高中化學“電解池”微項目式教學

摘 要：本文以“三北”地區“棄風棄光”問題為項目情境，根據教學目標設置了前置任務、情境導入、模型建構、資料分析及流程設計五個項目子任務，以模型建構為中心進行電解池原理和應用的核心知識教學實踐。通過對真實能源問題進行案例分析和問題解決，學生能自主建構電解池認識模型，了解電解池在能量儲存方面的重要應用，體會化學在解決能源問題中的重要作用，著重發展科學態度與社會責任的學科核心素養。

關鍵詞：微項目式教學；電解池；核心素養；棄風棄光

文章編號：1008-0546（2024）11-0007-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

項目式學習是以學生為主體，以真實情境為知識載體，讓學生在分析和解決真實問題的過程中獲得基本知識和技能、關鍵能力和必備品格的一種教學方式。［1］常規的項目式學習持續時間長，且對學生綜合素質要求較高，在新課教學中很難有效開展。［2］微項目式教學在保留項目式教學特征的基礎上，對項目式教學承載的核心知識進行聚焦和情境化，整個流程所需時間較短，一般在1～2個課時，可以在短時間內凸顯化學學科價值，激發學生學習熱情。本文以人教版高中化學選擇性必修1中的“電解池”為例，開展微項目式教學實踐。

一、項目主題內容分析

1. 項目情境分析

隨著全球氣候問題日益嚴重，我國在2020年提出了“碳達峰、碳中和”目標，為達到“雙碳”目標，大力開發可再生能源，進行能源綠色轉型是必然之舉。我國能源分布局面是“西富東貧、北多南少”，與資源需求局面正好相反。80%以上的風能資源分布在“三北”地區（西北、華北、東北），太陽能資源也是“高原大于平原、西部大于東部”，而75%以上的能源需求集中在東部、中部地區。［3］由于能源分布不合理和可再生能源輸出不穩定，“三北”地區難以消納大量的可再生能源，甚至對電網的運行帶來一定的威脅［4］， 所以被迫“棄風棄光”，造成了能源浪費。這樣一個矛盾的情境現狀能很好地激發學生的好奇心和學習熱情。通過對氫能的“制—儲—運—用”流程的分析和了解，學生能夠理解化學在解決能源危機中的重要作用，體會氫能這一清潔能源的價值，完成該主題的學業要求。

2. 教材分析

有關“電解池”教學內容在《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中的要求是：了解電解池的工作原理，認識電解在實現物質轉化和儲存能量中的具體應用，并制作簡單的燃料電池 。［5］人教版高中化學選擇性必修1第四章第二節“電解池”主要包括電解原理和電解原理的應用兩部分知識，在“電解原理的應用”中主要介紹了電解飽和食鹽水、電鍍和電冶金三個知識點。［6］由此可見，教材中有關電解池的具體應用，重視物質轉化而忽視能量儲存。針對這一現狀，本微項目式教學以“棄風棄光”問題為情境載體，設計氫能的“制—儲—運—用”的流程，解決“三北地區”的可再生能源循環利用及我國能源結構不均衡問題。因為是新授課，所以本次教學重點為電解池認識模型的建構。

二、項目教學目標

筆者基于對項目主題內容的分析，確立了以下幾點教學目標。

（1）通過分析鉛蓄電池充放電原理，遷移原電池認識模型，自主建構電解池認識模型，理解電解池、陰極、陽極等相關概念。能從原理角度寫出鉛蓄電池充電時的電極反應式和總反應式，并說明電荷移動方向和能量轉化方式；能從裝置角度說明電解池裝置是由電子導體、離子導體、得電子場所和失電子場所組成，發展證據推理與模型認知學科核心素養。

（2）通過實驗探究電解水制氫氣效果的影響因素，深化對電解池認識模型的理解，說明電極間距離、電解液濃度和電壓分別對電解效果有怎樣的影響，鞏固實驗操作技能，發展科學探究與創新意識學科核心素養。

（3）通過微項目學習，知道電解池在能量儲存方面的重要應用，認識化學對社會發展的重大貢獻，發展科學態度與社會責任學科核心素養。

三、項目任務及實施流程

筆者根據教學內容和學生情況將學生分為三個學習小組，設置了前置任務、情境導入、模型建構、資料分析及流程設計五個子任務，以模型建構為中心展開教學，具體教學流程如表1所示。

四、項目實施過程及學生成果

1. 任務一 情境導入，激發學習熱情

［教師］提供報道《棄風棄光，癥結何在？》。查閱資料，回答以下問題：①什么是“棄風棄光”問題？②為什么會出現這個問題？③如何去解決這個問題？

［學生］“棄風棄光”問題是指在“三北”地區因為可再生能源和化石能源都比較富足，而“三北”地區發展落后，對電力的需求較小，對于當地可再生能源產生的電力不能完全消納，且可再生能源發電具有不穩定性和難預測性，可能會對電網造成損壞，依靠電網進行電力輸送比較困難，所以導致了很大一部分可再生能源的浪費。解決“棄風棄光”問題的關鍵是解決新能源發電的消納問題，各小組展示各自解決該問題的方案，兩種主要方案的具體設計如圖1所示。

2. 任務二 模型建構，明確電氫原理

［教師］對于電化學儲能大家其實并不陌生，在前面原電池部分已經學習過二次電池，請大家回憶鉛蓄電池的工作原理。

［學生］展示鉛蓄電池工作原理。

［教師］鉛蓄電池充電時將電能轉化為化學能，這種將電能轉化為化學能的裝置就是電解池（也稱電解槽）。與電源正極相連，在電解池中發生氧化反應的是陽極；與電源負極相連，發生還原反應的是陰極。這種使電流通過電解質溶液（或熔融電解質）而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程叫電解。［7］

［教師引導］請根據原電池認識模型，建構電解池認識模型，分析鉛蓄電池充電時的工作原理，并修正鉛蓄電池充電時的電極反應式和總反應式。

［學生展示］小組討論后建構出電解池認識模型（見圖2），修正后的鉛蓄電池充電時的工作原理及反應式的分析過程如圖3所示。

［教師］運用電化學儲能技術確實可以消納部分電能，那電化學儲能技術是否能完美解決“棄風棄光”問題？

［學生］電化學儲能也有其不友好的一面，如廢舊電池中常含有重金屬、酸、堿等物質，如果回收、處理不當會對環境和生物健康造成危害，所以不適合大規模使用。

［小組討論］電化學儲能的能量轉化過程為：風能或太陽能—電能—化學能—電能，該過程能量轉化路徑較長，能量轉化的效率不高。

［過渡］經過以上分析，大家知道了電化學儲能的優勢和劣勢，接下來大家一起探究氫儲能及利用其解決“棄風棄光”問題的可行性。

［教師］氫能的優勢有哪些？請小組交流討論前置任務“氫能的優勢有哪些”的學習成果。

［小組匯報］①氫能是一種清潔能源，燃燒只生成水，而且從氫能到熱能的轉化效率較高。②氫能可以通過可再生能源制成，過程中無碳排放。③氫還可以用于燃料電池，氫氧燃料電池能量轉化率高、噪音低且零排放。

［教師］①分別預測出中性、酸性和堿性電解質溶液條件下電解水的電極反應及總反應，并設計實驗驗證。②探究電極間距離、電壓及電解質溶液濃度對電解水效果的影響。

［教師活動］提供實驗器材：直流電源，濾紙，鐵電極，石墨電極，500mL燒杯，20mL試管，秒表，導線，電流表，鑷子，鹽橋，直尺。

實驗藥品：1 mol·L－1Na2SO4溶液，酚酞溶液，15%硫酸溶液，4 mol·L－1、3 mol·L－1和2 mol·L－1氫氧化鈉溶液。

［教師提示］①為了減小氫氣和氧氣溶解度差異帶來的影響，在正式開始實驗前進行1～2分鐘預電解，使溶液飽和。②電解水效果的好壞可以用收集一試管氫氣（20mL）的時間長短來衡量。③每個變量做三組實驗，以三次實驗所得的平均時間作為實驗結果。

［小組展示］小組展示不同電解質溶液條件下電解水實驗的預測結果和驗證方法，成果如圖4所示。

［小組實驗］利用變量控制法設計實驗，搭建實驗裝置并進行操作，記錄實驗數據。各小組根據小組匯報內容總結不同因素對電解水效果的影響（見表2）。

［教師］在工業電解水裝置中會用具有選擇性透過作用的隔膜代替鹽橋。

堿性隔膜電解水裝置中的隔膜只允許OH－通過，電解質為氫氧化鈉溶液，兩電極均為鉑電極。［8］請分析該裝置的工作原理。

［學生］在電源產生的電能驅動下，溶液中的OH－移向陽極，H＋移向陰極（因為隔膜的存在，只有陰極區電解槽的H＋會移向陰極），在兩極分別發生氧化還原反應，生產氧氣和氫氣，生產的氣體因為隔膜的存在無法混合。

3. 任務三 資料分析，了解氫能儲運

［教師過渡］經過以上探究，大家已經掌握了氫儲能的原理，為解決“棄風棄光”問題，接下來還需對氫能進行儲存和運輸，請大家交流匯報前置任務“氫能常見的儲運方式及其優缺點有哪些”的學習成果。

［小組匯報］小組經查閱資料并整理，得出儲氫技術比較（見表3）和運氫技術比較（見表4）。

4. 任務四 流程設計，理解氫能價值

［教師引導］根據前置任務“氫能的優勢有哪些”的學習成果，設計氫能“制—儲—運—用”流程，模擬“棄風棄光”問題解決及氫能應用的整個流程，標明過程中的能量變化，感受氫能的價值。

［小組展示］展示小組設計的氫能“制—儲—運—用”流程，并解決“棄風棄光”問題，小組間互相評價，小組設計結果如圖6所示。

五、教學反思

1. 預設前置任務，引導學生自學

在項目任務設計上，為了縮短教學時長且保證項目流程的順利進行，設置了四個難度較低的前置任務，教師為學生提供查閱資料的途徑和方法。前三個任務較為簡單且學生較為熟悉，所以可以給學生提供知網賬號及使用方法，通過小組合作搜集、處理

資料完成；第四個任務學生比較陌生，所以可以給學生提供論文資料，通過小組整理資料完成。預設的前置任務在項目進行過程中起到承上啟下的作用， 確保通過各小組合作能自主完成，提高了教學的流暢性，并在項目進行的過程中引導小組展示和評價學習成果。

2. 關注真實問題，體現育人價值

化學是一門與人類生產、生活緊密聯系的學科。在教學過程中融入思政育人理念、落實思政育人目標有重要意義。通過對教學內容蘊含的隱形思政元素的發掘，使學生樹立“綠水青山就是金山銀山”的可持續發展理念、辯證思維和內因決定事物本質的意識，體會化學對于實現“雙碳”目標的重要意義，培養學生理論和實踐相統一、嚴謹求實的科學精神，增強團隊合作意識和奉獻精神，認識到“思想是行動的先導，理論是實踐的指南”，感受化學對人民生活的重要影響，增強社會責任感。

參考文獻

［1］ 王磊，胡久華，魏銳，等.化學項目式學習的課程、教學與評價系統研究——北京師范大學化學教育研究團隊20年研究歷程與成果［J］.化學教育（中英文），2022（16）：24-29.

［2］ 鄧銓.微項目學習在高中化學課堂教學中的實踐研究——以“化學反應條件的優化”為例［J］.教育界，2020（23）：8-9，12．

［3］王志.棄風棄光，癥結何在？［N］.國家電網報，2015-12-24（001）.

［4］ 岑彬.“雙碳”背景下可再生能源發展中“棄風棄光”的問題及消納措施［J］.中阿科技論壇（中英文），2022（10）：60-63．

［5］ 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020．

［6］ 王晶，鄭長龍.普通高中教科書 化學 選擇性必修1 化學反應原理［M］.北京：人民教育出版社，2019．

［7］ 馮展博，孟凡玉.氫能儲運技術優缺點比較分析及未來發展探討［J］.能源技術與管理，2023（4）：30-33．

［8］ 蔡昊源.電解水制氫方式的原理及研究進展［J］.環境與發展，2020（5）：119-121.

*基金項目：本文系新形態教材視域重構教師教育課程與科技創新實踐教學體系研究自治區高等教育教學改革研究與實踐項目（bjg2023072）、寧夏師范學院教育碩士專業學位研究生教學案例項目學科教學（化學）指向學科核心素養發展的中學化學單元整體教學與研究共同體構建、基于職前教師學科TPACK專業化發展的高中化學單元整體教學改革校級科研教改項目（NXSFZDC2001）的階段性研究成果。