和人的影響。學生討論鉛酸電池和鋰離子電池的優(yōu)點和缺點。

【實際問題6】聯(lián)系實際，設(shè)計一款二次電池最好符合哪些要求？

學生解決：“選擇對環(huán)境無污染的物質(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。”教師展示部分元素的摩爾質(zhì)量與價電子數(shù)之比（見表1）。

表1 部分元素的摩爾質(zhì)量與價電子數(shù)之比

學生解決：“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極。”教師：“因為Be具有毒性，因此一般研究制作電池不考慮Be。”展示不同元素作電池負極材料的研制年代（見表2）。

表2 不同元素作電池負極材料的研制年代

（三）任務(wù)三：燃料電池的優(yōu)點和缺點

【實際問題7】如何讓相同質(zhì)量給出的電量多的氫氣作負極，制作原電池？

學生思考：“原電池本質(zhì)為自發(fā)進行的氧化還原反應(yīng)。最常見的氫氣發(fā)生氧化反應(yīng)的氧化還原反應(yīng)為氫氣燃燒。”學生討論如何把氫氣的燃燒反應(yīng)設(shè)計為原電池。教師提供氫氧燃料電池的電極反應(yīng)和裝置，學生動手組裝燃料電池。（因課堂時間有限，實驗是第二個課時的內(nèi)容）

【實際問題8】組裝的燃料電池的技術(shù)難點和應(yīng)用難點。

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)點和缺點？請閱讀并查找資料寫一篇小論文。”

四、總結(jié)與討論

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出，讓問題和任務(wù)引領(lǐng)課堂，在現(xiàn)實情境中開展教學。本課的難點不僅在于要讓學生理解原電池模型并進行應(yīng)用，還需要引導(dǎo)學生設(shè)想現(xiàn)實中實際發(fā)生的現(xiàn)象，自己找出存在的問題，并提出符合科學邏輯的解決問題的猜想。

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

需要注意是，有時學生的思路會跑偏或停滯，需要教師及時干預(yù)和引導(dǎo)。例如，針對“問題1”，在有學生提出為什么不用銅做外殼時，討論出現(xiàn)停滯。教師適當引導(dǎo)學生，與正極材料相比，該電池的負極材料被消耗，所以從成本上考慮，負極材料需要更多。為了降低成本，正極材料選導(dǎo)電、價廉的即可，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，學生討論過于熱烈，教師適時提出問題“如何避免環(huán)境污染”對討論進行干預(yù)，同時也讓學生體會“綠色化學”從源頭上杜絕污染的精神。在課堂推進方面，由于本課討論課的性質(zhì)，教師要注意給予學困生更多回答問題的機會，避免他們因“懶得”思考而直接聽答案的現(xiàn)象。本節(jié)課兩個班因條件所限，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更好。