高中化學項目式學習的教學實踐

【摘要】本文以創新制作氫氧燃料電池為例，闡述在高中化學教學中開展項目式學習的途徑：學生在項目式學習中探究理論、構建模型、開展試驗、改進模型，創新制作性能優良的氫氧燃料電池，實現“綠色氫能”的轉化理論模型，有效提升化學學科核心素養。

【關鍵詞】化學學科核心素養 項目式學習

燃料電池 創新制作

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）14-0100-05

具有模塊化、單元化特征的項目式學習模式能有效組織以素養為本的學科教育教學。隨著項目研究的實施，學生能快速進入深度學習狀態，最終能創造性地解決實際問題。本文以創新制作氫氧燃料電池的項目式學習為例，探討以發展化學學科核心素養為主旨，以真實情境為載體，以問題解決為任務，以學科知識構建為目標的項目式學習的基本模型。

一、項目背景

情境是問題產生的沃土。深入情境，聚焦情境主題，獨立思索，就可以產生與學科密切相關的又具有引領性的學習項目。基于實際問題背景而開展的具有挑戰性的學習活動，能使學科學習有效發生。

氫能已經走進我們的生活。北京冬奧會期間，奧運火炬采用氫作為燃料;氫燃料電池汽車亮相，為賽事提供交通運輸服務保障。“雙碳”目標驅動下，氫能源得到更多關注。開展氫氧燃料電池的項目式學習，能讓高中生參與燃料電池的制作、改進和創新，體驗科學研究的歷程，培養科學精神和責任意識。

二、項目目標

在燃料電池教學中，教師應該帶領學生由被動解析燃料電池邁向制作和研發燃料電池，分別從宏觀和微觀視角分析理解燃料電池原理，構建電極反應中微觀粒子發生的變化和運動的知識的聯結;用變化與平衡的思想觀念理解燃料電池的能量轉化和調控，理解電能輸出的多少、輸出的效率與物質參與變化的多少之間的關系;在探究過程中獲得認知，構建知識體系，在實踐過程中調用、核驗知識本質，在探究式學習實踐中自然引發創新，在創新中靈活運用知識，進一步發展學生的科學探究與創新意識，培養學生的科學態度與社會責任。據此，筆者將氫氧燃料電池的項目式學習目標設定為：創新制作氫氧燃料電池實驗模型。

三、項目任務

問題產生于具體的學習、探究過程：或微觀變化的設想、或計量上的關系、或反應轉化條件的控制，也可以是生產、生活、科研過程中出現的實際的問題。這些問題有梯度、有層次、有開放性、有針對性，誕生于學習實踐的真實情景，與實踐密切相關。學生的學習探究過程因思考而不斷產生新的問題，這些問題的解決就是新的學習任務，成了驅動學習的動力源。

以項目總任務為驅動，設計系統化的各項子任務，這些子任務都是為總任務的達成而設計產生。當然，隨著項目推進會遇到新的問題，因此也會產生新的子任務。學生在完成項目任務的實踐過程中，能夠深刻理解、掌握新知識，構建知識體系，發展化學學科核心素養。因此，創新制作氫氧燃料電池項目式學習的總任務為：創新設計、制作氫氧燃料電池以驅動小車模型。子任務分為：理論探究、模型初建、模型試驗、模型改進、創新制作、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別在于反應物不是儲存在電池內部，而是由外設裝備提供燃料和氧化劑等。燃料電池是一種環境友好的發電裝置：當以H2為燃料時，產物為H2O。

筆者引導學生查閱文獻，了解各種離子傳導介質條件下氫氧燃料電池的電極反應。

負極：H2-2e-=2H+（酸性、中性環境）或H2-2e-+2OH-=2H2O（堿性環境）。

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

我們以現有實驗條件為基礎，以綠色高效為原則，確定了電極材料和離子傳導介質：石墨電極、硫酸鈉溶液（硫酸鈉溶液為中性溶液，無腐蝕性）。

（二）模型初建

根據原理，繪制設計圖，組裝實驗模型。

項目小組通過查閱資料，優化電極材料和電解質溶液的選擇：采用自制多孔石墨電極和具有較優導電效率的相應濃度的硫酸鈉溶液。用恰當的容器分別制取氫氣、氧氣，并導入多孔石墨電極區域，進行放電測試（需做空白對比實驗）。

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

（三）模型試驗

實驗模型測試項目產生的基本思路：表現其性質特征的現象要明顯，代表其性能的參數要充分。新測試項目增加的情況：隨著項目推進，新問題出現，需要檢測預設測試項目之外更具代表性的參數。實驗的現象既會讓我們明確一定條件下的實驗結論，又會引發新的問題。

結合物理電學知識，項目小組選擇了以下測試項目：用電流計和數字萬用表檢測電流信號。

試驗現象：接通電流計，指針未發生偏轉;用數字萬用表檢測，有不穩定的微弱電流產生。進行不導入燃料氣情況下的空白實驗，發現也有不穩定的電流產生。由此判斷，初建的燃料電池模型無法獲得有效的電流信號。項目小組推斷認為：此條件下導入的氫氣與氧氣無法被多孔石墨電極有效吸附和催化放電。因而產生新的問題：如何提高多孔石墨電極的吸附性和催化效率？

（四）模型改進——“改進1號”

解決“如何提高多孔石墨電極的吸附性和催化效率”這一問題，需要聯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，陽極產生氧氣，陰極產生氫氣。石墨具有強吸附力，推理氫氣、氧氣脫離電極前已經在電極界面吸附達到飽和。據此，項目小組認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生、附著。學生在了解多相催化劑原理的基礎上可以理解：石墨界面具有的強表面張力使其兼具較強的表面催化性能。

項目小組根據以上分析，展開改進試驗活動，設計新的電池模型——“改進1號”。實驗方案為：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生、吸附、催化。操作為將6 V電壓學生電源接通多孔石墨電極，電解硫酸鈉溶液產生氫氣和氧氣，直至電極冒出大量氣泡。2.放電測試。用電流計檢測電流的產生，若有電流產生，接著檢測端電壓，再接入配置10 [Ω]小電機的玩具車進行空轉測試。

實驗現象：電流計指針明顯偏轉。明顯的電流信號給了項目小組極大的信心，學生立即對電流信號產生了進一步探究的興趣。筆者引導學生根據已有的物理知識，開展電流計指針偏轉方向探究，電流強度、電壓大小的參數測定等活動。從定量的角度獲得實驗數據：電流計指針向著附著氧氣的電極偏轉，負載玩具小車10 Ω電機的電流強度達到16 mA，端電壓最高達到2.2 V;驅動玩具車空轉測試，車輪空轉持續時間達到50 s。

根據要實現的項目任務，項目小組分析此電池模型存在的不足：實驗室提供的多孔石墨電極長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，無法搭載到玩具車上。由此，提高該電池的比能量成為項目小組需要解決的問題。

（五）創新制作——“改進2號”

項目小組通過研究文獻發現多種改良設計，比如在石墨棒上捆綁附著碳粉的棉布，或將石墨棒捆綁在海綿上，電解吸附燃料氣或者制作儲氣容器，把燃料氣導入金屬絲球，實現吸附催化。這些設計，裝置復雜、體積龐大，且電流都比較小，只能驅動發光二極管、音樂卡或小電機的風葉驅動等微功耗的器件，無法驅動我們預備的較高功耗的玩具車。為了實現提高電池的比能量的目標，項目小組進行了創新探究。

項目小組根據已有實驗條件進行反思：多孔石墨電極材料本身的表面吸附能力是優良的，不必要更換材料，那么可以從設計電極外觀入手進行創新與優化。由此，項目小組有了新設想，形成了創新方案。

“改進2號”創新方案：1.實驗室提供長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度約4 cm，如此，每個電極達到12 cm的有效浸泡長度。3.放電測試。先檢測端電壓，再接入10 Ω電機，串聯電流傳感器，監測、收集電流數據。將所得實驗數據與“改進1號”的實驗數據進行對比。

收集“改進1號”電流數據，并與“改進2號”的數據進行對比（6 V電壓，0.5 A電解約10 s，至石墨電極有大量氣泡冒出，收集數據并對比）。

數據表明，“改進2號”優點顯著：1.溶液用量減少至原來的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.電池有效放電時間延長約100.0%;電池制作方法簡單、方便演示或小組探究使用。

“改進2號”體積、重量以及電流強度均達到驅動小車運動的基本要求，與“改進1號”相比，其比能量顯著提高。驅動測試結果顯示：接入6 V電壓，電解至兩極冒出大量氣泡所用時間約為10 s，小車行駛距離達1.8 m。

項目小組在實驗過程中發現，電解至兩極冒出大量氣泡時間長短對小車驅動距離有著明顯影響。項目小組進而對燃料電池持續放電驅動小車行進距離的極限進行了測試，收集數據整理如表2所示。

數據表明，多孔石墨電極對燃料氣體的吸附量在電解冒出大量氣泡之后還可以繼續增加，否定了“多孔石墨電極冒出大量氣泡時就達到了吸附飽和狀態”這一認識。最后測得有效電解40 s左右制備燃料氣，此電池可驅動小車行進的極限距離達到4.0 m。

（六）拓展探究

根據已有的能量轉化知識，項目小組產生了“綠色氫能”的構想，設計實驗模型以展現氫燃料電池的綠色優點。實驗方案：利用晶體硅光電板替代學生電源，用40 W的白熾燈進行了模擬太陽光照試驗，再利用日照進行實際測試。

實驗結果：白熾燈模擬太陽光，照射9 V、0.5 A的光電板，光電轉化，電解約30 s，燃料電池放電，可驅動小車行進1.5米;較強的太陽光照射下測試，光電板輸出電壓約11 V，電流約0.6 A，5—10 s就可以實現電解產生大量氣泡，驅動小車行進達到1.5 m。“綠色氫能”裝置模型成功呈現構想圖中各種能量形式的轉化：太陽能轉化為電能;電解水，電能轉化為化學能;氫氧燃料電池放電，化學能轉化為電能;使1.8 V啟輝電壓的發光二極管閃亮，電能轉化為光能;驅動小車行進，電能轉化為機械能。實驗充分展現了氫能利用的綠色優點。

四、項目成果

項目小組創新制作出性能很好的氫氧燃料電池，實現搭載、驅動電機電阻為10 Ω的模型車，電解40 s制備燃料氣情況下可驅動小車行進距離達到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，實現“綠色氫能”的理論模型。氫氧燃料電池創新制作項目框架圖如圖8所示。

五、項目評價

創新制作的氫氧燃料電池的優點可以概括為：電流大、體積小、容易制作、便于演示實驗或小組探究實驗使用。項目的模型試驗使用靈敏電流計、數字萬用表、電流傳感器，獲得豐富、精確的實驗數據，為理解燃料電池的原理、改進燃料電池提供了事實依據。項目的實踐創新從原理出發，由設計圖到最初作品，根據試驗數據，分析存在的不足，提出改進設想，形成創新方案，再試驗，再改進，最終創作出性能更好的燃料電池。由此，學生體驗了一個相對完整的科學研究歷程，深刻理解了氫能開發利用的綠色前景和存在的技術難關。學生的學科意識、知識、技能、能力得到協同發展，化學學科核心素養得到一定程度提升。

雖然以質子交換膜、鉑金粉末為材料的氫氧燃料電池工業制品，已經能完全實現“持續導入燃料氣，從而持續放電”的理想狀態，但是我們對燃料電池的基礎研究仍不可缺少。高中階段基礎實驗條件的探究和創新，是學生獲取知識、構建知識體系的重要途徑。

高中化學教學以化學學科核心素養為本，貫徹“教、學、評”一體化思想，教師需要對教學內容進行意義挖掘、知識挖掘、能力挖掘，促使課堂教學變革。項目式學習模式是在課堂教學變革的過程中孕育產生的，值得我們繼續探究，不斷挖掘其內在的教育價值。

參考文獻

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作者簡介：戴柏春（1979— ），廣西桂平人，一級教師，主要研究方向為中學化學教學。