4-1-4 化學(xué)電源-燃料電池 教學(xué)設(shè)計 2023-2024學(xué)年高二上學(xué)期化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1

4-1-4化學(xué)電源——燃料電池教學(xué)設(shè)計2023-2024學(xué)年高二上學(xué)期化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1學(xué)校授課教師課時授課班級授課地點教具教學(xué)內(nèi)容本節(jié)課選自人教版（2019）選擇性必修1的第四章第一節(jié)第四部分“化學(xué)電源——燃料電池”。教學(xué)內(nèi)容主要包括：燃料電池的工作原理、類型及特點，重點討論酸性燃料電池、堿性燃料電池和磷酸燃料電池；通過實際案例分析，理解燃料電池在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用及其對環(huán)境保護的意義；結(jié)合電解質(zhì)的選擇和電極材料的性質(zhì)，探討影響燃料電池效率的因素。此外，還包括對燃料電池相關(guān)化學(xué)方程式的書寫和能量轉(zhuǎn)化效率的計算。核心素養(yǎng)目標本節(jié)課的核心素養(yǎng)目標為：培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，提升其對化學(xué)與能源、環(huán)保等社會議題的理解和參與意識。通過學(xué)習(xí)燃料電池的原理與應(yīng)用，使學(xué)生能夠運用化學(xué)知識解釋能量轉(zhuǎn)化過程，培養(yǎng)其宏觀與微觀相結(jié)合的思考方式；加強學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的分析處理能力，提升科學(xué)思維和證據(jù)意識；同時，結(jié)合燃料電池的環(huán)境效益，強化學(xué)生的社會責任感和可持續(xù)發(fā)展觀念，激發(fā)其參與化學(xué)相關(guān)社會問題的討論和解決。教學(xué)難點與重點1.教學(xué)重點

-燃料電池的工作原理及其能量轉(zhuǎn)化過程；

-燃料電池的類型、特點及其在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用；

-影響燃料電池效率的因素，包括電解質(zhì)的選擇和電極材料的性質(zhì)；

-燃料電池相關(guān)化學(xué)方程式的書寫和能量轉(zhuǎn)化效率的計算。

舉例：通過圖解和動畫演示燃料電池的工作過程，強調(diào)氧化還原反應(yīng)在能量轉(zhuǎn)化中的作用；對比不同類型的燃料電池，突出其各自的應(yīng)用場景和優(yōu)勢。

2.教學(xué)難點

-燃料電池內(nèi)部電子轉(zhuǎn)移和離子移動的微觀過程理解；

-燃料電池效率與電解質(zhì)和電極材料之間關(guān)系的深入理解；

-化學(xué)方程式的平衡及其在燃料電池中的應(yīng)用；

-能量轉(zhuǎn)化效率計算公式的推導(dǎo)和應(yīng)用。

舉例：通過實驗觀察和模擬軟件幫助學(xué)生理解燃料電池內(nèi)部的電子轉(zhuǎn)移和離子移動；通過案例分析和數(shù)學(xué)建模，引導(dǎo)學(xué)生掌握電解質(zhì)和電極材料對燃料電池效率的影響，并學(xué)會運用相關(guān)計算公式進行效率評估。教學(xué)資源-硬件資源：燃料電池模型或?qū)嵨?、多媒體教學(xué)設(shè)備、實驗器材（如電壓表、電流表、電子天平等）；

-軟件資源：化學(xué)教學(xué)軟件、燃料電池工作原理動畫、能量轉(zhuǎn)化效率計算工具；

-課程平臺：校園網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、教室智能交互白板；

-信息化資源：電子教材、PPT課件、教學(xué)視頻、在線模擬實驗；

-教學(xué)手段：講授、小組討論、實驗探究、案例分析、互動問答、在線自測。教學(xué)過程第一環(huán)節(jié)：導(dǎo)入新課

同學(xué)們，大家好！在上一節(jié)課中，我們學(xué)習(xí)了化學(xué)電源的相關(guān)知識，了解了電池的基本原理和應(yīng)用。今天，我們將要學(xué)習(xí)一種特殊的電池——燃料電池。它作為一種高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換方式，正日益受到重視。那么，燃料電池是如何工作的？它有哪些獨特之處呢？接下來，我們就一起走進燃料電池的世界。

第二環(huán)節(jié)：探究燃料電池的工作原理

1.請大家翻到教材第四章第一節(jié)第四部分，閱讀燃料電池的工作原理部分。

2.結(jié)合教材中的圖示，我將通過動畫演示燃料電池的工作過程，請大家仔細觀察。

3.觀察完畢后，請同學(xué)們用自己的話簡要描述燃料電池的工作原理。

4.邀請幾名同學(xué)分享他們的觀察和理解，我將適時給予點評和補充。

第三環(huán)節(jié)：學(xué)習(xí)燃料電池的類型和特點

1.接下來，我們學(xué)習(xí)燃料電池的類型。請同學(xué)們閱讀教材中關(guān)于酸性燃料電池、堿性燃料電池和磷酸燃料電池的部分。

2.請大家總結(jié)這三種燃料電池的特點和應(yīng)用場景，并與同桌進行交流。

3.邀請幾名同學(xué)分別介紹這三種燃料電池的特點，我將進行點評和總結(jié)。

第四環(huán)節(jié)：實驗探究影響燃料電池效率的因素

1.現(xiàn)在，我們來進行實驗探究。請大家分成小組，每組領(lǐng)取一套實驗器材。

2.實驗?zāi)康模貉芯侩娊赓|(zhì)的選擇和電極材料的性質(zhì)對燃料電池效率的影響。

3.實驗步驟：按照教材中的方法，分別測定不同電解質(zhì)和電極材料下的電壓和電流，記錄數(shù)據(jù)。

4.實驗過程中，我將巡回指導(dǎo)，解答同學(xué)們的疑問。

5.實驗結(jié)束后，請各小組整理數(shù)據(jù)，并計算出燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率。

6.邀請幾組同學(xué)分享他們的實驗結(jié)果和發(fā)現(xiàn)，我將進行點評和總結(jié)。

第五環(huán)節(jié)：案例分析——燃料電池在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用

1.請大家閱讀教材中的案例，了解燃料電池在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用。

2.結(jié)合案例，我將引導(dǎo)同學(xué)們思考燃料電池對環(huán)境保護的意義。

3.邀請同學(xué)們討論燃料電池在日常生活中還有哪些應(yīng)用，以及如何推廣燃料電池的使用。

第六環(huán)節(jié)：鞏固與拓展

1.為了檢驗大家對今天所學(xué)內(nèi)容的掌握，我將發(fā)放一份課堂練習(xí)，請大家認真完成。

2.完成練習(xí)后，我將挑選部分同學(xué)的作業(yè)進行展示和點評。

3.最后，我將布置一道拓展思考題：如何提高燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率？

第七環(huán)節(jié)：課堂小結(jié)

今天，我們學(xué)習(xí)了燃料電池的工作原理、類型、特點以及在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用。通過實驗探究，我們了解了影響燃料電池效率的因素。希望大家能夠?qū)⑦@些知識運用到實際生活中，為我國的環(huán)保事業(yè)貢獻自己的力量。

第八環(huán)節(jié)：課后作業(yè)

1.復(fù)習(xí)教材第四章第一節(jié)第四部分內(nèi)容，鞏固所學(xué)知識。

2.完成課后練習(xí)題，加深對燃料電池的理解。

3.查閱資料，了解燃料電池的最新研究進展。

同學(xué)們，今天的課就到這里。希望大家能夠認真完成課后作業(yè)，我們下節(jié)課再見！知識點梳理1.燃料電池的工作原理

-燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置；

-燃料電池由陽極、陰極和電解質(zhì)組成；

-在燃料電池中，氫氣在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣在陰極發(fā)生還原反應(yīng)；

-電子從陽極通過外部電路流向陰極，形成電流；

-電解質(zhì)負責傳遞離子，維持電荷平衡。

2.燃料電池的類型及特點

-酸性燃料電池：使用酸性電解質(zhì)，如磷酸，適用于小型設(shè)備；

-堿性燃料電池：使用堿性電解質(zhì)，如氫氧化鈉，適用于大型發(fā)電裝置；

-磷酸燃料電池：使用磷酸作為電解質(zhì)，具有高效率和耐久性，適用于移動應(yīng)用；

-燃料電池的特點：能量轉(zhuǎn)換效率高、污染小、噪音低、可連續(xù)使用。

3.影響燃料電池效率的因素

-電解質(zhì)的選擇：電解質(zhì)的性質(zhì)直接影響電池的離子傳輸能力和穩(wěn)定性；

-電極材料的性質(zhì)：電極材料的活性、導(dǎo)電性和穩(wěn)定性對電池性能有顯著影響；

-氫氣純度和氧氣供應(yīng)：高純度氫氣和充足的氧氣供應(yīng)有助于提高電池效率；

-電池設(shè)計和操作條件：電池設(shè)計是否合理，操作條件是否適宜也會影響效率。

4.燃料電池在可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用

-燃料電池汽車：減少尾氣排放，提高能源利用效率；

-燃料電池發(fā)電站：為家庭、商業(yè)和工業(yè)提供清潔電力；

-移動電源：為遠程設(shè)備提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)；

-環(huán)境保護：減少化石燃料使用，降低溫室氣體排放。

5.燃料電池相關(guān)化學(xué)方程式的書寫

-陽極反應(yīng)：2H2→4H++4e-；

-陰極反應(yīng)：O2+4e-+4H+→2H2O；

-總反應(yīng)：2H2+O2→2H2O。

6.能量轉(zhuǎn)化效率的計算

-能量轉(zhuǎn)化效率=(實際產(chǎn)生的電能/燃料的理論能量)×100%；

-實際產(chǎn)生的電能可以通過電流、電壓和時間計算得出；

-燃料的理論能量可以根據(jù)化學(xué)方程式和燃料的摩爾質(zhì)量計算。重點題型整理題型一：解釋燃料電池的工作原理，并畫出其簡化示意圖。

解答：燃料電池的工作原理是通過氫氣在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧氣在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，電子從陽極通過外部電路流向陰極，形成電流。電解質(zhì)負責傳遞離子，維持電荷平衡。

簡化示意圖：

```

陽極（氫氣）───?電子───?陰極（氧氣）

│

▼

電解質(zhì)（離子傳遞）

```

題型二：列出并解釋影響燃料電池效率的三個主要因素。

解答：

1.電解質(zhì)的選擇：電解質(zhì)的性質(zhì)影響離子傳輸能力和電池的穩(wěn)定性，從而影響效率。

2.電極材料的性質(zhì)：電極材料的活性、導(dǎo)電性和穩(wěn)定性對電池性能有顯著影響。

3.氫氣純度和氧氣供應(yīng)：高純度氫氣和充足的氧氣供應(yīng)有助于提高電池效率。

題型三：寫出酸性燃料電池的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)。

解答：

陽極反應(yīng)：2H2→4H++4e-

陰極反應(yīng)：O2+4e-+4H+→2H2O

題型四：解釋為什么燃料電池被認為是環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換方式。

解答：燃料電池被認為是環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換方式，因為它們：

-減少化石燃料的使用，降低溫室氣體排放。

-在運行過程中幾乎不產(chǎn)生有害排放，只有水和少量的熱能。

-能量轉(zhuǎn)換效率高，減少能源浪費。

題型五：假設(shè)一個燃料電池的陽極和陰極反應(yīng)分別為2H2→4H++4e-和O2+4e-+4H+→2H2O，計算該燃料電池的理論電壓。

解答：

理論電壓可以通過標準電極電勢計算得出，對于酸性燃料電池，標準電極電勢如下：

-陽極（氫氣）的標準電極電勢：E°(H+/H2)=0.00V

-陰極（氧氣）的標準電極電勢：E°(O2/H2O)=1.23V

理論電壓=陰極標準電極電勢-陽極標準電極電勢

理論電壓=1.23V-0.00V=1.23V反思改進措施（一）教學(xué)特色創(chuàng)新

1.在本節(jié)課中，我嘗試采用了多元化的教學(xué)方法，如動畫演示、實驗探究和案例分析等，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。這種教學(xué)方式既豐富了課堂形式，又增強了學(xué)生對燃料電池工作原理和應(yīng)用的理解。

2.結(jié)合現(xiàn)實生活中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注燃料電池在可持續(xù)發(fā)展中的作用，激發(fā)他們的社會責任感和環(huán)保意識。

（二）存在主要問題

1.在教學(xué)組織方面，我發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生在實驗探究過程中，操作不夠熟練，對實驗數(shù)據(jù)的分析處理能力有待提高。這可能是因為實驗前的準備工作不夠充分，導(dǎo)致學(xué)生對實驗步驟和數(shù)據(jù)處理方法掌握不夠。

2.在教學(xué)方法方面，我發(fā)現(xiàn)在課堂上的互動問答環(huán)節(jié)，部分學(xué)生表現(xiàn)較為拘謹，可能是因為課堂氛圍不夠輕松，學(xué)生擔心回答錯誤。

（三）改進