“化學(xué)核心素養(yǎng)”引領(lǐng)高三復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計的嘗試與思考

楊劍花

一、什么是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)？

高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組根據(jù)“中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)（征求意見稿）”和高中化學(xué)課程特點，提出了包括“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(rèn)知”、“實驗探究與創(chuàng)新意識”、“科學(xué)精神與社會責(zé)任”等五個要素的高中化學(xué)核心素養(yǎng)（簡稱“化學(xué)核心素養(yǎng)”）。

關(guān)于化學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的真正落腳點在哪里，應(yīng)該如何在實際教學(xué)中將該核心素養(yǎng)融入其中，對于核心素養(yǎng)的五大要素在不同的教學(xué)環(huán)節(jié)和不同的教學(xué)內(nèi)容中又是如何真正得以實現(xiàn)并落實……等等，都必須通過我們的教學(xué)實踐活動不斷地去研究與探索、提煉與總結(jié)。本文通過“原電池原理及應(yīng)用”一輪復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計為例，闡述筆者對核心素養(yǎng)某些要素的理解與實踐。

二、教學(xué)設(shè)計思路

“原電池原理及應(yīng)用”高三復(fù)習(xí)課主要包括以下知識點：原電池工作原理，常見的化學(xué)電源和金屬的腐蝕及防護(hù)。這三塊內(nèi)容涉及的知識本質(zhì)上均是原電池的原理。本節(jié)課在設(shè)計時以金屬的腐蝕引入并復(fù)習(xí)原電池的工作原理，通過問題驅(qū)動，嘗試將該反應(yīng)設(shè)計成金屬-空氣電池，由金屬-空氣電池→鋰-空氣電池→鋰金屬電池→鋰離子電池為主線，在電池的設(shè)計和改進(jìn)過程中，體會化學(xué)學(xué)科的價值，體會科學(xué)家的思維脈絡(luò)，激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)、將科學(xué)知識原理應(yīng)用于生產(chǎn)、生活及科技領(lǐng)域的強烈愿望，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)精神與社會責(zé)任”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、教學(xué)過程

情景創(chuàng)設(shè)：課件展示鋼鐵腐蝕的圖片，全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失占GDP的2%～4%，超過所有自然災(zāi)害造成損失的總和，導(dǎo)致極大的浪費。

問題一：寫出鋼鐵腐蝕過程的總反應(yīng)方程式（4Fe+3O2+2nH2O=2Fe2O3·nH2O）

問題二：雖然以上反應(yīng)導(dǎo)致鋼鐵生銹而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，但是換個角度思考該反應(yīng)是否有利用價值，從物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化兩個角度思考？

從物質(zhì)轉(zhuǎn)化角度看：該反應(yīng)中鐵粉可用于封閉環(huán)境中吸收氧氣，比如用作食品脫氧劑等

從能量轉(zhuǎn)化角度看：可以利用該反應(yīng)的熱能，如市售的暖寶寶、自熱食品等

展示暖寶寶和自熱食品圖片及配料表，共同配料：鐵粉、活性炭、氯化鈉、水

追問：里面的發(fā)熱包是怎么做到快速放熱的？

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生一分為二看問題，讓學(xué)生建立研究反應(yīng)的兩種角度，物質(zhì)變化和能量變化，即化學(xué)核心素養(yǎng)中的“變化觀念”

問題三：既然暖寶寶和自熱食品涉及的是原電池反應(yīng)，但最終化學(xué)能還是轉(zhuǎn)化為熱能，說明缺少合適的裝置將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，請大家設(shè)計一套裝置將上述反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。該裝置是如何將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能？分析該電池的工作原理，寫出電極反應(yīng)式，總反應(yīng)式。

練習(xí)1：金屬（M）–空氣電池（如下圖）具有原料易得、能量密度高等優(yōu)點，有望成為新能源汽車和移動設(shè)備的電源。該類電池放電的總反應(yīng)方程式為：4M+nO2+2nH2O=4M（OH）n。思考并回答以下問題：

1.采用多孔電極的目的是什么？

（提高電極與電解質(zhì)溶液的接觸面積，并有利于氧氣擴散至電極表面）

2.該電池工作時內(nèi)電路中離子如何移動？如果去掉陰離子交換膜，離子又如何移動？

3.在Mg–空氣電池中，為防止負(fù)極區(qū)沉積Mg（OH）2，應(yīng)采用什么離子交換膜？

4.M–空氣電池放電過程的正極反應(yīng)式如何書寫？

設(shè)計目的：鞏固原電池工作原理分析，突破離子交換膜的應(yīng)用

問題四：上述金屬—空氣電池是一次性電池，不可再充電，放電完全后只能更換負(fù)極板。美國佛羅里達(dá)州設(shè)計的一款電動汽車，電源就用鋁做負(fù)極，更換一次負(fù)極板可以行使1600公里。為什么用鋁-空氣電池而不用鐵-空氣電池？

設(shè)計意圖：設(shè)計輕而容量大的電池是人類追求的目標(biāo)，但負(fù)極反應(yīng)物的選擇不是盲目的，在目前已有知識的基礎(chǔ)上，學(xué)生應(yīng)該建立一個有序思維模型。模型認(rèn)知能力是以后解決眾多問題的一個重要能力。真實地電池研發(fā)同時還受制于材料的開發(fā)，學(xué)生通過化學(xué)史感知科學(xué)研究的不易。

學(xué)生很快意識到應(yīng)該提高單位質(zhì)量電池的容量，應(yīng)該尋找單位質(zhì)量提供電子物質(zhì)的量最大的金屬。例如Zn：65克～2mole—;Fe：56克～2mole—;Al：27克～3mole—。根據(jù)此思路可以將常見金屬提供1mol電子所需質(zhì)量（克）由大到小排列：

BeLiAlMgCaNaFe....

4.57912202328....

在電池工業(yè)上，用比容量（單位質(zhì)量的電極材料能釋放出的最大電能）來衡量電極的容量。鈹及其化合物毒性大，不適合做電極，目前比容量最大的是鋰，所以現(xiàn)在手機等便攜式的設(shè)備多用鋰電池。其次是鋁，鋁的價格便宜，安全性好，比容量大，所以鋁—空氣電池經(jīng)常用作航海航標(biāo)燈、水下潛艇等的電源。

練習(xí)2：鋰—空氣電池的放電原理如圖（隔膜只允許鋰離子通過），電池放電時的反應(yīng)可表示為：4Li+O2+2H2O=4LiOH。思考并回答以下問題：

1.寫出負(fù)極電極反應(yīng)式？

2.鋰常用于制作電池主要是因為什么？

3.放電時，內(nèi)電路中Li+如何移動？

4.為什么負(fù)極去用有機電解液，而不用水性電解液？

5.若去掉隔膜和有機電解液，電池反應(yīng)會不會改變？

6.以上鋰-空氣電池的致命缺陷在哪里？

（有機電解液一般是用碳酸酯類溶劑，溶解LiClO4、LiPF6等鋰鹽;隔膜允許Li+通過）

設(shè)計意圖：進(jìn)一步強化原電池工作原理，電極反應(yīng)式書寫及離子移動方向

以上鋰—空氣電池有個致命缺陷就是生成的LiOH會在正極上堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導(dǎo)致放電停止。因此鋰—空氣電池目前仍在開發(fā)中，市場上還買不到。

改進(jìn)：正極活性物質(zhì)改為金屬氧化物或其他固體、液體氧化劑，比如鋰二氧化錳Li/MnO2電池主要應(yīng)用于照相機以及電子儀器設(shè)備的記憶電源，鋰亞硫酰氯Li/SOCl2電池主要應(yīng)用于需要較大功率的無繩電動工具的電源等。

展示鋰-二氧化錳電池、鋰-亞硫酰氯電池的用途，電極材料，總反應(yīng)式和電極反應(yīng)式。

鋰電池具有比能量高、壽命長、耐漏液等優(yōu)點，目前廣泛應(yīng)用在手機、筆記本電腦上，但由于鋰的化學(xué)性質(zhì)太活潑，帶來極高的危險性，安全性較差。若電池外殼稍微裂開，空氣漏進(jìn)去，容易和鋰反應(yīng)放熱而爆炸;或者電池廠商為提升電池的能量密度，使用了較薄的隔膜，不能有效隔離正負(fù)極，進(jìn)而引發(fā)電池的短路而爆炸等。

改進(jìn)：用石墨作負(fù)極，鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等含鋰化合物材料作正極，研究表明這些材料的結(jié)構(gòu)中形成了納米級的細(xì)小微孔，可用來儲存鋰離子，這樣一來，即使電池外殼破裂，氧氣進(jìn)入，由于氧分子太大進(jìn)不了這些細(xì)小的微孔中，使得鋰不會和氧氣接觸而避免爆炸。而且石墨作負(fù)極材料無毒，且資源充足，鋰離子嵌入碳中，克服了鋰的高活性，解決了上述鋰電池存在的安全問題。此類電池稱為鋰離子電池。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。當(dāng)電池放電時，嵌在負(fù)極碳層中的鋰失電子生成離子脫出，經(jīng)過電解液、隔膜運動到正極，并嵌入到正極材料的微孔中;當(dāng)對電池進(jìn)行充電時則相反，電池的正極上有鋰離子脫出，經(jīng)過電解液運動到負(fù)極，嵌入到碳層的微孔中。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等物質(zhì)的量的電子的轉(zhuǎn)移。如下圖所示：

練習(xí)3：現(xiàn)如今太陽能電池已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，現(xiàn)代四大發(fā)明之一的共享單車也用上了太陽能電池。哈羅單車前面載物籃的底座就是太陽能電池，電極材料是LixC6/LiCoO2，太陽能電池的原理如圖所示，放電時正極反應(yīng)為xLi++xe-+Li（1-x）CoO2==LiCoO2，下列說法不正確的是（）

A.陽光照射該電池時，能量轉(zhuǎn)化過程：太陽能→電能→化學(xué)能

B.光照時負(fù)極的質(zhì)量減少C.太陽能電池板材料是Si

D.開鎖時，電池總反應(yīng)為Li1-xCoO2+LixC6==LiCoO2+6C

講述：我們班的林楷睿同學(xué)在今年5月份獲得69屆英特爾國際工程和科學(xué)大獎賽二等獎，他的獲獎項目《基于硬碳/石墨混合正極的鉀雙離子電池》，該電池是在鋰離子電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，下面請楷睿同學(xué)講講他的電池工作原理以及相比鋰離子電池的優(yōu)勢。

楷睿同學(xué)上臺分享他的科技成果。介紹鉀雙離子的電極材料，有機電解液，工作原理，以及改進(jìn)后的優(yōu)勢。

鉀雙離子的優(yōu)勢在于用硬碳/石墨代替鈷酸鋰等含鋰化合物做正極，極大地降低了成本，而且也沒有了鈷等元素的污染，體現(xiàn)了綠色化學(xué)的思想。楷睿的分享，讓同學(xué)們更加覺得創(chuàng)新離我們很近，化學(xué)的應(yīng)用并不是遙不可及，希望將來我們班能有一些同學(xué)從事這方面的研究，為國家的科技發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

結(jié)語：金屬的腐蝕是生活中的普遍現(xiàn)象，這是一個真實情景，每個學(xué)生都有切身體會，借助“金屬的腐蝕”能讓學(xué)生感知真實的化學(xué)。本節(jié)課的復(fù)習(xí)過程中嘗試培養(yǎng)學(xué)生“宏觀—微觀—符號”相結(jié)合的方式表征化學(xué)反應(yīng)的素養(yǎng)，讓學(xué)生形成物質(zhì)在一定條件下可發(fā)生變化，變化的過程遵循能量守恒的觀念。將金屬腐蝕反應(yīng)設(shè)計成金屬-空氣電池，利用原電池模型分析鋰電池工作原理，在一系列電池的設(shè)計與改進(jìn)的過程中體會化學(xué)學(xué)科的思維脈絡(luò)，對原電池本職屬性的認(rèn)知建構(gòu)起解決原電池問題的認(rèn)知模型，體現(xiàn)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)核心素養(yǎng);通過鋰離子電池電極材料微觀結(jié)構(gòu)分析，體現(xiàn)“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)核心素養(yǎng);通過化學(xué)電源鋰電池的應(yīng)用、改進(jìn)、發(fā)展的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)、發(fā)現(xiàn)科學(xué)美并將科學(xué)知識原理運用于生產(chǎn)、生活及科技領(lǐng)域的強烈愿望，體現(xiàn)“科學(xué)精神和社會責(zé)任”化學(xué)核心素養(yǎng)。整節(jié)課通過一些列問題以及練習(xí)的解決使學(xué)生保持對物質(zhì)及其變化的好奇和探究欲望，培養(yǎng)學(xué)生積極探索科學(xué)問題的熱情和解決生產(chǎn)生活中的化學(xué)問題的擔(dān)當(dāng)和能力，突出化學(xué)科學(xué)對提高人類生活質(zhì)量和促進(jìn)讓人類社會發(fā)展的價值。