巧用圖像表征 認(rèn)識燃料電池

劉志平 朱海燕 湯希雁

(廣西壯族自治區(qū)南寧師范大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院)

信息科技迅猛發(fā)展的今天,可視化圖像成為傳達信息的主流方式之一。圖像傳達信息,并不像文字表述,而是以一種更加直觀、清晰明了的形式展現(xiàn)。在化學(xué)教學(xué)中巧用圖像表征,可以助力教學(xué)落實宏微結(jié)合、促進學(xué)生模型建構(gòu)、樹立變化觀念,多方位發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

化學(xué)中的圖像類型有很多,實驗裝置圖、數(shù)據(jù)曲線圖、物質(zhì)結(jié)構(gòu)圖、工藝流程圖、反應(yīng)機理圖、物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖等。考查學(xué)生圖像表征的能力主要包括讀圖、識圖、析圖、畫圖能力。圖像表征是歷年高考的重點考查部分,圖像表征能力則成為高中生必不可少的能力之一。

1.教學(xué)分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)中關(guān)于氫氧燃料電池這一教學(xué)內(nèi)容對教師的教和學(xué)生的學(xué)都做出了明確的要求:了解常見化學(xué)電源的工作原理;充分利用氫氧燃料電池素材,組織學(xué)生開展分析解釋、推論預(yù)測、設(shè)計評價等學(xué)習(xí)活動,建立對電化學(xué)過程的系統(tǒng)分析思路;能分析能源的利用對自然環(huán)境和社會發(fā)展的影響。氫氧燃料電池是學(xué)生學(xué)習(xí)原電池從實驗?zāi)Ｐ偷綄嵱秒娫吹霓D(zhuǎn)折。分析學(xué)生的思維障礙發(fā)現(xiàn)學(xué)生對原電池的工作原理以及電化學(xué)系統(tǒng)的基本要素往往會存在認(rèn)知偏差,這些困難給學(xué)生解決陌生情境下的復(fù)雜電池問題形成阻礙。借助圖像表征,采用裝置-原理二維圖、思維導(dǎo)圖等圖像幫助學(xué)生理解燃料電池的工作原理,深化燃料電池模型認(rèn)知,構(gòu)建解題思維導(dǎo)圖,完成對原電池的進階學(xué)習(xí)。

2.教學(xué)目標(biāo)與評價目標(biāo)

2.1 教學(xué)目標(biāo)

(1)通過冬奧氫能源車引入,了解氫能源的優(yōu)良性能、發(fā)展前景,感受中國科技魅力,發(fā)展學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的學(xué)科核心素養(yǎng)。

(2)通過問題驅(qū)動的方式,剖析氫氧燃料電池的工作原理,并用圖像形式表征;厘清電池構(gòu)成,理解電池與氧化還原反應(yīng)的系統(tǒng)關(guān)系,發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

(3)了解試題考查方向,構(gòu)建解題思維導(dǎo)圖,發(fā)展模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.2 評價目標(biāo)

(1)通過設(shè)問探析氫氧燃料電池性能優(yōu)良的原因,診斷學(xué)生的化學(xué)價值認(rèn)識水平(社會價值視角、學(xué)科價值視角)。

(2)基于氧化還原反應(yīng)原理,從裝置和原理兩個維度,對氫氧燃料電池剖析,診斷學(xué)生微觀分析水平(微粒水平、符號表征水平)。

(3)通過構(gòu)建工作原理示意圖、裝置-原理二維圖、解題思維導(dǎo)圖,診斷學(xué)生的圖像表征水平(識圖水平、讀圖水平、析圖水平、用圖水平)。

3.氫氧燃料電池教學(xué)案例研究

3.1 教學(xué)案例流程圖

3.2 教學(xué)案例展示

3.2.1 教學(xué)任務(wù)1:綠色冬奧,“氫”情助力

評價任務(wù)1:通過設(shè)問探析氫氧燃料電池性能優(yōu)良的原因,診斷學(xué)生的化學(xué)價值認(rèn)識水平:社會價值視角、學(xué)科價值視角。

2022年北京冬奧會和冬殘奧會為踐行“綠色” “共享” “開放” “廉潔”的辦奧理念,實現(xiàn)低碳管理目標(biāo)。數(shù)百輛氫氧燃料電池汽車在北京市區(qū)、延慶、張家口三大賽區(qū)投入使用,在比賽期間提供服務(wù)。擔(dān)當(dāng)交通運輸主力的氫燃料車?yán)m(xù)航里程達630公里,能實現(xiàn)零下30℃低溫啟動。相比于傳統(tǒng)化石能源車輛,氫能客車每行駛100公里,可減少約70公斤二氧化碳排放。根據(jù)氫燃料車的內(nèi)部構(gòu)造,引導(dǎo)學(xué)生思考它是如何將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,為何可以助力減排環(huán)保?

圖2 北京冬奧會氫燃料汽車

設(shè)計意圖:講解冬奧會上氫燃料車的工作過程,以及氫能源的發(fā)展前景,學(xué)生了解氫燃料車的優(yōu)越性能和清潔環(huán)保,感受中國為保護環(huán)境所做出的努力和貢獻,感悟化學(xué)知識與生活之間的聯(lián)系,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維,提升學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.2.2 教學(xué)任務(wù)2:追本溯源,原理探析

評價任務(wù)2:通過觀察氫氧燃料電池的內(nèi)部構(gòu)造圖,進而分析工作原理,診斷學(xué)生能否從宏微結(jié)合的視角收集證據(jù),從而得出結(jié)論;基于氧化還原反應(yīng)原理,從裝置和原理兩個維度,對氫氧燃料電池剖析,診斷學(xué)生微觀分析水平:微粒水平、符號表征水平。

圖3 原理分析流程圖

圖4 氫氧燃料電池

【問題驅(qū)動】1.氫氧燃料電池中,正、負極反應(yīng)物分別是什么?如何獲得這些反應(yīng)物?

2.哪些物質(zhì)可以用作氫氧燃料電池的電極材料?哪些物質(zhì)可以用作氫氧燃料電池的電解液?

3.分析氫氧燃料電池的工作原理。

4.畫出氫氧燃料電池工作原理示意圖。

圖5 氫氧燃料電池工作原理圖

5.改變電解質(zhì)溶液,對電極反應(yīng)有什么影響?

【思考】裝置中有哪些部分,各部分有何作用?

【建模】構(gòu)建氫氧燃料電池裝置-原理二維圖像。

圖6 氫氧燃料電池裝置-原理二維圖

【學(xué)生活動】畫氫氧燃料電池在不同電解質(zhì)溶液環(huán)境中的裝置-原理二維圖(如圖7、8)。

圖7 學(xué)生作圖——堿性條件下二維圖

圖8 學(xué)生作圖——酸性條件下二維圖

圖9 判斷電池正負極導(dǎo)圖

圖10 書寫電極反應(yīng)方程式導(dǎo)圖

圖11 電池溶液pH變化解題導(dǎo)圖

圖12 質(zhì)量變化題導(dǎo)圖

圖13 氫氧燃料電池思維導(dǎo)圖

6.分析氫燃料車的工作原理。

設(shè)計意圖:采用問題驅(qū)動的方式,層層引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識燃料電池的工作原理和裝置結(jié)構(gòu)。分析結(jié)構(gòu),以圖像的形式表征其工作原理,不僅幫助學(xué)生形象地理解微觀過程,也方便學(xué)生記憶。宏微結(jié)合,分析原理,提升學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的學(xué)科核心素養(yǎng)。分析電池各部分的作用以及和氧化還原反應(yīng)的關(guān)系,厘清電池的基本要素,構(gòu)建裝置-原理二維圖,簡潔明了地表示出原電池構(gòu)成,提高學(xué)生畫圖、析圖能力,發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng),為解決燃料電池問題做好鋪墊。

3.2.3 教學(xué)任務(wù)3:導(dǎo)圖拓展,思維花開

評價任務(wù)3:通過構(gòu)建原電池工作原理示意圖、裝置-原理二維圖、解題思維導(dǎo)圖,診斷學(xué)生的圖像表征水平:識圖水平、讀圖水平、析圖水平、用圖水平。

【建構(gòu)思維導(dǎo)圖】通過分析近兩年高考真題,可以大致總結(jié)出原電池問題考查主要集中于幾個方面:電池正負極判斷、電極反應(yīng)方程式的書寫、溶液pH的變化、離子交換膜問題、質(zhì)量變化問題。將這幾個方面的問題和解題策略結(jié)合起來可以構(gòu)建出一個解決陌生情境下典型原電池問題的解題思維系列導(dǎo)圖。

①判斷電池正負極

在解題過程中,首先分析電池裝置:判斷電池的正負極、電解質(zhì)溶液的酸堿性、電極材料等。判斷電池的正負極整體上可從宏觀和微觀兩個層面進行分析。

宏觀層面可從電極材料和實驗現(xiàn)象來判斷。一般較活潑金屬作負極,較不活潑金屬或非金屬導(dǎo)體作正極。也有特殊情況:Mg、Al的活潑性在中性或酸性溶液中是Mg>Al;而在堿性溶液中,Al與OH-反應(yīng),Mg相對穩(wěn)定,所以,Mg與Al連導(dǎo)線后放入NaOH溶液中,Al是負極,Mg是正極。根據(jù)現(xiàn)象判斷:質(zhì)量減少的一極一般為負極,質(zhì)量增加或有氣泡放出的一極一般為正極。

微觀層面:可從反應(yīng)類型、電子流向、離子移動三個方面進行判斷。發(fā)生氧化反應(yīng)的一極為負極,發(fā)生還原反應(yīng)的一極為正極;在原電池中,電子是由負極流向正極的;電解質(zhì)溶液中,陽離子移向正極,陰離子移向負極。

②電極反應(yīng)方程式的書寫

陌生情境下原電池電極反應(yīng)方程式的書寫,需按照以下步驟:第一,根據(jù)題目信息,確定電極反應(yīng)物和產(chǎn)物,注意考慮電解質(zhì)溶液的酸堿性對產(chǎn)物的影響;第二,根據(jù)元素化合價的變化情況,分析電極反應(yīng)中得失電子的數(shù)目;第三,遵循質(zhì)量守恒、電荷守恒定律,根據(jù)電解質(zhì)溶液的酸堿性進行配平。酸性溶液用H+和H2O,堿性溶液用OH-和H2O進行配平;若需要書寫總電極反應(yīng),將正負極兩個電極反應(yīng)式相加配平即可。

③電池溶液pH變化

電池溶液可分為兩個環(huán)境:電極周圍、電解質(zhì)溶液。電極周圍溶液pH的變化,可從電極反應(yīng)方程式判斷,若反應(yīng)有H+的生成,則pH降低,若反應(yīng)有OH-的生成,則pH增大;比較電解質(zhì)溶液的pH變化,可通過總反應(yīng)方程式進行判斷,即若反應(yīng)有H2O的生成,酸性溶液的pH變大,堿性溶液的pH變小。

④質(zhì)量變化題

關(guān)于質(zhì)量變化,試題常考兩種類型:電極材料的質(zhì)量變化和電解質(zhì)溶液的質(zhì)量變化。負極材料若是參與反應(yīng),則質(zhì)量減少,否則質(zhì)量不變;若是反應(yīng)生成沉淀附著在正極上,正極材料的質(zhì)量增加,若生成的是氣體或者其他溶于電解質(zhì)溶液中的物質(zhì),則正極材料質(zhì)量不變。電解質(zhì)溶液的質(zhì)量變化可從兩個角度考慮,從產(chǎn)物角度分析,如果電解質(zhì)溶液中的離子參與反應(yīng)并生成了氣體或沉淀,則溶液的質(zhì)量減少;從反應(yīng)物角度分析,若是外來物質(zhì)參與反應(yīng),生成了可溶于電解質(zhì)溶液中的物質(zhì),則溶液的質(zhì)量增加。

【氫氧燃料電池思維導(dǎo)圖】以氫氧燃料電池為例,圍繞試題主要考查的方面,構(gòu)建詳細的解題思維導(dǎo)圖。

設(shè)計意圖:分析原電池高考考點,基于學(xué)生的思維障礙,應(yīng)用思維導(dǎo)圖的方法提供解題的方向,提高學(xué)生讀圖、用圖、析圖的能力;建構(gòu)陌生情境下的解題思維導(dǎo)圖,幫助學(xué)生快速地抽出題目的關(guān)鍵信息,從而解決問題,促進學(xué)生思維理解。

4.結(jié)語