數(shù)字化實驗在燃料電池教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：在高中化學(xué)氫氧燃料電池教學(xué)中引入數(shù)字化實驗，教師可以引導(dǎo)學(xué)生綜合運用傳感器及軟件收集和整理化學(xué)實驗過程中的數(shù)據(jù)，由定性分析轉(zhuǎn)為定量實驗，更準(zhǔn)確地呈現(xiàn)宏觀無法觀測到的實驗結(jié)果，使實驗探究簡單化、可視化和高效化，從而提高課堂教學(xué)效果，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗；燃料電池；化學(xué)教學(xué)近年來，我國信息技術(shù)飛速發(fā)展，信息技術(shù)與高中教學(xué)的結(jié)合越來越緊密［1］。運用傳感器和計算機技術(shù)實現(xiàn)化學(xué)實驗現(xiàn)象數(shù)字化的實驗形式，合理替代了傳統(tǒng)實驗中數(shù)據(jù)采集、處理方式，學(xué)科教學(xué)與數(shù)字化實驗的整合在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用越來越普遍，專家學(xué)者和教育工作者認(rèn)可程度與日俱增［2］。針對化學(xué)燃料電池學(xué)習(xí)，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）提出，充分利用氫氧燃料電池等案例素材，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，發(fā)展學(xué)生對原電池和電解池工作原理的認(rèn)識，建立對電化學(xué)過程的系統(tǒng)分析思路［3］。但在實際教學(xué)中，受傳統(tǒng)實驗儀器的限制，教師很少會做燃料電池相關(guān)的演示實驗，學(xué)生往往是通過觀看視頻進行學(xué)習(xí)；同時，學(xué)生親自完成燃料電池的制作存在困難，這也讓學(xué)生對電池的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理缺乏感性和理性的認(rèn)知［4］。在高中化學(xué)燃料電池教學(xué)中引入數(shù)字化實驗，運用傳感器以及計算機軟件收集和整理化學(xué)實驗數(shù)據(jù)，能夠從定性感知進階到定量分析，更加精準(zhǔn)地呈現(xiàn)宏觀無法觀測到的微觀實驗現(xiàn)象與結(jié)果。數(shù)字化實驗既能幫助學(xué)生降低學(xué)習(xí)化學(xué)抽象概念的難度，又能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使實驗探究可視化、簡單化和高效化，提升教學(xué)效果［5］。下面以“‘自制氫氧燃料電池實驗改進和拓展”一課為例進行具體論述。一、數(shù)字化實驗教學(xué)氫氧燃料電池的設(shè)計依據(jù)（一）教學(xué)分析根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求，教師應(yīng)充分利用氫氧燃料電池等案例素材，在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)真實情境，組織學(xué)生開展基于能量利用需求選擇反應(yīng)、設(shè)計能量轉(zhuǎn)化路徑和裝置等活動，形成合理利用化學(xué)反應(yīng)中能量變化的意識和思路，提升“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”和“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)［6］。根據(jù)人教版化學(xué)教材的編排情況，學(xué)生將在必修2中第一次接觸燃料電池，在選擇性必修1中進行進階學(xué)習(xí)。教材主要以文字說明和裝置示意圖的形式介紹燃料電池，在常規(guī)課堂中，教師通常是利用視頻或者模擬動畫輔助學(xué)生理解電池的工作原理，很少會做燃料電池相關(guān)的演示實驗，而選擇性必修1教材中明確將制作簡單的燃料電池列為學(xué)生必做實驗。在具體知識、能量觀、氧化還原觀、微粒觀、平衡觀及化學(xué)價值觀層面，學(xué)生對原電池原理和構(gòu)成條件有了一定的認(rèn)識，但對“氧化劑和還原劑不接觸就能自發(fā)反應(yīng)”心存疑惑，對“是否需要活性不同的兩個電極”以及“電極是否需要與電解質(zhì)溶液發(fā)生自發(fā)氧化還原反應(yīng)”等問題存在認(rèn)知偏差，看待不同電解質(zhì)溶液中微粒如何運動等問題時缺乏將宏觀和微觀聯(lián)系起來的化學(xué)學(xué)科眼光，不能很好地將氧化劑、還原劑知識遷移用于分析電極反應(yīng)，大部分學(xué)生學(xué)習(xí)困難體現(xiàn)在電極反應(yīng)式的書寫上。（二）教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)重難點教學(xué)目標(biāo)1：運用微粒觀、氧化還原觀分析原電池，畫出電解水和氫氧燃料電池模型，進行實驗探究，從能量、氧化還原、微粒和平衡觀等角度分析電池原理并改進，書寫電極反應(yīng)式，培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”和“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。教學(xué)目標(biāo)2：從平衡觀角度改進燃料電池性能，用數(shù)字化實驗儀器開展定量實驗，宏微結(jié)合收集證據(jù)，推出結(jié)論，培養(yǎng)“變化觀念與平衡思想”和“宏觀辨識與微觀探析”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。用科學(xué)史引入，用航天科技知識延伸，用常見生活物品開展實驗，感受化學(xué)的魅力，培養(yǎng)“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。教學(xué)重點：氫氧燃料電池的設(shè)計、制作及改進，不同電解質(zhì)溶液環(huán)境中的電極反應(yīng)式書寫。教學(xué)難點：氫氧燃料電池的改進，不同電解質(zhì)溶液環(huán)境中的電極反應(yīng)式書寫。教學(xué)方法：本課采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)，在多媒體的輔助下開展實驗探究、小組合作等學(xué)習(xí)活動。二、數(shù)字化實驗輔助下的氫氧燃料電池教學(xué)過程本節(jié)課共五個環(huán)節(jié)，分別為激趣引入、設(shè)計電池、初步改進、進階改進以及拓展提升，具體教學(xué)流程如圖1所示。環(huán)節(jié)一：史料引入，激發(fā)興趣視頻資料：1839年第一節(jié)氫氧燃料電池出現(xiàn)，自此，燃料電池登上歷史的舞臺。學(xué)生活動：觀看科學(xué)史視頻?！驹O(shè)計意圖】將科學(xué)史融入教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的視野。環(huán)節(jié)二：理論分析，設(shè)計電池任務(wù)1：2H2+O2[][]2H2O是一個自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，請根據(jù)此反應(yīng)，設(shè)計氫氧燃料電池。學(xué)生活動：畫出裝置圖。設(shè)計電池裝置的一般思路如圖2所示?！驹O(shè)計意圖】運用模型解決實際問題，讓學(xué)生領(lǐng)會原電池模型并運用原電池構(gòu)成四要素進行裝置設(shè)計，從理論角度探究如何更簡便地制作氫氧燃料電池。環(huán)節(jié)三：動腦思考，初步改進任務(wù)2：自制簡易氫氧燃料電池裝置引導(dǎo)提問：課本上氫氧燃料電池裝置的電源為直流電，不方便攜帶，如何改進？石墨棒不易獲取，可以用生活中的什么材料代替？要想肉眼觀察到兩極產(chǎn)生氣體的現(xiàn)象并收集氣體，可以在兩極加個什么裝置呢？U型管不易獲取，可以換成什么裝置？學(xué)生活動：學(xué)生根據(jù)教師的提問改進課本實驗裝置（如圖3所示）。學(xué)生以小組為單位進行實驗探究，實驗用品有泡沫鎳、鉛筆芯、發(fā)光二極管、塑料吸管、注射器、9V電池、熱熔膠槍、電壓傳感器。實驗裝置圖與實驗步驟如圖4所示，實驗現(xiàn)象如圖5所示?！驹O(shè)計意圖】通過改進實驗方案和小組實驗，驗證理論的正確性和方案的可行性，培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究能力和團結(jié)協(xié)作精神，讓學(xué)生感受化學(xué)反應(yīng)與能量變化的關(guān)系。環(huán)節(jié)四：動手實踐，進階改進任務(wù)3：改進自制氫氧燃料電池性能問題3.1：氫氧燃料電池工作，二極管亮但亮度逐漸減弱，這是為什么？（氫氧燃料電池電壓在減小）問題3.2：查閱資料，從原電池構(gòu)成要素分析，可以從哪些方面提高氫氧燃料電池電壓？學(xué)生活動：學(xué)生查閱教師提供的文字資料得知，泡沫鎳是一種很好的儲氫介質(zhì)，可用作燃料電池的電極催化材料。改進電極實驗：其他條件不變，陰極放入泡沫鎳。問題3.3：二極管亮，但氫氧燃料電池的電壓有增大嗎？（無法用肉眼判斷二極管亮度，但是可以用數(shù)字化電壓傳感器更精確地測定電池電壓）學(xué)生活動：開展數(shù)字化實驗。學(xué)生通過改變電極優(yōu)化電池性能。實驗情況如表1所示。問題3.4：除了改進電極材料，我們還可以從什么角度改進氫氧燃料電池的性能？學(xué)生活動：開展數(shù)字化實驗。其他條件不變，陰極被泡沫鎳包裹，分別用濃度均為2.5mol/L的硫酸溶液、氫氧化鈉溶液以及硫酸鈉溶液作為電解質(zhì)溶液，利用數(shù)字化儀器測定氫氧燃料電池電壓，直觀感受不同電解質(zhì)溶液對氫氧燃料電池電壓的影響。實驗情況如表2所示。問題3.5：請寫出電解質(zhì)溶液分別為硫酸溶液、氫氧化鈉溶液和硫酸鈉溶液的電極反應(yīng)式。學(xué)生活動：書寫電極反應(yīng)式。總結(jié)電極反應(yīng)式書寫技巧（電子守恒、電荷守恒、元素守恒）?！驹O(shè)計意圖】讓學(xué)生感受電池模型的應(yīng)用，體驗數(shù)字化實驗，用數(shù)據(jù)說明我們宏觀無法觀察到的實驗現(xiàn)象變化?？刂茊我蛔兞吭O(shè)計數(shù)字化實驗感受定量實驗的精確性，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理、宏觀辨識與微觀探析素養(yǎng)，提升學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)［7］。環(huán)節(jié)五：拓展提升，感受科技視頻資料：神舟十三號順利完成“出差”任務(wù)。太空飛船利用太陽能電池板把光能轉(zhuǎn)化為電能，進而電解水給宇航員供氧。任務(wù)4：我們是否可以將小朋友的太陽能玩具電車中的太陽能電池板用作氫氧燃料電池的電源呢？還可以利用生活中哪些常見物品制作氫氧燃料電池？學(xué)生活動：學(xué)生課后利用玩具車太陽能電池板及其他生活中常見物品自制氫氧燃料電池，體會能量間的相互轉(zhuǎn)化，感受高科技就在我們身邊。【設(shè)計意圖】以航空航天高科技引入，讓學(xué)生將化學(xué)學(xué)科知識與生活、科技聯(lián)系起來，提升學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本節(jié)課板書設(shè)計如圖6所示。三、基于數(shù)字化實驗開展實驗教學(xué)的反思本節(jié)課用科學(xué)史引入，引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)研究對美好生活的重要意義，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為接下來運用模型解決實際問題鋪墊。接著，學(xué)生嘗試根據(jù)原電池構(gòu)成四要素設(shè)計裝置，呈現(xiàn)裝置圖，從理論角度探究如何更簡便地制作氫氧燃料電池。隨后利用數(shù)字化實驗儀器宏微結(jié)合收集證據(jù)，用證據(jù)從不同視角分析問題，推理出合理的結(jié)論。學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“宏觀辨識與微觀探析”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)在這一節(jié)課中均獲得了發(fā)展。本節(jié)課改進了人教版教材中呈現(xiàn)的燃料電池裝置，有以下四個方面的優(yōu)點。一是實驗裝置與材料易得，實驗操作方便，實驗現(xiàn)象明顯。實驗裝置與材料均源于學(xué)生生活，所需的藥品不多且便于攜帶。密閉的反應(yīng)系統(tǒng)使得生成的氣體不能逸出，生成的氣體在小吸管中聚集，讓學(xué)生更深刻地體會到電解水產(chǎn)生的H2和O2的氣體體積比，同時也增大電極上H2和O2的吸附量。實驗現(xiàn)象明顯且趣味性強，可以清晰直觀地看到燃料電池儲存的氣體，對學(xué)生分析燃料電池的工作原理起到了輔助作用［4］，適合用于實驗演示，即便作為學(xué)生實驗及家庭實驗（把硫酸鈉換成小蘇打）也是簡單易上手且安全的。二是實驗所需時間少，可作為學(xué)生分組實驗在課堂上開展，且學(xué)生可以反復(fù)操作。學(xué)生在組裝電池的過程中，會發(fā)現(xiàn)燃料電池的電極是一個催化轉(zhuǎn)化原元件，整個電池裝置其實是一個反應(yīng)器，從而在對比中認(rèn)識到燃料電池與一般化學(xué)電池的區(qū)別。學(xué)生通過親手組裝燃料電池，不僅能增強對燃料電池的感性認(rèn)識，還能開拓科學(xué)視野，活躍創(chuàng)新思維［4］。三是采用手持技術(shù)進行數(shù)字化實驗，可以實時檢測燃料電池電壓，進行定量測量，快捷直觀顯示宏觀無法觀察到的微觀實驗結(jié)果，宏微結(jié)合收集證據(jù)。四是課后適當(dāng)拓展實驗，緊跟時代步伐。展示我國在航空航天