基于真實情境培養學生化學學科核心素養
———以“電動車的動力電池”教學設計為例

◇ 北京 蔡元博 賀 新

隨著社會的發展和人們生活水平的提高,與能源和環境相關的問題也越來越密切地影響著我們每一個人的生活.其中,傳統燃油汽車所帶來的能源與環境問題更是與我們的日常出行息息相關,以電動汽車為代表的新能源汽車逐漸取代部分傳統燃油汽車是緩解此類問題的一個重要舉措.

本節課選擇了與當今能源問題、環境問題緊密關聯的電動汽車作為素材.在電動汽車中,提供行駛動力的電池無疑是重要的核心部件,也是與能源和環境問題關系最為緊密的部分.因此,我們選擇了電動車動力電池作為化學電源的素材,組織學生開展分析解釋、推論預測、設計評價等學習活動.以較為簡單和熟悉的鉛蓄電池為載體,幫助學生認識電極反應、電極材料、離子導體、電子導體是構成電化學裝置的基本要素,建立對電化學體系的基本分析思路,提高學生對電化學本質的認識.再以相對陌生的鎳氫電池為載體,進一步發展學生對原電池和電解池工作原理的認識,鞏固所學的思路方法,并培養學生利用相關信息分析陌生電化學體系的能力.

1 學習內容分析

本節課程內容主要基于人教版《選修4》第四章第二節化學電源,在《普通高中化學課程標準(2017 年版)》中對原電池和電解池的要求是能辨識簡單的原電池的構成要素,能分析原電池和電解池的工作原理,能設計簡單的原電池和電解池,認識電解在物質轉化和儲存能量中的具體應用.對于化學電源的要求是能列舉常見的化學電源,能舉例說明化學電源對提高生活質量的重要意義,并能利用相關信息分析化學電源的工作原理.

汽車中的動力電池都是可充電的二次電池,借助對汽車動力電池發展史中的幾種經典電池的性能比較,了解電池的哪些性能指標對其實際應用有重要影響,學會從實際角度、綜合角度去看待問題.動力電池的發展先后經歷了鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等多種類型,其中鋰離子電池又有多種不同的組成結構,目前仍然有新型電池在不斷的研發中.在一節課的時間內無法將所有這些不同種類的電池全部討論清楚,否則對每種電池的學習都只能流于表面而沒有時間進行深入分析,這樣不符合高二學生應該達到的認知層次.因此本節課以鉛蓄電池和鎳氫電池為代表,分析其充放電過程的工作原理,鞏固原電池的相關知識,初步了解電解池的相關概念,同時培養學生對陌生情境下復雜問題的分析能力.

2 學情分析

學生在《必修2》中已經學習了原電池的基本構成和原理,但他們對原電池的認識主要還停留在銅—鋅電池等簡單的原電池模型上,對于稍復雜的、真實的原電池原理的分析還比較生疏,對電化學體系的分析思路還未熟練掌握.同樣,在《必修2》中,學生已經認識一些化學電源的基本組成,包括鉛蓄電池的結構和放電過程也已經有所了解,但沒有深入對電池的構成要素進行仔細分析,也沒有介紹充電過程的工作原理.另一方面,對于電解池的工作原理,學生并沒有進行系統的學習,只有一些“電解是使用外接電源將電能轉化為化學能”“電解是發生原電池反應的逆過程”等簡單認識.學生對本節學習的障礙點主要表現在以下兩方面：

1)對電池的認識停留在理論模型的層面,對復雜的實際問題難以抽提出簡單的模型.

2)對電解原理的認識不足,分析電池的充電過程時可能面臨困難.

3 學習目標

化學電源本身是對原電池和電解池工作原理的實際應用,因此本節課的學習目標如下.

1)深入理解原電池的工作原理,初步了解電解池.

2)通過對鉛蓄電池充放電原理的分析,鞏固原電池的基本知識,建立分析電化學體系的基本思路.

3)通過對鎳氫電池充放電原理的討論,進一步鞏固分析電化學問題的基本思路和方法,提高對陌生電化學問題的分析能力.

4 教學重點

鉛蓄電池的工作原理.

5 教學難點

分析電化學問題的基本思路和方法.

6 教學過程

環節1引入電動汽車

教師引導：從能源和環境的角度,引導學生分析傳統燃油汽車到新能源汽車的轉變.

學生活動：思考代替熱能的能量轉化方式,從而想到使用電能的電動汽車.

設計意圖：了解化學對科技發展的影響,體會化學在能源、環境問題上所承擔的責任.

環節2比較幾種電動車電池的優缺點,暢想動力電池的發展方向

教師引導：介紹電動車及所用電池的發展過程,引導學生思考電池實際使用過程中所面臨的問題.

[提問]結合材料1以及對電動汽車的理解,分析鉛蓄電池、鎳氫電池及鋰離子電池的優缺點.

材料1：鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池的性能比較,見表1.

比能量：單位質量或單位體積的電池所能放出的電能大小.

功率密度：電池的輸出功率與其質量之比.

自放電率：開路狀態下電池放置30天時其電池容量損失的百分比.

表1

學生活動：1)分析所給材料,討論并回答三種電池的優缺點.

2)思考這些電池的性能指標在實際使用中分別對應電動汽車的什么性能.

3)暢想理想中的汽車動力電池應該具有什么樣的性能.

設計意圖：通過對鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池性能指標的比較,了解電池在實際應用中所需要面對的問題,了解比能量、功率密度、循環壽命、自放電、單體電壓等化學電源中常見的概念,理解目前新型動力電池的研發方向.

環節3最早的動力電池——鉛蓄電池

教師引導：結合圖片介紹鉛蓄電池的構造,結合鉛蓄電池工作原理的視頻,引導學生思考鉛蓄電池的充放電原理.

[提問](1)分析鉛蓄電池的工作原理.(2)結合工作原理和材料2,分析鉛蓄電池循環壽命較短的原因.

材料2：廢棄的鉛蓄電池

鉛蓄電池在長時間使用后內阻逐漸增大,電池容量逐漸減小,只能進行廢棄和回收.廢棄的電池中可發現酸液的酸性顯著下降,極板上附著有大量不溶的PbSO4顆粒,且這種PbSO4顆粒體積大、導電性差,常規方法難以將其重新轉化為活性物質,同時在負極板底部也發現因產生氣體而脫落的活性物質.

學生活動：1)觀察圖片和視頻,分析鉛蓄電池的基本構成要素以及放電時的工作原理,填寫學案中的表格.

2)與其他同學分享思考的過程和結果.

3)結合對充電過程的理解,分析充電時鉛蓄電池的工作原理,并將其填寫于學案中.

4)思考鉛蓄電池壽命較短的原因.從材料2中提取出“內阻增大”“容量減小”“酸性下降”“附著大量PbSO4顆粒”“產生氣體”“活性物質脫落”等現象,并結合電池放電時產生PbSO4、充電時H＋放電等電極反應,對這些現象進行合理解釋.

教師總結：鉛蓄電池結構簡單、材料來源廣泛、價格低廉,因而成為電動汽車最早使用的動力電池,并且直到今天依然在使用.不過,由于鉛蓄電池質量較大,導致其比能量、比功率較小,使得電動車的速度和續航能力不足,同時鉛蓄電池又存在循環壽命較短的問題,因此現在主要應用于小型電動車和短途公共汽車之中.那么如何解決比能量、比功率小的問題呢? 一種思路是使用較輕質的材料,在此背景下鎳氫電池應運而生.

設計意圖：1)依托對相對簡單的鉛蓄電池充放電過程的學習,鞏固原電池的基本知識,建立起原電池的基本結構模型,學會分析電化學體系的基本思路和方法,初步了解電解池裝置.

2)理解鉛蓄電池循環壽命短的原因是實際使用過程中隨著導電性較差的PbSO4的累積、H2SO4濃度的降低,電池內阻不斷增加,同時充電時部分H＋也發生放電產生小氣泡H2使活性物質脫落.對這類問題的分析能幫助我們在生活中更好地應對出現的問題.

環節4讓車跑得更遠的鎳氫電池——電化學原理的鞏固與深化

教師引導：介紹鎳氫電池的構造,引導學生思考鎳氫電池的充放電原理.

[提問](1)依據工作原理圖(圖1),分析鎳氫電池的工作原理.

(2)根據材料3,分析鎳氫電池自放電過程中NH3的作用,推測所使用的選擇透過性膜有何特點.

圖1 鎳氫電池工作原理示意圖

材料3：鎳氫電池自放電的機制

鎳氫電池的自放電有很多可能的機制,其中一種機制如下：電極的正極材料制造時容易混有氮化物雜質,雜質在水中溶解產生NH3,并以NH3和NO－2的形式在兩電極之間循環,使得正、負極退化,電池容量降低.

針對這種自放電機制,研究者優化了電極材料,并制造出了特殊的選擇透過性膜作為隔膜,可以有效阻隔NH3和NO－2在電池中的循環,從而大幅降低了鎳氫電池的自放電率.

學生活動：1)觀察并分析鎳氫電池的工作原理示意圖,模仿上一環節中對鉛蓄電池的分析過程,分析鎳氫電池的工作原理,填寫學案中的表格.

2)與其他同學分享思考的過程和結果.

3)思考問題(2),從材料3中提取“NH3和NO－2在兩電極之間循環”等關鍵信息,分析出NH3在自放電中的電極反應,結合溶液中離子的遷移提出合理的推測.

教師總結：鎳氫電池的高比能量和高比功率大大提升了電動車的續航能力,使電動車的遠距離行駛成為可能.但是它的單體電壓較低,導致電動車動力稍顯不足,尤其是其較高的價格和較高的自放電率又給日常的使用帶來了很多不便.因此鎳氫電池在鋰離子電池發展起來后逐漸退出主流市場,目前只有少部分純電動汽車和油電混合動力汽車還在使用.但是隨著技術的發展,鎳氫電池的自放電率問題也正在逐步得到解決,將來鎳氫電池也可能重新得到廣泛應用.

設計意圖：1)以相對陌生且復雜的鎳氫電池為對象,將上一環節建立的原電池基本結構模型、分析思路、分析方法進行實際應用.

2)鎳氫電池中增加了離子交換膜,構建了雙液原電池系統,借助對鎳氫電池的分析可了解電池結構中隔膜或鹽橋的作用,發展學生的認知.

7 教學反思

7.1 真實情境下的任務建構

化學電源主題本身就是所學知識的實際應用,在選擇情境時,我們選擇了更具社會探討價值的新能源汽車作為載體.新能源汽車所使用的動力電池可以作為化學電源的代表,既可作原電池與電解池工作原理的學習素材,又可將課堂所學的化學知識用于生產生活實際中作為學以致用的典型實例.同時,我們還希望課程更加貼近生活,能夠讓學生更充分地體會所學知識與生活的緊密聯系.因此在主干內容外,我們增加了兩部分內容：

1)比較鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池的各種性能,了解選擇電池時要考慮的重要指標;

2)從原理的角度試著去解釋鉛蓄電池和鎳氫電池在使用過程中可能遇到的問題.經過這樣的完善,本節課基本上做到既能在知識和技能層面上有足夠的深度,又能貼近生活,將書本上的知識落到實際中.

7.2 層層遞進的問題引導

在本課程的環節1和環節2,是電動車和動力電池的引入,所提的問題如“如何解決燃油汽車的能源和環境問題”“比較幾種動力電池的優缺點”等,學生可以基于生活常識和所給材料直接得到答案.通過師生間的共同討論,思維碰撞,使學生學會全面地看待問題.

在針對電池工作原理進行分析時,我們先使用了學生比較熟悉的鉛蓄電池.由于學生在《必修2》已經接觸過鉛蓄電池,且本節課前已經系統學習過原電池的基本原理,因此對鉛蓄電池放電過程的分析是較為簡單的.但是由于課前尚未系統學習過電解池的原理,所以對鉛蓄電池充電過程的分析有一定難度.基于此,我們提供了一段展示鉛蓄電池充放電工作原理的視頻,學生結合視頻的展示,可以總結出鉛蓄電池充放電的原理,我們再對充電過程進行探討和引導,使學生能夠初步理解充電過程與放電過程的關系,學習如何分析電解池裝置.在環節3的最后,我們基于鉛蓄電池循環壽命短的問題進行深入討論,這是對鉛蓄電池工作原理的應用,不僅需要充分熟悉原理,更需要能夠將原理與實際現象進行對應,因而對學生的分析能力提出了很高的要求.

在對鉛蓄電池的充放電原理進行學習后,再以鎳氫電池為例對環節3所學的分析思路進行鞏固.鎳氫電池本身是一個相對陌生的素材,我們提供的資料是鎳氫電池充放電的原理示意圖.要分析清楚鎳氫電池的工作原理,不僅要熟練掌握電化學裝置的分析思路,還要學會看圖,從圖上提取電極反應的相關信息,因此難度相對較高,它既是對環節3的鞏固,也是對學生學習狀況的即時反饋.同樣,在鎳氫電池原理分析之后,我們設計了相關的實際問題——鎳氫電池的自放電問題.對自放電原因和解決方案的分析一方面再次鞏固了陌生情境下對電化學裝置的分析,另一方面也對選擇透過性膜這一重要裝置有更直接的認識,通過層層遞進的問題引導不斷發展學生認知.

7.3 構建解決電化學問題的基本思路

本節課在分析鉛蓄電池充放電原理時,總結了電極種類(正負極或陰陽極)、電極反應物和生成物、電極反應、電子流動方向、離子遷移方向等在電化學體系中需要分析的內容以及它們之間的關系,在實際電化學體系的分析中可以依據其中部分信息推斷其余信息,并依據它們解決電化學問題.在鉛蓄電池和鎳氫電池原理的分析中反復使用這樣的分析思路,包括鎳氫電池的原理示意圖也與該分析思路相匹配,通過不斷地使用這種分析思路并將這種思路的分析過程記錄于學案中,使學生能夠熟練掌握并將其應用于陌生電化學問題的分析中.

8 結語

本節課將化學電源的學習融入“電動汽車”這一真實情境中,通過設置層層遞進的問題,讓學生在分析動力電池工作原理的過程中,構建解決電化學問題的基本思路和方法,并用其分析真實問題,促進了學生的思維發展,落實了化學學科核心素養.