數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用傳感器及軟件收集和整理化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，由定性分析轉(zhuǎn)為定量實(shí)驗(yàn)，更準(zhǔn)確地呈現(xiàn)宏觀無(wú)法觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使實(shí)驗(yàn)探究簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)；燃料電池；化學(xué)教學(xué)近年來(lái)，我國(guó)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(lái)越緊密［1］。運(yùn)用傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)形式，合理替代了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集、處理方式，學(xué)科教學(xué)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的整合在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)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(duì)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(jiǎn)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(kāi)展分析解釋、推論預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)等學(xué)習(xí)活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生對(duì)原電池和電解池工作原理的認(rèn)識(shí)，建立對(duì)電化學(xué)過(guò)程的系統(tǒng)分析思路［3］。但在實(shí)際教學(xué)中，受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的限制，教師很少會(huì)做燃料電池相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生往往是通過(guò)觀看視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)；同時(shí)，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(duì)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(shí)驗(yàn)，運(yùn)用傳感器以及計(jì)算機(jī)軟件收集和整理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠從定性感知進(jìn)階到定量分析，更加精準(zhǔn)地呈現(xiàn)宏觀無(wú)法觀測(cè)到的微觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)探究可視化、簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)改進(jìn)和拓展”一課為例進(jìn)行具體論述。一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)氫氧燃料電池的設(shè)計(jì)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(shí)情境，組織學(xué)生開(kāi)展基于能量利用需求選擇反應(yīng)、設(shè)計(jì)能量轉(zhuǎn)化路徑和裝置等活動(dòng)，形成合理利用化學(xué)反應(yīng)中能量變化的意識(shí)和思路，提升“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”和“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)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(jìn)行進(jìn)階學(xué)習(xí)。教材主要以文字說(shuō)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(dòng)畫輔助學(xué)生理解電池的工作原理，很少會(huì)做燃料電池相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)，而選擇性必修1教材中明確將制作簡(jiǎn)單的燃料電池列為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)。在具體知識(shí)、能量觀、氧化還原觀、微粒觀、平衡觀及化學(xué)價(jià)值觀層面，學(xué)生對(duì)原電池原理和構(gòu)成條件有了一定的認(rèn)識(shí)，但對(duì)“氧化劑和還原劑不接觸就能自發(fā)反應(yīng)”心存疑惑，對(duì)“是否需要活性不同的兩個(gè)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(wèn)題存在認(rèn)知偏差，看待不同電解質(zhì)溶液中微粒如何運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題時(shí)缺乏將宏觀和微觀聯(lián)系起來(lái)的化學(xué)學(xué)科眼光，不能很好地將氧化劑、還原劑知識(shí)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(diǎn)教學(xué)目標(biāo)1：運(yùn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jìn)，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(shí)”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(jìn)燃料電池性能，用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器開(kāi)展定量實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(shí)延伸，用常見(jiàn)生活物品開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，感受化學(xué)的魅力，培養(yǎng)“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。教學(xué)重點(diǎn)：氫氧燃料電池的設(shè)計(jì)、制作及改進(jìn)，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(diǎn)：氫氧燃料電池的改進(jìn)，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(dòng)式教學(xué)，在多媒體的輔助下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究、小組合作等學(xué)習(xí)活動(dòng)。二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)輔助下的氫氧燃料電池教學(xué)過(guò)程本節(jié)課共五個(gè)環(huán)節(jié)，分別為激趣引入、設(shè)計(jì)電池、初步改進(jìn)、進(jìn)階改進(jìn)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(tái)。學(xué)生活動(dòng)：觀看科學(xué)史視頻?！驹O(shè)計(jì)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(jì)電池任務(wù)1：2H2+O2[][]2H2O是一個(gè)自發(fā)的氧化還原反應(yīng)，請(qǐng)根據(jù)此反應(yīng)，設(shè)計(jì)氫氧燃料電池。學(xué)生活動(dòng)：畫出裝置圖。設(shè)計(jì)電池裝置的一般思路如圖2所示?！驹O(shè)計(jì)意圖】運(yùn)用模型解決實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)原電池模型并運(yùn)用原電池構(gòu)成四要素進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)，從理論角度探究如何更簡(jiǎn)便地制作氫氧燃料電池。環(huán)節(jié)三：動(dòng)腦思考，初步改進(jìn)任務(wù)2：自制簡(jiǎn)易氫氧燃料電池裝置引導(dǎo)提問(wèn)：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(jìn)？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(gè)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(dòng)：學(xué)生根據(jù)教師的提問(wèn)改進(jìn)課本實(shí)驗(yàn)裝置（如圖3所示）。學(xué)生以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置圖與實(shí)驗(yàn)步驟如圖4所示，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5所示。【設(shè)計(jì)意圖】通過(guò)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案和小組實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論的正確性和方案的可行性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和團(tuán)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(dòng)手實(shí)踐，進(jìn)階改進(jìn)任務(wù)3：改進(jìn)自制氫氧燃料電池性能問(wèn)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?。﹩?wèn)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(dòng)：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(chǔ)氫介質(zhì)，可用作燃料電池的電極催化材料。改進(jìn)電極實(shí)驗(yàn)：其他條件不變，陰極放入泡沫鎳。問(wèn)題3.3：二極管亮，但氫氧燃料電池的電壓有增大嗎？（無(wú)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(cè)定電池電壓）學(xué)生活動(dòng)：開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)改變電極優(yōu)化電池性能。實(shí)驗(yàn)情況如表1所示。問(wèn)題3.4：除了改進(jìn)電極材料，我們還可以從什么角度改進(jìn)氫氧燃料電池的性能？學(xué)生活動(dòng)：開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。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(cè)定氫氧燃料電池電壓，直觀感受不同電解質(zhì)溶液對(duì)氫氧燃料電池電壓的影響。實(shí)驗(yàn)情況如表2所示。問(wèn)題3.5：請(qǐng)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(dòng)：書寫電極反應(yīng)式?？偨Y(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(jì)意圖】讓學(xué)生感受電池模型的應(yīng)用，體驗(yàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，用數(shù)據(jù)說(shuō)明我們宏觀無(wú)法觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化?？刂茊我蛔兞吭O(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)感受定量實(shí)驗(yàn)的精確性，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理、宏觀辨識(shí)與微觀探析素養(yǎng)，提升學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”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(hào)順利完成“出差”任務(wù)。太空飛船利用太陽(yáng)能電池板把光能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)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(yáng)能玩具電車中的太陽(yáng)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(jiàn)物品制作氫氧燃料電池？學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生課后利用玩具車太陽(yáng)能電池板及其他生活中常見(jiàn)物品自制氫氧燃料電池，體會(huì)能量間的相互轉(zhuǎn)化，感受高科技就在我們身邊?！驹O(shè)計(jì)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(shí)與生活、科技聯(lián)系起來(lái)，提升學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本節(jié)課板書設(shè)計(jì)如圖6所示。三、基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)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(duì)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(lái)運(yùn)用模型解決實(shí)際問(wèn)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(jì)裝置，呈現(xiàn)裝置圖，從理論角度探究如何更簡(jiǎn)便地制作氫氧燃料電池。隨后利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器宏微結(jié)合收集證據(jù)，用證據(jù)從不同視角分析問(wèn)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(shí)”“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)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(jìn)了人教版教材中呈現(xiàn)的燃料電池裝置，有以下四個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。一是實(shí)驗(yàn)裝置與材料易得，實(shí)驗(yàn)操作方便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。實(shí)驗(yàn)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(huì)到電解水產(chǎn)生的H2和O2的氣體體積比，同時(shí)也增大電極上H2和O2的吸附量。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯且趣味性強(qiáng)，可以清晰直觀地看到燃料電池儲(chǔ)存的氣體，對(duì)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(shí)驗(yàn)演示，即便作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)及家庭實(shí)驗(yàn)（把硫酸鈉換成小蘇打）也是簡(jiǎn)單易上手且安全的。二是實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間少，可作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)在課堂上開(kāi)展，且學(xué)生可以反復(fù)操作。學(xué)生在組裝電池的過(guò)程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)燃料電池的電極是一個(gè)催化轉(zhuǎn)化原元件，整個(gè)電池裝置其實(shí)是一個(gè)反應(yīng)器，從而在對(duì)比中認(rèn)識(shí)到燃料電池與一般化學(xué)電池的區(qū)別。學(xué)生通過(guò)親手組裝燃料電池，不僅能增強(qiáng)對(duì)燃料電池的感性認(rèn)識(shí)，還能開(kāi)拓科學(xué)視野，活躍創(chuàng)新思維［4］。三是采用手持技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)燃料電池電壓，進(jìn)行定量測(cè)量，快捷直觀顯示宏觀無(wú)法觀察到的微觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果，宏微結(jié)合收集證據(jù)。四是課后適當(dāng)拓展實(shí)驗(yàn)，緊跟時(shí)代步伐。展示我國(guó)在航空航天