基于變化觀念的項目式學習案例研究

肖宏偉

摘要：以人教版必修二課后習題“便攜式化學電池存在的一些不足”為研究性學習項目，通過設計“如何讓小車跑起來”“如何讓小車跑的快”“如何讓小車跑的遠”等三個任務，結合學生已有知識和生活實際，創設真實問題情境，借助信息技術和文獻資料輔助教學，通過開發新素材、跨學科素材探究化學電源的工作電壓、電流、放電時長、使用壽命等與化學電源工作原理、構成條件以及技術工藝等之間的關聯，引導學生合作探究和深度學習，發展學生變化觀念和創新意識等核心素養。

關鍵詞：化學電源;項目式學習;真實情境;變化觀念

文章編號：1008-0546（2022）06-0042-06

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.009

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出“真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，也為學生化學學科素養提供了真實的表現機會”[1]。建構主義學習理論也認為知識不是由教授者講授而得到的，而是由學習者在真實的情境中，在指導教師的幫助下自主探索以及和其他學生進行廣泛的交流，通過解決問題來建構的[2]。項目式學習正是基于建構主義學習理論，把學習置于真實、有意義的問題情境中，學生帶著原有的知識和經驗，在任務驅動下自主探究和合作交流，在解決問題的過程中構建化學學科核心知識體系，促進學生化學學科核心素養的形成和發展。

一、項目選題和教學設計

原電池主題是學生認識化學反應與能量轉化的基礎和典型課例，《普通高中化學課程標準（2017年版）》中要求“認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用，了解原電池及常見化學電源的工作原理”[1]。人教版《化學（必修）》第二冊（2019年6月第1版）教材第41頁課后習題9：“便攜式化學電池使用方便，但仍然存在一些不足，如電壓較低，壽命較短，處理不當可能會造成環境污染。有人認為這些不足是由其制造技術不完善造成的，也有人認為是由其工作原理決定的。你的看法和依據是什么？請查閱資料，與老師和同學交流、討論”[3]。本課例以上述教材中提供的學習素材為項目主題，以手持技術和資料查閱作為教學設計的基本思路，進行深度挖掘和遷移應用，使之成為基于真實情境的教材內容深度學習。通過三個真實問題情境下的學習任務設計，引導學生從能量轉化的角度思考化學反應的內涵，從氧化還原反應的角度理解原電池的工作原理，從能源發展和社會價值的角度體會化學電源的發展和創新，重構教學單元主題呈現方式，豐富學生的學習體驗，發展學生的變化觀念和創新意識（圖1）。

二、項目流程和教學過程

通過真實問題情境的分析和實驗探究，理解原電池的工作原理和構成條件在解決實際問題中的應用，引導學生多角度、動態地對常見化學電源的生產工藝進行分類研究，通過跨學科知識、現代教育技術手段和資料查閱，引導學生主動探究化學電源在構成上的各類變化特征和規律，尋找物質變化與能量轉化之間的聯系。同時，從節約能源、綠色環保、便于攜帶和續航時間等角度出發，調查市場常見化學電池的種類，討論這類電池的工作原理、生產工藝和應用價值，遷移創新原電池的構成條件和工作原理，探究化學電源發展的方向，促進學生深度學習和高階思維能力的發展，形成學習理解→應用實踐→遷移創新的學科學習能力[4]，從而落實化學學科核心素養的形成（圖2）。

任務一：如何讓小車跑起來？

【師】同學們，你們都玩過玩具小汽車，大家桌面上都有一個小車模型（圖3小車1），給它裝上電池，它就能跑起來（圖3小車2）。電池起到了什么作用？

【生】提供小車跑起來所需要的電能。

【師】我們剛剛學過了原電池，我們知道原電池就是一種化學電源，它是不是也可以代替上述的電池來給小車提供電能呢？請小組討論，設計方案，動手探究一下。

學生活動：在一個50 mL小燒杯中加入20 mL0.5 mol/L的硫酸銅溶液，用兩條帶夾子的電源線分別連在小車電池槽的正負極，然后用夾子分別夾上鋅片和銅片平行地插入到小燒杯中，觀察有什么現象發生（圖3小車3）？

【生】（驚奇）小車跑起來了！

【師】結合學過的知識，如何驗證這個小燒杯是不是產生了電能？

【生】測定一下這個小燒杯的導線上是不是有電流產生。

學生活動：利用電流傳感器測定小燒杯的導線上是不是有電流產生。

實驗現象與結論：電流傳感器（圖4）顯示電流強度為0.0062A，電壓傳感器（圖5）顯示電壓為0.866V，說明小燒杯導線上有電流通過，證明小燒杯確實能產生電能。

【師】同學們動手探究的能力很強，現在該裝置已經工作一段時間了，請同學們再仔細觀察一下，還能發現什么現象？

【生】小車速度變慢，電流計的指針偏轉程度減小，銅電極變粗，鋅電極上也有少量紅色固體析出。

【師】同學們觀察得非常仔細，請大家分析產生這些現象的原因是什么？

【生1】可能是因為隨著反應的進行，硫酸銅溶液濃度變小，反應速率減小;

【生2】可能是因為鋅電極與硫酸銅溶液直接接觸，在Zn電極的表面發生了Zn+Cu2+=2ri2++Cu的置換反應，析出的Cu覆蓋在Zn電極的表面，可能影響了原電池的正常工作。

【師】同學們分析的基本正確。電解質溶液濃度降低會造成反應速率減小，同時，由于析出的Cu覆蓋在Zn電極的表面，造成在Zn電極的表面也形成了一些微小的銅鋅原電池，就導致導線上轉移的電子減少，電路中的電流就產生了衰減的現象。能不能定量測定電流衰減的過程？

學生活動：利用傳感器測定小燒杯的導線上電流、電壓的衰減過程（表1、表2、圖6）。

【師】通過以上兩個實驗測量，可以很直觀地看到，銅鋅原電池電流、電壓的衰減速率還是很大的。如果你是一名電池設計師，你應該如何優化它呢？

【生】（學生產生疑惑）可以不讓Zn電極直接接觸硫酸銅溶液，但是如果不接觸又怎樣能發生反應產生電子轉移呢？

【師】演示銅鋅雙液原電池的工作過程（如圖7），請同學們注意觀察現象。

【生】電流計指針發生了偏轉，說明電路中產生了電流。

【師】在上述裝置中Zn電極沒有與Cu2+接觸為什么也能發生電子轉移呢？促進氧化劑和還原劑發生反應的驅動力是什么？上述裝置中的鹽橋起到什么作用？

【生】（學生產生困惑，啟發學生從已有的電學知識來思考電流產生的原因，簡單介紹電勢差的概念;從原電池的構成條件來思考鹽橋的作用，為后面的學習埋下伏筆）。

【師】同學們都知道，H2和O2在一定條件下可以化合生成H2O，如果二者不接觸有沒有可能發生反應？用這兩種氣體能不能構成一個原電池裝置？

【生】（學生發生認知沖突，激發求知欲望）

【師】演示氫氧燃料電池的工作過程（如圖8），把H2和O2分別通到兩個多孔的惰性電極（鉑或石墨）上，把兩個電極插入到氫氧化鉀溶液中，用導線相連電流計和小風扇，注意觀察現象。

【生】（大為驚奇?。┬★L扇轉動了，電流計指針也發生了偏轉。這兩種氣體還真的發生了反應，產生了電子的轉移！

【師】在常見的化學電源中有一類清潔高效的電池——燃料電池，裝置模型如圖9就是一種氫氧燃料電池，它是把H2和O2分別通到兩個多孔的惰性電極（鉑或石墨）上，同樣是利用吸附了H2和O2的兩個多孔電極的電勢高低不同，產生電勢差，從而形成電流。

思考：圖9中氫氧燃料電池的工作原理是什么？寫出其電極反應式。

【生】H2和O2化合的本質是H2被O2氧化的反應，根據原電池工作原理，多孔電極上吸附的H2發生氧化反應，做負極;多孔電極上吸附的O2發生還原反應，做正極;電解質為KOH，故負極反應式為：2H2- 4e+40H- ==4H2O，正極反應式為：O2+ 4e+ 2H2O==4OH。總反應式即為2H2+O2==2H2O。

【師】課后查閱資料，闡述燃料電池作為化學電源的優點，以及在社會發展中的應用前景。

【思考】通過上述兩個實驗總結：構成原電池必須要有活性不同的兩個電極嗎？氧化劑和還原劑必須接觸才能反應嗎？負極材料和電解質溶液必須要參加反應嗎？請同學們課后完善原電池的一般模型。

任務二：如何讓小車跑得快？

【師】通過上述一系列的實驗探究，我們了解到利用能量轉化，原電池可以把化學能轉化為電能;利用氧化還原反應中的電子轉移，原電池可以在閉合回路中產生電流。小車能跑的問題解決了，那么是不是所有的原電池產生的電流都一樣啊？如果想讓小車跑得快一點，可以采取哪些措施呢？

【生】根據物理學知識，可以通過提高電源的功率來實現。

【師】電源的功率與什么物理量有關？

【生】電功率P=IU，，是電流強度，U是電源電壓，電源的功率與小車工作電流和電源電壓的大小有關。

【師】很好，請同學們思考一下，根據我們剛剛學過的原電池的構成條件和工作原理，如何設計實驗探究不同原電池的工作電流和電源電壓是不是相同呢？

【生】（猜想）可以通過改變電極材料、電解質溶液種類和濃度來實現。

【師】同學們的思路很正確，下面我們就來探究一下不同電極材料、不同電解質溶液種類和濃度構成的原電池，它們的工作電流和電源電壓有何規律。

學生活動一：用傳感器測定常溫常壓下，不同濃度的稀硫酸中銅鋅原電池的工作電流和電壓（實驗設計如表3）。

【生】通過實驗，得出如下數據：

【師】分析圖10中數據，你能得出哪些結論？

【生】1.在常溫常壓下，銅鋅電極在不同濃度的稀硫酸中的電流不同，稀硫酸的濃度越大，產生的工作電流就越大;

2.在常溫常壓下，銅鋅電極在不同濃度的稀硫酸中的電壓不同，稀硫酸的濃度越大，產生的電源電壓就越大;

【師】根據上述實驗結論，如果想讓小車跑得快一點，可以采取哪些措施呢？

【生】可以增大稀硫酸的濃度。

【師】稀硫酸的濃度是不是可以無限增大呢？

【生】應該不可以吧，溶液的濃度都有一定的限度。

通過以上師生交流，引導學生明白變化觀念和平衡思想在化學學習中的指導意義和實際應用。

學生活動二：用傳感器測定常溫常壓下，相同濃度的稀硫酸中不同電極材料原電池的工作電流和電壓（實驗設計如表4）。

【生】通過實驗，得出如下數據：

【師】分析圖11中數據，你能得出什么結論？

【生】1.在常溫常壓下，不同電極在相同濃度的稀硫酸中的電流不同，兩種電極的金屬性強弱差別越大，產生的工作電流就越大;

2.在常溫常壓下，不同電極在相同濃度的稀硫酸中的電流不同，兩種電極的金屬性強弱差別越大，產生的電源電壓就越大;

【師】根據上述實驗結論，如果想讓小車跑得快一點，可以采取哪些措施呢？

【生】可以選擇兩種金屬性強弱差別較大的電極材料。

【師】以上兩個探究實驗，對于同學們在設計和選擇化學電源時有什么啟發？ 通過上述實驗探究，同學們都能通過簡單的銅鋅原電池模型建立起原電池的原理模型和裝置模型，并能通過熟悉原型進行一系列的簡單變式和復雜變式，在真實情境中應用原電池的工作原理和構成條件去解決實際問題，促進學生學科思想、學科能力和學科核心素養的發展。

任務三：如何讓小車跑得遠？

【師】通過上述實驗探究，我們了解到不同的電極材料、不同的電解質溶液構成的原電池，其產生的工作電流和電壓大小是不同的，當它們作為化學電源時產生的電功率也是不同的，故可以通過選擇不同的電極材料和電解質來提高電池的工作效率。小車如何能跑得快一點這個問題解決了，思考我們生活中的常識，如果想讓小車跑得遠一點，可以采取哪些措施呢？

【生】小車能不能跑得遠是由電池的續航時間或放電時間決定的。

【師】很好，電池的續航時間或放電時間實際是由電池容量決定的，請利用信息平臺查閱資料：什么是電池容量。

【生】查閱資料：

電池容量：電池容量就是電池工作時能夠釋放的最大電荷量，比如20 Ah的容量，工作電流為2A，電池最多能使用10h。

【師】如果你是一名化學電源設計師，你在設計化學電源時會考慮哪些方面的因素？

【生】綠色環保、電池容量大、體積小便于攜帶、充電快等。

【師】很好，我們手機中使用的電池通常是鋰電池，其體積很小，但電池容量很大，而汽車上使用的鉛蓄電池體積很大，但電池容量卻較小，猜想為什么？請利用信息平臺查閱資料證明你的猜想。

【生】查閱資料：電池容量的大小還與電池的能量密度有關，能量密度（Wh/kg）指的是的單位重量的電池所儲存的能量是多少，1 Wh等于3600 J的能量。能量密度是由電池的材料特性決定的，大部分鋰電池能量密度在100-200 Wh/kg之間，普通鉛蓄電池的能量密度約為40 Wh/kg。

【師】非常正確，一般在相同體積下，鋰離子電池的能量密度是鎳鎘電池的2.5倍，是鎳氫電池的1.8倍，是普通鉛蓄電池的3-5倍，因此在電池容量相等的情況下，鋰離子電池就會比鎳鎘、鎳氫、鉛蓄電池的體積更小，重量更輕。

【師】近幾年，新能源汽車尤其是電動汽車發展迅猛，國產品牌如比亞迪在新能源汽車研發方面取得了長足的發展。汽車工業作為我國的支柱產業，大力發展新能源電動汽車具有哪些重要的戰略意義？課后查閱資料，談談你對新能源汽車的認識，以及發展前景的看法。

三、項目評價和教學反思

項目式學習是一種基于真實情境的系統性的學習和研究活動，通過創設真實的問題情境和學習任務，引導學生深度學習和主動探究，促進學生從傳統的學科性學習走向綜合性學習，從而發掘學生的學習潛力和個性特長。本課例基于變化觀念和創新意識等核心素養，從電池功能角度設計三個方面的情境問題和活動任務，在有意義的真實學習情境下，以手持技術和資料查閱作為教學設計的基本思路，通過開發新素材、跨學科素材和真實情境的實驗探究活動，挖掘和利用學生已有知識和社會經驗，培養學生從不同視角去思考和探索科學知識，讓學生既關注電池裝置原理和構成要素，同時又關注裝置所具有的功能和意義，從而讓學生真正理解原電池的工作原理、本質和結構。同時，教師和學生通過交流互動和合作探究，討論銅鋅原電池（單液和雙液）、燃料電池和常見化學電源的原理、構成、變化和應用，讓學生以知識為工具來認識問題、分析問題和解決問題，實現在日常教學中真正落實和發展學生的化學學科核心素養，從而培養學生的實踐能力、批判思維、創新精神和社會責任感，體現化學與科學.技術、社會和環境的關系，促進學生深度學習和學科核心素養的深度融合發展，培養學生終身發展的品格和能力，

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]陳巍，陳國軍，郁漢琪.建構主義理論的項目式教學體系構建[J].實驗室研究與探索，2018，37（2）：184-185.

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，化學課程教材研究中心.普通高中教科書·化學（必修）第二冊[M].北京：人民教育出版社，2019.

[4] 王磊.基于學生核心素養的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2017.