基于真實情境的“新型燃料電池”教學
——揭秘“鹽水動力小車”

王亞梅 沈 靜* 劉 雄

（1.云南師范大學化學化工學院 云南 昆明 650092；2.云南師范大學附屬中學 云南 昆明 650106）

一、問題的提出

原電池是高中化學電化學的重要組成部分，涵蓋離子反應、氧化還原反應、溶液中的離子存在情況判斷等重要內容，且原電池與其他學科聯系緊密，在日常生活中應用非常廣泛，因此近年來原電池的工作原理和改進措施一直是研究的熱點和難點。但在課堂教學的過程中教師比較重視學科知識的傳授而忽略了真實情境下的原電池分析，這使得學生只能機械性地背誦知識而不能應用知識并將其歸納總結為生活的經驗，難以在電池設計任務中進行變式和創新。同時在知網檢索近年有關原電池教學設計的論文，可以發現雖然有很多以“原電池”“原電池工作原理”為主題展開的教學設計，但其中大部分教學設計都圍繞學生所熟悉的鋅銅原電池展開。而通過對近年高考試題進行分析可以發現涉及的原電池基本都是真實情境下的陌生原電池，在日常生活中應用廣泛且電極材料較為復雜，著重考查學生的分析遷移能力和綜合應用能力。因此將原電池與熱點問題在真實的情境中聯系起來，有利于學生關注身邊與化學有關的熱點問題，能夠在解決真實問題的同時掌握學科知識，能夠從化學的角度出發來解釋問題，能夠在問題解決的過程中凝練總結化學原理。為了達到立德樹人的教育目標，在對原電池部分進行教學設計時，要突破常規素材的限制，尋找真實情境中的素材并深入挖掘素材的育人價值，將知識蘊含到情境之中進行教學設計。

二、課標及教材分析

本節課內容選自人教版《普通高中教科書:化學選擇性必修一（2019版》第四章第二節第二課時“化學電源”，本節課在原有單、雙液原電池的基礎上，以“金屬—空氣燃料電池”為載體開展教學。該部分內容在《普通高中化學課程標準（2017年版）》中提出了具體的內容要求、教學策略和學業要求，具體內容見表1［1］。

表1 普通高中化學課程標準中的內容要求、教學策略和學業要求

人教版選擇性必修一教材在編排上呈現螺旋式上升的規律，其內容符合學生的認知發展。［2］本節課的內容安排在雙液原電池與隔膜型原電池之間，其內容在整個原電池的教學中起到承上啟下的功能，上承單、雙液原電池的工作原理和認知模型，下接隔膜型原電池和金屬的腐蝕，為學生學習金屬的腐蝕提供新的思路。

三、學情分析

1.已有基礎

通過初中和高中化學必修模塊的學習，學生已經掌握了化學反應伴隨著能量的變化，知道電能和化學能可以通過原電池實現相互轉化。同時通過必修一離子反應和氧化還原反應的學習已經初步建立了微粒觀，教材中有關原電池的知識邏輯具體內容見圖1。在必修二學習的基礎上已經初步構建了單液原電池的認知模型（見圖2），這些都為原電池的學習奠定了基礎。同時該階段的學生已經具備基本的實驗設計和操作能力，能在教師的引導下進行簡單實驗并觀察總結實驗現象。

圖1 教材原電池知識邏輯關系圖

2.發展方向

本節課內容要求學生能從宏觀現象上升到微觀理論分析，能從電子轉移的微觀角度理解原電池的本質。能通過實驗探究，對金屬—空氣原電池有一定的了解，能初步了解其應用并在此基礎上建立燃料電池和隔膜型原電池的分析思路。

3.局限認識

學生認為氧化劑和還原劑只有直接接觸才能發生氧化還原反應，認為空氣不能發電，不能作為原電池的電極材料，不能解釋溶液中微粒變化的原因，不能通過對宏觀實驗現象的分析上升到微觀層次的電子轉移分析。

四、教學目標及重難點

1.教學目標

（1）能在已有的單液原電池的基礎上分析出“鹽水動力小車”認識模型，并能熟練寫出電極方程式及微觀電子移動情況，從而在認識對象維度、裝置維度和能力維度進行擴充，完善原電池的認知模型。

（2）在對鹽水動力小車進行探究的過程中，能從宏觀和微觀的角度初步分析完善原電池模型，初步體驗設計原電池的方法和步驟。

（3）通過金屬—空氣原電池的缺點進行分析，提出改進措施，并且設計雙液原電池，進一步完善原電池模型，總結鹽橋電池的優缺點引出隔膜型原電池。最后引入我國現行的金屬—空氣電池產品，滲透創新思維和樹立民族自豪感。

2.教學重難點

（1）教學重點:了解鹽水動力小車的工作原理，能夠分析溶液中OH-的來源并寫出“鎂—空氣電池”的電極反應方程式。

（2）教學難點:①從宏觀現象上升到理論層面，從電子轉移角度理解化學能向電能轉化的本質。②學生自主構建原電池認知模型，從雙液原電池上升到隔膜型原電池的過程。

五、教學流程（見圖3）

圖3 教學流程圖

六、教學實施過程

1.創設情境，提出問題

【情境】播放汽車尾氣污染、油價上漲以及社會熱點現象溫室效應圖片，引發學生思考，并提出是否存在一種不需要加油且無污染的新能源汽車？

【生】觀看圖片并思考。

【演示】教師演示“鹽水動力小車”（見圖4）。

圖4 “鹽水動力小車”實物圖

【提問】問題1:為什么加入食鹽水小車就能跑起來？它的工作原理是什么？問題2:生活中為什么沒有鹽水驅動的汽車，它存在什么樣的問題以及如何改進？

設計意圖：通過對現有環境問題的剖析，啟發學生對環境問題和化學技術關系的思考。同時用“鹽水動力小車”引起學生的興趣，并明確本節課需要解決的問題。

2.設計并進行實驗

【提問】要知道“鹽水動力小車”的原理，首先需要對其內部結構進行分析，可以發現其主要由兩個部分構成:馬達部分和燒杯部分。將燒杯部分進行放大處理，可以發現它由一片鎂片、一片碳片和NaCl 溶液組成，其結構和我們之前學過的什么結構比較相似？

【生】和鋅—銅原電池比較類似。

【引導】假設燒杯部分為原電池，將其閉合時會產生電流，因此我們可以參考鋅—銅原電池的裝置類比出該“鹽水動力小車”的模型簡化圖（見圖5）。

圖5 “鹽水動力小車”的模型簡化圖

【師】請根據老師提供的器材（電流表、碳片、鎂片、燒杯、NaCl 溶液、導線）分組進行實驗設計并總結思路和注意事項。

【生】小組討論并設計實驗方案。

【生】將電流表連接在石墨電極和鎂電極上，加入NaCl溶液形成閉合回路，檢測是否有電流產生。在實驗過程中應該注意導線連接方式，導線連接方式為紅正黑負，即紅線連接原電池的正極，黑線連接原電池的負極，連接裝置見圖6（a）。

圖6 （a）實驗裝置圖；（b）電極表面前后對比圖；（c）溶液表面的淡黃色絮狀物

【師】請同學們根據剛才所設計的實驗方案連接儀器。提示，電流表是否有示數可以判斷是否為原電池。除此之外，在實驗的過程中請同學們觀察并記錄

電流表示數、溶液pH變化、電極表面變化三個實驗現象并思考原因。

【師】請各小組同學展示本小組的現象和結論。

【組1】通過觀察電流表示數得出以下表格和結論（見表2）。

表2 實驗過程電流表示數變化表

【師】通過上述現象可以明確“鹽水動力小車”的工作原理是原電池。溶液中的pH和電極表面如何變化？請簡述。

【組2】剛開始為NaCl溶液，中性，pH=7，反應5分鐘后測定溶液的pH為11，可以發現此時溶液為堿性，含大量的OH-。鎂電極表面被嚴重腐蝕且有白色附著物而石墨電極無明顯變化［見圖6（b）］。

【師】上述兩個現象說明了什么？請根據已有知識推斷電極產物并解釋。

【生】上述實驗現象可以說明電極產物為Mg（OH）2。

【師】除此之外，我們還發現溶液并不全是白色絮狀沉淀，還有一些淡黃色的漂浮物［見圖6（c）］，鎂片表面還有氣泡產生，其原因是什么？

【生】思考并進行小組討論。

【資料卡片】實驗過程中連接導線的夾子（鱷魚夾）的主要成分為鐵鍍鎳和鐵鍍鋅。

【生1】溶液變黃的原因可能是鱷魚夾中的鐵與碳片、氯化鈉溶液構成原電池，鐵被腐蝕，發生氧化反應:Fe-2e-====Fe2+。生成的Fe2+在溶液中經過一系列反應生成紅褐色的Fe（OH）3沉淀。除此之外還會生成白色Zn（OH）2和淺綠色的Ni（OH）2雜質，出現淡黃色絮狀物。

【生2】鎂片表面會產生氣泡，這是因為鎂屬于活潑型金屬，與水發生反應會生成H2，并且在電流的作用下，這種反應會加劇，可以看到鎂片表面持續有氣泡產生。

設計意圖：引導學生將宏觀實驗現象與微觀物質生成結合，在實驗探究的過程中逐步養成觀察和概括總結實驗現象的能力以及對出現的現象進行合理解釋的能力。

3.原理分析

【師】從宏觀的實驗現象我們已經知道“鹽水動力小車”實質上是一個原電池，其電極產物主要為Mg（OH）2。那么它是如何生成的，電池內部的電子、離子如何轉移、電極反應方程式如何書寫？

【生】思考并寫出電極反應方程式。

【師】巡視并指導。

【師】可以發現很多同學都能很快畫出裝置圖并寫出負極反應的方程式（Mg-2e-====Mg2+），但是對于正極反應方程式很多同學都無從下手。可以從石墨電極附近存在的物質入手，通過元素守恒、化合價的變化來判斷是什么物質生成了OH-。

【生1】我們組認為在石墨電極附近存在的物質主要有H2O、Na+和Cl-。根據元素守恒可以排除Na+和Cl-。

【師】根據同學們的分析，我們可以知道正極附近還有H2O，是水發生還原反應變成了OH-嗎？碳片除了和NaCl 溶液接觸外，其實還與空氣接觸了，因此還可能是哪些物質發生了反應？

【生2】石墨片周圍還應該有O2和H2，且石墨作為正極材料，電極附近發生還原反應，得到電子，化合價要降低。上述三個物質中只有O2化合價降低了，可以推測發生反應的物質為O2。

【教師總結】綜上，我們已經知道是氧氣得到電子發生還原反應生成了OH-，因此可以寫出其電極反應方程式為:O2+2H2O+4e-====4OH-。基于上述的分析，我們可以將鹽水動力小車原電池模型進行歸納（見圖7）。

圖7 “鹽水動力小車”的原電池認識模型

【師】在日常生活中我們把這種原電池叫作金屬—空氣原電池，它是一種特殊的燃料電池，其正極活性物質為空氣中的氧氣，負極活性物質主要是活潑金屬，如鋅、鎂、鋁等。

設計意圖：引導學生從實驗現象上升到理論的分析，并在逐步分析的過程中自主構建原電池的認知模型，能從裝置維度、原理維度分析原電池的基本要素。

4.改進措施

【師】在上述實驗過程中我們可以發現鎂—空氣電池屬于單液原電池，存在明顯的缺點:電流示數大但不穩定，續航時間較短。原因是什么？如何改進呢？

【生】思考并回答。

【教師總結】根據同學們的回答，我們已經知道續航時間短可能是因為鎂片表面生成了白色附著物阻止了反應的進行，因此我們可以阻止OH-的移動，即將其改裝為兩個半電池變為雙液原電池。但根據之前所學我們知道雙液原電池因為鹽橋的存在會使原電池的電流明顯減小且裝置比較復雜。那是否存在一種裝置在延長續航時間的同時電流不會明顯減小呢？

【資料卡片】隔膜型原電池是原電池的一種類型，在電池的正極和負極之間有一層隔膜，將電池分為兩個部分，通過隔膜選擇性地讓離子通過以達到平衡電池兩邊電荷的目的。

【師】根據資料卡片，如何改進上述“鹽水動力小車”？請同學們畫出裝置示意圖并完善原電池模型。

【生1】隔膜型原電池的裝置和單液原電池比較類似，唯一的區別是隔膜型原電池在裝置維度上多了一個離子交換膜用于限制離子的移動。因此在這里可以選用一個鈉離子交換膜，只允許鈉離子通過以達到平衡電荷的目的。改進后的原電池認識模型見圖8。

圖8 改進后的原電池認識模型

設計意圖：引導學生總結鎂—空氣電池存在的問題并找出原因，進而引出新的原電池類型——隔膜型原電池，并完善原電池認知模型。

5.課后延伸

【師】對理論知識的學習是為了能在日常生活中更好地應用，通過查找資料可以發現，目前我國市面上的金屬—空氣電池在汽車、航天、航海行業已經得到了廣泛的應用。比如，我國市場上已經研發出了鋁—空氣電池的發電機、鋅—空氣電池的旅游觀光車和公交車（見圖9）。金屬—空氣電池無毒、無污染、比功率高，但在日常生活中為什么沒有得到廣泛的應用呢？

圖9 資料卡片（金屬—空氣電池的應用）

【教師提示】可以從電極產物以及電極材料的性質進行分析。

【生1】活潑金屬作為電極材料在空氣中可能會發生自腐蝕。比如鎂在空氣中會發生2Mg + O2====2MgO。

【生2】金屬—空氣電池的正極附近會產生強腐蝕的堿性物質，對于盛放容器的選擇要求很高。

【教師總結】金屬—空氣電池具有成本低、無污染等優點，但是也存在產業鏈不完整、電池容器抗腐蝕性不高、負極利用率低和反應物碳酸化等缺點，因此沒有得到大范圍的應用。任何事物都存在兩面性，有缺點并不是壞事，相反這也是機遇和挑戰，未來如何改掉缺點？如何突破技術難題，這些就留給未來科學家。

設計意圖：在理論知識學習的基礎上向學生展示目前我國市場上已經存在并廣泛使用的金屬—空氣電池，讓學生更深刻地理解學習化學知識的必要性。其次讓學生在感受科技進步的同時，感受我國科學家不斷奮斗、努力探索的精神以及為國服務的責任感，激發學生的創新意識，埋下一顆突破技術難題的種子。

七、教學反思

本節課打破了原有教學設計的常規思維，將教學素材改為真實、廣泛應用的原電池，借助學生所熟悉的溫室效應等社會熱點問題引出“鹽水動力小車”，創設真實的情境，從中發掘和化學相關的問題。讓學生在學科知識和應用之間建立聯系，做到學以致用。同時在整個教學過程中，學生表現出極高的興趣和求知欲，處于主體地位。通過自主動手完成實驗和解釋實驗現象，逐步構建原電池的模型，實現從單液原電池到燃料電池再到隔膜型原電池的認識模型的構建。“鹽水動力小車”的真實情境幫助學生理解能量之間的轉化關系，發展學生的學科核心素養，提升學生批判性思維和問題解決能力，培養學生從化學視角審視社會問題的習慣，潛移默化地培養科學創新精神。