借助高中化學實驗提升學科核心素養

學科核心素養作為教育改革內容之一，成為當前的熱點話題。化學作為一門實驗學科，其實驗教學環節是培養學生學科核心素養的有效途徑之一。此外，高中化學實驗教學不僅是培養學生化學科學思維、探究能力和創新意識的重要途徑，還是學生獲取化學知識與技能的有效方式。鑒于此，筆者結合新課標要求，選擇了高中階段的化學實驗項目“制作簡單的燃料電池”，從知識與技能、思維與方法、探究與創新、態度與責任等多個維度深入探討了化學實驗如何助力學生的全面發展。

一、教學內容

本次教學以人教版高中化學選擇性必修1實驗活動5“制作簡單的燃料電池\"為例。該實驗涵蓋了氧化反應、離子反應、電化學等內容，以“制作簡單的燃料電池\"為媒介，將“回顧—設計—制作一總結\"四個環節串聯起來，并通過創設情境、理解講解、實驗設計、實驗操作、總結反思等教學環節將燃料電池的化學知識與實驗探究相結合，系統地梳理和內化燃料電池的相關知識，旨在激發學生的學習興趣，培養其學科素養。

二、教學目標

1.理解燃料電池的基本原理（氧化還原反應、離子反應以及電化學等概念），將這些概念與燃料電池的實際應用架構相結合，掌握燃料電池的制作方法（電極材料的選擇、電解質的配制以及燃料電池組裝與測試等）。（物理觀念與知識理解）

2.通過觀察實驗現象，提出科學的問題，設計具體的實驗方案，并開展實驗探究活動，驗證方案猜想；使用科學的實驗方法進行數據收集、處理與分析，推導出科學的結論。（科學思維與探究能力）

3.在實驗過程中嘗試使用不同的電極材料與電解質配比，制訂具體實驗方案，開展具體的實驗探究活動，在實驗中可以發現問題，嘗試解決問題，并提出具體的改進思路。（創新意識與實踐能力）

4.認識到燃料電池作為一種清潔、高效的能源技術，在現代生活中起到關鍵性作用，應用前景廣闊；形成對科學、技術、社會與環境間關系的正確理解，增強可持續發展的意識與責任感。（科學態度與責任感）

三、教學重難點

（一）教學重點

1.燃料電池的基本原理與制作方法的講解與過程演示。

2.學生通過實驗探究的方式理解不同電極材料與電解質對燃料電池特性的影響。

（二）教學難點

1.如何設計并實施有效的實驗方案來驗證自己對燃料電池改進的猜想。2.如何使用科學的方式進行實驗數據的收集、處理與分析，形成基于論證的科學結論。

四、教學過程

（一）創設情境，引入主題

使用希沃白板向學生展示燃料電池在現代生活中的應用實例，如氫燃料電池汽車、便攜式燃料電池等。

教師提問：同學們，你們知道這些高科技產品背后的能源技術是什么嗎？它們是如何工作的？由此引發思考與討論。

學生1：我認為其背后的能源技術是燃料電池技術，根據所學，燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的裝置，與傳統“燃燒\"不同，是通過電化學反應產生能量。

學生2：燃料電池技術在現代生活中有很廣泛的應用。除了上述案例外，它還可以為電子設備供電，這類便攜式的燃料電池體積較小、重量比較輕，適合戶外探險或遇到緊急情況時使用。

教師：剛才兩位同學都提到了燃料電池的基本原理與應用。作為一種清潔、高效的能源，其主要是通過電化學反應將燃料（如氫氣）和氧化劑（氧氣）轉化為電能，此過程中產物主要是水，對環境的影響相對較小。

（設計意圖：引入實際生活案例，激發學生的學習興趣與探究欲望，讓學生回顧所學知識點，思考燃料電池這種新型能源，為實驗教學奠定基礎。）

（二）理論講解，奠定基礎

利用希沃白板系統地講解燃料電池的基本原理、組成部分以及工作過程，重點回顧燃料電池是如何將化學能轉化為電能的，氧化還原反應如何在此過程中起到關鍵性的作用，

帶領學生回顧燃料電池的構造與工作原理，提問：燃料電池與原電池有什么區別？其工作原理有何異同？引導學生展開深入思考。

學生1：燃料電池與原電池的主要區別為工作原理與能量來源。燃料電池作為一種將化學能轉化為電能的裝置，需要外部持續提供燃料或者氧化劑，如氫氣與氧氣；而原電池更多像我們常用的干電池，將內部存儲的化學能轉化為電能，不需要外部供應反應物。

學生2：我認為燃料電池的使用效率要高于原電池，因為原電池能量轉換效率較低，其在放電過程中會出現能量損耗，同時燃料電池的排放物主要是水，對環境的影響相對較小，而原電池中含有鉛、鎘等對環境有害的物質。

學生3：燃料電池與原電池在結構上有差異。燃料電池是由電極、電解質以及外部電路構成，通常為多孔結構；而原電池是由陽極、陰極以及電解質組成，且結構較為簡單，

教師：同學們回答得非常好，大家從燃料電池與原電池的能量轉換、效率、環境影響以及結構與工作原理等多個方面進行比較，闡述其異同點。

（設計意圖：回顧關于燃料電池與原電池的基本知識，通過對比、總結，加深學生對燃料電池工作原理的理解，為后續實驗學習提供重要的理論支持。）

（三）實驗設計，培養能力

將全班學生按照4＼～5人劃分實驗小組，發放所需要的實驗器材和試劑（U型管、石墨棒、直流電源、導線、電流表、NaOH等，并展示實驗目的與要求（見表1）。

教師引導學生根據實驗目的與要求設計并討論具體的實驗方案，尤其是分析如何進行電極材料的選擇、電解質的配制以及燃料電池組的組裝與測試。以下是每個小組可能的方案展示。

小組1：我們以石墨棒為電極材料，因為其具有良好的導電性與化學穩定性，非常適合做燃料電池的電極；電解質的配制可以使用NaOH溶液為電解質，因為其可以提供一個堿性環境，有助于氫氧燃料電池進行反應。

小組2：我們以鉑為電極材料，這是一種非常好的催化劑，可以加速氫氣與氧氣的氧化反應。在電解質的選擇上，除了提供的NaOH溶液，還可嘗試使用其他催化劑，如鉑黑，以此來提升電解質的導電性與反應速率。

小組3：我們使用了金屬鎳作為電極材料，相對其他電極材料，此材料成本較低，且具有良好的導電性。在電解質的選擇上，使用 1mol/LNaOH 溶液，同時增加一些導電鹽，如KOH，以此來增強電解質的導電性。

（學生陸續分享各小組的實驗方案，并組織開展討論）

教師：每個小組都有各自的想法。小組1的實驗更為基礎，小組2則是嘗試使用催化劑來提高效率，小組3考慮到本次實驗的成本現在請同學們按照自己的想法開展實驗。

（設計意圖：以小組的形式組織學生進行實驗設計，培養學生的合作能力、探究能力，同時結合實驗要求、實驗目的以及實驗材料，擬定具體的實驗方案，通過發散思維，讓學生大膽提出自己的猜想。）

（四）實驗操作，實踐探究

教師：同學們，剛才我們分享了各自的設計方案，現在讓我們一同制作簡單的燃料電池，通過實驗的方式來探究其性能。請各小組按照預先設計的方案展開實驗，認真觀察實驗現象，并做好實驗數據的記錄，尤其是電壓、電流等參數，這可是我們后續分析和討論的重要依據。

（各小組開始忙碌起來，按照自己的設計方案進行實驗操作。教師巡回指導，把控實驗進展）

教師：小組1，老師發現你們已經完成了電解水的步驟，現在準備將氣體通入燃料電池，請你們告訴老師，你們是如何進行電解水環節的？

小組1：在開始實驗前，我們使用蒸餾水對U型管進行多次沖洗，確保其內部沒有殘留的雜質，后使用無水乙醇對U型管進行擦拭，確保其內部的清潔，為電解與燃料電解池提供相對干凈的環境。隨后，將石墨棒插入U型管的兩端，確保其與溶液能夠充分接觸并導電。石墨棒作為電極，在電解過程中發揮著重要的作用。我們將 1mol/LNaOH 溶液倒入U型管中，直到將電極完全覆蓋，NaOH溶液作為電解質，為電解過程提供所需要的離子環境。我們使用直流電源對U型管中的水進行電解，以制備所需的氧氣和氫氣。接下來，我們計劃將收集到的氣體通入燃料電池的兩極，觀察并記錄電流變化的數值，以便對比不同條件下的電流變化情況。

教師：細節決定成敗，你們已經注意到了要在無菌環境中操作。那么，在電解過程中，你們又觀察到哪些現象呢？和大家分享一下。

小組1：我們觀察到，石墨棒上有氣泡產生，這應該是電解水產生的氫氣與氧氣，同時使用電流表對裝置的電流部分進行檢測，發現隨著電解的進行，其電流數值逐漸增大。

教師：非常棒！同學們，你們已經成功地制作出氧氣和氫氣，現在就需要將其通入燃料電池中。現在請第2小組分享你們的實驗進度。

小組2：我們主要是使用鉑電極作為燃料電池的電極材料，將其固定在U型管的兩端。鉑電極因其獨特的導電性和催化性能，能夠顯著提升氫燃料電池的效率。同時，我們需要注意電極間的距離，以防發生短路。通過使用含鉑的黑色NaOH溶液，并將鉑黑作為催化劑，可以加速氫氣與氧氣之間的電化學反應，從而進一步提高燃料電池的輸出功率。

教師：小組2的同學們考慮得非常周全。在測試中，你們打算如何記錄觀察數據呢？

小組2：在電解水制備出氫氣和氧氣后，我們計劃將其通入燃料電池的兩個電極。隨后，我們使用數字電流表和電壓表對燃料電池進行測量，并記錄電流與電壓的變化數值。我們每隔固定時間測量和記錄一次，并繪制出電流-電壓曲線圖，以便后續總結燃料電池的功能特點和性能。

教師：這個想法非常好，有助于我們進一步了解燃料電池的工作機制。現在請第3組分享你們的實驗方案。

小組3：我們使用鎳作為燃料電池的電極材料。鎳電極具有良好的耐腐蝕與導電特性，適合燃料電池電化學裝置。在電解質方面，將NaOH溶液與KOH溶液按照一定比例混合后倒入U型管中，這種混合溶液具有較強的電導率與電化學穩定性，有助于提升燃料電池的性能。

教師：小組3的同學非常有創意，混合電解質的使用也許會帶來不一樣的效果，我們很期待最后的結果。在具體實驗過程中，你們遇到了哪些困難嗎？在這期間你們又是如何解決的呢？

小組3：在實驗過程中，我們發現混合電解質比例是一個難題，起初，隨意混合NaOH溶液與KOH溶液，發現燃料電池的性能并不理想，然后我們開始討論其混合比例，通過不斷的嘗試和查閱相關資料，我們最終確定了合適的配比。同時，我們還發現電極的固定方式至關重要，如果固定不穩，可能會導致電極接觸不良，從而影響實驗效果。因此，我們使用了特殊的夾具來固定電極，以確保實驗能夠順利進行。

教師：同學們，小組3尋找新的切入點，想嘗試混合電解質的方式，在實驗中遇到了混合比例的問題，但是并沒有放棄，而是積極尋找解決方案，這一點非常值得表揚。請各小組完成實驗，根據所記錄的數值，分析燃料電池的特性，并討論不同電解材料與電解質對燃料電池的影響規律。

（設計意圖：在本環節中，學生不僅掌握了基本的實驗操作技能，還進一步激發了對新能源技術的學習探究興趣。鼓勵學生嘗試使用不同的電極材料與電解質配比制訂實驗方案，開展實驗探究，以此來培養學生的創新意識與實驗設計能力。在此期間，學生深入了解燃料電池的工作原理，掌握電流、電壓的測量方式，學會如何應用化學知識來解決實際問題，提升個人數據處理與圖表分析能力。）

（五）總結反思，提升素養

教師：同學們，在本節課的實驗中，我們回顧了什么是燃料電池，并親手制作了燃料電池，還對其性能展開了探究。現在請同學們靜下心來，總結這次實驗的經歷，我想聽聽大家的感受。在本次實驗中，你們對燃料電池又有哪些新的認識呢？在實驗中，你們又遇到了哪些新的挑戰呢？你們是如何克服這些困難的呢？請同學們大膽分享自己的心得與體會。

學生1：在此次實驗中，我充分地認識和理解了燃料電池的工作原理，即通過電化學反應來產生電，在實驗中我發現電極材料與電解質的選擇對燃料電池的性能有重要影響。在具體實驗中，我們小組遇到了電極固定不穩定導致接觸不良的現象，后通過改進固定方式，問題得以解決

學生2：我最大的收獲是學會了如何在實驗中收集數據、處理數據與分析數據，通過對比不同時間段的電流與電壓變化，對燃料電池的性能有了新的理解。而且在實驗中合作是非常重要的，小組成員的相互支持、幫助，才讓我們克服困難，找到新的解決方案。

（學生陸續分享自己的實驗收獲，反思自己在實驗中的不足）

教師：同學們，你們今天的表現非常出色，不僅成功地制作出燃料電池，還向大家分享了自己的收獲與不足，老師很高興看到大家的成長。請同學們課后將今天的實驗過程以實驗報告的形式完整地呈現出來，下課！

（設計意圖：在本環節中，學生通過自我反思與分享，回顧自己的實驗過程，實現知識內化，從而提升個人的核心素養。通過引導學生回顧實驗過程、分享收獲與挑戰、反思不足與改進方向，教師可幫助學生鞏固知識、提升實驗技能，培養其思維與探究能力，同時強調團隊合作解決問題的重要性，促進學生全面發展。）

五、教學反思

在本次教學中，通過開展“制作簡單的燃料電池\"實驗活動，學生的學科素養（知識與技能、思維與方法、探究與創新以及態度與責任）得以有效提升。學生不僅掌握了燃料電池的基本知識與實驗技能，還增強了化學實驗的探究能力與創新意識。學生根據實驗目的與要求，設計具體的實驗方案（電極材料的選擇、電解質的配置以及燃料電池組裝與測試等），并開展討論、分享，優化方案，記錄小組實驗數據、整理并分析。在此期間，學生的創新意識與匹配思維得到培養，逐步認識到新能源技術的重要性，增強了社會責任感。

（作者單位：山東省聊城市水城中學）

編輯：趙飛飛