化學科學研究類情境在化學教學中的應用*

李美貴 鄧峰 余淞發

摘要： 基于化學學科核心素養的要求，以高考試題中電化學試題、相關的化學科研成果以及實際應用等素材為依據，在主題“電極反應方程式”的教學中，創設3個化學科學研究類情境，以期為化學情境教學的實踐提供新視角。

關鍵詞： 情境教學; 化學科學研究; 燃料電池; 鋰空氣電池; 電極反應式

文章編號： 10056629（2020）12004606

中圖分類號： G6338

文獻標識碼： B

1設計緣起

創設情境是將課程知識與學生的生活經驗、情感生命以及社會生產建構聯系的一個過程。已有研究[1，2]發現，化學教學中主要通過生活案例、化學實驗、科技與學術成果、化學史實、新舊知識間的聯系、背景知識、圖像、模型、動作、語言等方法創設情境。據統計，2017年版課標中“科學研究”類素材有55個，這些素材選取化學科學技術領域前沿、熱點的成果，一方面突出化學研究在社會生活和工業生產中發揮的應用價值，另一方面這類情境素材與高中化學知識緊密聯系，讓學生在學習化學知識的同時感受化學科學的發展與價值[3]，有助于發展學生化學學科核心素養。

以研究者在化學領域探索的新的物質結構、新的功能物質、新技術、新方向作為試題背景[4]，考查學生的能力與思維等綜合素質，是高考重要命題方式之一。如2019年全國Ⅰ卷第10題情境來源于論文“Coexistence of Physisorbed and Solvated HCl at Warm Ice Surfaces”[5]，介紹HCl氣體在253K冰面上吸附和溶解過程。第28題第（3）問選自于我國化學學者發表在《Science》上的“Atomiclayered Au clusters on αMoC as catalysts for the lowtemperature watergas shift reaction”[6]一文，在單原子催化能量變化的情境中考查學生分析催化吸附機理及反應過程的能量變化的能力。這種利用科技與學術成果創設的情境不僅具有現實意義，更能體現學科發展方向。

電化學在“化學反應原理”模塊中占有重要地位，也始終是高考試題的關注點。近幾年對電化學考查的內容集中在電極反應、電極符號、電池總反應以及微粒、產物的有關計算等。其中電極反應式是電化學知識學習中最重要的符號表征，是正負極判別、電子得失、環境分析的綜合應用，是電子、離子的移動方向以及電化學計算的基礎。學生完成化學2與“化學反應原理”第1章（均為魯科版）中原電池與電解池的基礎知識后，問卷調查結果顯示學生對“電極判斷、陰陽離子放電環境與介質”等基礎知識掌握較好，主要困難在于“電極反應式書寫與相關計算”方面。結合學生平時學習的表現發現，學生電極反應式的學習困難主要由題目中的陌生情境所致，不能靈活遷移所學知識?；诖?，筆者嘗試以“電極反應方程式”教學為例，挖掘科學研究成果類素材，創設教學情境，凸顯化學學科價值，提升學生分析問題和解決問題的能力。

2設計實踐

2.1教學目標

（1） 通過分析“電池示意圖”，提升圖文信息提取能力，克服陌生情境帶來的困難，發展獨立分析電極反應環境、書寫電極反應式等能力，建立電極反應式的一般書寫思維模型。

（2） 通過練習書寫燃料電池與金屬空氣電池，歸納總結兩種電池的電極反應式書寫的異同。

（3） 通過了解目前國內外“電池”的應用與發展狀況，明確電池的最新研究方向，認識電池在社會生產中的重要價值，認同電化學在化學學科中的重要性。

2.2教學框架

以選科組合為“歷史+化學+生物”的高二學生為授課對象，選取電池在社會應用、科研成果等方面的素材（主要涉及燃料電池與金屬空氣電池）作為情境，設計相應的教學框架如圖1所示。

2.3教學過程

[引入]呈現2張關于“電池”研究的圖片，分別是以“電池”和“battery”為關鍵詞在“中國知網”與“谷歌學術”上搜索的結果截圖。

[教師提問]從搜索結果上看，目前國內外有關“電池”的研究熱點主要集中在哪幾個方面？

[學生回答]燃料電池、鋰電池、鋰離子電池。

設計意圖： 研究現狀的截圖旨在說明電化學知識在中學階段的重要性是有依據的，并非“為考而學”。電化學知識不僅在生活中應用廣泛，在研究方面也不斷更新，且主要集中的點在燃料電池、鋰電池和鋰離子電池等。高考中對電化學的考查不僅具有現實意義，也符合未來學科的發展方向。

[教師設問]在之前的課程中學習的燃料電池主要是指氫氧燃料電池，那除氫氣外還有哪些常見的物質可以做燃料電池？

[學生思考]甲烷、乙烷、甲醇、乙醇等。

2.3.1情境一： 關于甲醇燃料電池的科研成果

為驗證上一環節學生推測甲醇、乙醇等可做燃料電池，選取發表在《自然能源》（JPS， Journal of Power Sources）上有關甲醇燃料電池論文中的圖片[7]作為情境（如圖2所示）。

[情境分析]圖片中的英文是陌生情境，但符號“-”“+”以及O2等都是熟悉的信息，且是突破電極方程式書寫的重要信息。另外需要提示學生圖片中“Proton exchange membrane”譯為質子交換膜。

[教師設疑]根據圖中信息，分析出正、負極，判斷出環境的酸堿性。

[學生分析]觀察圖中氣體箭頭走向可推論出正極是氧氣，負極是甲醇。由提示的質子交換膜，可分析出環境是堿性環境。

[教師追問]比較甲醇在酸性與堿性條件下氧化產物的區別。

[學生討論]酸性條件下甲醇的氧化產物是二氧化碳，但二氧化碳在堿性條件下會繼續反應，從而推論出堿性條件下的產物是碳酸根。

[學生交流]書寫思路： 第一步分析出正、負極的反應物，然后明確正極失去電子發生氧化反應，負極得到電子發生還原反應;第二步看環境是酸性還是堿性，從而確定電極反應產物;最后根據得失電子守恒與元素守恒等配平方程式，完成方程式的書寫。

[師生歸納]電極反應方程式的書寫模型： 分正負、明得失;看環境、找產物;配守恒、寫反應。

設計意圖： 以化學科研成果作為真實素材，設置一定的陌生情境，留給學生突破點（腳手架），根據圖文信息分析得出電池的基本概況。通過學生上臺書寫電極反應式，梳理書寫思路。共同總結出電極反應式書寫的一般模型： 分正負、明得失;看環境、找產物;配守恒、寫反應。

[情境應用]（根據論文情境編制試題）甲醇燃料電池（DMFC）可用于筆記本電腦、汽車、遙感通訊設備等，電解質是質子交換膜。氧氣在電極上的反應是O2+4H++4e-2H2O。下列敘述中不正確的是（）。

A 負極的反應式為CH3OH+H2O-6e-CO2↑+6H+

B 電池的總反應式是2CH3OH+3O22CO2+4H2O

C 電池工作時，H+由正極移向負極

D 電池工作時，電子從通入甲醇的一極流出，經外電路流入通氧氣的一極

設計意圖： 提取文中信息設置相關題目，一則鞏固知識，二則讓學生學會利用情境信息解決問題。

[教師追問]按照上述思路寫出乙烷燃料電池在酸性與堿性條件下的電極反應方程式。

[學生練習]模型應用、練習鞏固，查漏補缺。

[情境拓展]氫氧燃料電池（燃料電池）的實際應用成果介紹[8，9]。提供資料： （1）氫氧燃料電池汽車的優點;（2）氫氧燃料電池汽車國外市場;（3）數據顯示截至2018年底我國氫氧燃料電池汽車、加氫站、政策等方面信息。

[教師引導]從燃料本身的性質（化學知識）以及外在條件，如環境、經濟、政策等（方法視角）兩方面分析影響燃料電池在我國發展的因素。

[學生討論]制備氫氣技術難、儲存運輸危險、開拓市場需要經濟支撐……

[教師解疑]當前燃料電池汽車主要是以氫能為主要驅動力，制氫、儲氫以及加氫站等基礎設施建設成本高昂（有數據體現），加之我國國土面積大，鋪設基礎設施難度大，所以暫時沒有把重心傾斜到發展氫氧燃料電池汽車上面[10，11]。

設計意圖： 從化學的角度解釋燃料電池的優勢，感受研究燃料電池的必要性。通過呈現國內外燃料電池汽車存在的數據差異，引發學生從2個角度思考其中的原因。最后突出燃料電池電動產業基礎設施的分布、成本以及國情對市場的影響，解疑答惑！拓展部分知識難度不大，但主要目的是為了培養學生的思考分析能力，同時激發學生關注化學相關產業發展的興趣。

[教師設問]燃料電池不是新能源電動汽車的主要供電源。目前我國新能源電動汽車（綠色牌照）主要是由什么供能？

[學生回答]鋰電池和鋰離子電池。

2.3.2情境二： 關于鋰空氣電池的學術論文

以材料行業頂尖雜志——《自然材料》（nature materials）上關于鋰空氣電池的論文[12]中的圖片為背景（如圖3所示）。

[情境分析]論文中出現的電池模型（共4個）均在高考中出現過。鑒于課時與學生基礎，本課例主要分析圖3呈現的鋰空氣電池（其中2個）。兩個正負極材料相同，但由于電解質差異，導致產物不一樣。

[教師引導]從電池的正負極材料、電解質、電子流向等方面觀察兩個電池模型的異同點，并思考原因。

[學生觀察]同： 鋰O2電池;異： 電池中的電解質不一樣，產物不一樣。

[教師釋疑]前者電解質是有機電解質（Organic electrolyte），和鋰接觸不反應。后者是水溶液介質（Aqueous electrolyte），為了避免鋰和水溶液反應，所以中間有其他物質隔開。

[教師歸納]負極電極反應式獨立完成。正極電極反應書寫思路： 根據信息寫好反應物O2，得到電子，生成產物Li2O2，然后根據得失電子元素守恒配平得到： O2+2e-+2Li+Li2O2。依據此思路書寫第2個正極反應式。

[學生書寫]按照上述思路，書寫O2+4e-+2H2O+4Li+4LiOH。

設計意圖： 此處重點在于讓學生從熟悉信息出發，克服陌生情境帶來的困擾，掌握2個電池模型的正極反應式，難點在于需要用負極產物來配平反應式，所以教師引導書寫第1個正極反應式尤為重要。鋰電池與鋰離子電池生產應用廣泛，不僅是研究的熱點，也是高考考查的重點。學習這方面的知識，可以讓學生了解現在所學具有現實意義，且符合學科發展趨勢。

[情境應用]選題自2018年全國卷Ⅲ11。

一種可充電鋰空氣電池如圖4所示。當電池放電時，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x（x=0或1）。下列說法正確的是（）

A 放電時，多孔碳材料電極為負極

B 放電時，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極

C 充電時，電解質溶液中Li+向多孔碳材料區遷移

D 充電時，電池總反應為Li2O2-x2Li+（1-x2）O2↑

設計意圖： 一方面是鞏固前面知識點，另一方面追根溯源高考試題情境。顯化思想： 高考試題的情境不是憑空而來，而是基于實際應用與學科發展。

[過渡]除了鋰空氣電池之外，還有部分研究者致力于其他金屬空氣電池。思考： 其他金屬可以是什么？提示： 在金屬活動性順序表中能與空氣（氧氣）自發反應的金屬。

[學生]Mg、 Zn、 Al等金屬可考慮設計成金屬空氣電池。

2.3.3情境三： 關于鋅空氣電池的學術論文

展現清華大學汽車安全與能源國家重點實驗室發表在《應用能源》（Applied Energy）上的論文[13]圖片（如圖5所示），以之作為真實情境。

[情境分析]此情境中顯化“可充電電池”的兩個回路，引導學生可通過電子流向、比較反應物和生成物、區分負載和電源等3個方面進行分析，判斷出放電與充電回路。

[教師引導]圖5與前面的電池模型有所不同，上下有兩條線路。從電池的基本知識出發分析該示意圖，判斷放電回路與充電回路。

[學生匯報]O2是正極，Zn是負極;負極失去電子，正極得到電子;上面有燈泡，下面是電源等可以說明上半部分是放電回路，下半部分是充電回路。

[教師總結]正負極、得失電子與產物均已分析出，嘗試按照鋰空氣電池的書寫思路寫出正、負極電極反應式。

[學生展示]書寫負極： Zn-2e-Zn2-;正極： O2+4e-+2H2O4OH-

設計意圖： 創設“鋅空氣電池”情境的目的： （1）鋰空氣電池的鞏固與遷移。（2）證實前面的猜測： 根據金屬活動性順序表與原電池自發性原則猜測的Mg/Zn/Al空氣電池是的確存在的。在一定程度上預知“金屬空氣電池”的大致范圍，讓學生體會到這種模型的適用性。（3）多角度分析判斷兩個回路，體會電池的陌生情境存在多個已知的問題突破點。

[情境應用]選自2016年全國卷Ⅲ11題。

鋅空氣燃料電池可用作電動車動力電源，電池的電解質溶液為KOH溶液，反應為2Zn+O2+4OH-+2H2O2Zn（OH）2-4。下列說法正確的是（）

A 充電時，電解質溶液中K+向陽極移動

B 充電時，電解質溶液中c（OH-）逐漸減小

C 放電時，負極反應為： Zn+4OH--2e-Zn（OH）2-4

D 放電時，電路中通過2mol電子，消耗氧氣22.4L（標準狀況）

3實踐反思

本課例以“電化學的研究成果”為載體凸顯情境創設在教學中的應用。知識的情境化是活化知識并轉化為素養的重要途徑，解決知識與背景、理論與實踐、文字符號與實際事物之間的關系問題。譬如，“情境一”以激發學生了解電池的應用為目的，呈現“燃料電池目前發展情況”這一實際社會情境，共同培養學生“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”的素養。而依據3篇論文創設的情境，旨在幫助學生建構燃料電池、金屬空氣電池的電極反應式的書寫思維模型。依據電池圖示中熟悉的信息來推斷正負極、反應環境、充放電等可以培養學生“證據推理與模型認知”素養。因此，在實際的教學中可合理創設多樣化情境促進落實化學學科核心素養的理念。課后學生表示本節課不僅深化學習了電極方程式的書寫，還體會到了高考考查內容的深厚寓意，感受到書本知識、研究成果以及實際應用之間的聯系，這正是本節課教學的重要目標。

值得注意的是，在具體實施的過程中教師需要根據學生實際狀況選擇性地呈現情境的種類與深廣度。譬如，若學生基礎較好，可以將情境二（見文獻13）中另外2個鋰硫電池模型也作為情境之一;亦或以2019年化學諾貝爾獎項目（鋰離子電池）作為素材，增加鋰離子電池模型;對于信息化程度較高的學校，可引導學生課后收集資料，思考與分析鋰電池與鋰離子電池在實際應用中情況有何差異及其主要原因等。

參考文獻：

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