《揭秘化学电源》案例研究

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  一、项目提出
  雾霾是特定气候条件与人类活动相互作用的结果。2013年以来,“雾霾”成为人们关注的问题之一。在这一大背景下,新能源的推广和使用备受人们关注,尤其是电动汽车。结合这一环境问题的治理和化学知识的学习,将项目学习的内容确定为和环境保护有关的“化学电源”,通过探究电动汽车的能量来源学习相关概念和原理,揭开化学电源的神秘面纱,让学生能够了解新能源的使用和发展,更加关注环境的保护。
  二、项目准备
  1.解读课标,整合教材。
  项目的实施依赖于课标的指导,因此研读课标能够准确地把握课程知识的主体性。对于化学电源的知识,课标在必修二和选修四课程模块中分别作了如下说明:
  学生能够举例说明化学能与电能的转化关系及其应用;认识研制新型电池的重要性。建议通过查阅资料了解化学能转化为热能、电能在生产、生活中的应用;用生活中的材料制作简易电池;对不同种类电池的特点、性能与用途做市场调查。
  学生在学习过程中能够体验化学能与电能相互转化的探究过程,了解原电池和电解池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式;通过查阅资料了解常见化学电源的种类及其工作原理,认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。建议能够完成电能与化学能的相互转化的实验探究;调查市场常见化学电池的种类,讨论它们的工作原理、生产工艺和回收价值。
  根据课程标准的要求和教科书中的内容,我们将必修二中第二章第二节《化学能与电能》与选修四第四章第一节《原电池》、第二节《化学电源》的知识进行整合,形成与化学电源相关的教材资料。根据相关教材资料,确定项目实施的开展周期为13学时。
  2.研讨项目,确定流程。
  在确定了项目课题后,组织教师开展多次项目研讨会,对项目课题的开展和方式进行研讨。
  首先,第一次项目研讨会确定了项目的目標。从三个维度(知识与技能、过程与方法、情感态度和价值观)提出项目的指引性目标。对学生的能力、态度和成果作了基本的要求。根据课程标准,我们整理出项目的概要。
  其次,在之后的几次会议中,主要研讨了项目流程,并不断进行修改,最终确定了以下学习环节:
  (1)创设问题:根据信息,结合一些资料卡片,让学生以此了解所学知识的背景,以此进行延伸,对所需掌握的知识、所要提高的能力、最终获得的成果有整体的认识。
  (2)自主学习:结合创设问题和内容学案,由学生自主进行知识的学习。在这一过程中,对知识的分析和探讨为实践操作将奠定理论基础。
  (3)总结概括:小组讨论知识的原理、构成和发展,并由教师最终对知识进行总结归纳,引导学生进行知识的整合。
  (4)类比迁移:以教学资料为基础,对相关知识的了解进行迁移,可作阶梯难度学习,根据不同学生的能力进行不同内容的学习。
  (5)拓展延伸:学生可利用图书馆、网络等资源,进行其他知识的学习,如化学史等。
  (6)实践操作:依据理论知识的学习,进行实验操作的验证和探究,加强理论知识的理解,同时提高学生的动手能力。
  (7)测评考核:对项目学习的各环节进行测评,如学生知识的掌握、思维能力的提升、动手能力的提高等。
  (8)成果展示:结合课程内容和自主活动,进行小组汇报和自由发挥的成果展示,同时在项目活动中体现出学校特色、教师特长、学生特点,能够成为学生知识体系学习的有益补充。
  在项目实施过程中,不断地对项目进行中反映出的一些问题及时作出修改,同时结合学生提出的一些建议,讨论其合理性和实践性。
  三、体例说明
  项目学习是通过一系列任务的完成,最终达成项目目标的学习方式。以“揭秘化学电源”为例,在项目学习过程中,学生将通过自主学习、总结拓展、实践操作、交流展示、测评考核等教学活动,在“做中学”,提升化学素养。
  1.项目概要。
  (1)从原理上认识燃料电池,能正确书写电极反应方程式。结合生活,了解生活中电池的种类,分析其结构,认识能量的相互转化过程。
  (2)通过对电池的拆分,掌握能量转换的原理。结合组成成分的验证,认识研制新型电池的重要性。
  (3)依据化学史知识,了解电池的发展,培养学生的环保意识和绿色化学意识,逐步形成可持续发展的思想。
  2.项目活动。
  活动一:课前热身。(2课时)
  根据学习资料卡片的内容,进行走访了解、策划设计等,为完成项目成果做好铺垫。
  [资料卡片一] 由于城市空气质量指数“爆表”,为保护公众健康,减缓大气污染程度,北京市应急办于2015年12月7日18时首次启动空气重污染红色预警。
  [资料卡片二] 环保部提出,PM2.5来源是机动车、燃煤、扬尘、流动源、工业生产等。中小学、幼儿园停课,全市范围内实施机动车单双号行驶(电动车除外)。
  [资料卡片三] 燃料电池的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水;零排放,不污染环境。燃料电动车能量转化效率高,可高达60%~80%,为内燃机的2~3倍。
  根据以上三个资料卡片,查阅相关资料,了解电动车动力的来源及其原理。
  活动二:自主学习。(2课时)
  ①知识回顾——科学探究一。
  回顾人教版九年级化学教科书(上册)第三单元 《自然界的水》 课题一:水的组成,[实验3-1]水的电解实验。
  电解水需要的实验仪器有:电源、碳电极、硫酸钠溶液、电流表、试管、导线若干、开关。实验步骤为:将装置连接接通电源一段时间后,观察两电极上的现象,及电流表指针偏转方向。预期得到的实验结果为:在负极连接的电极上产生H2,在正极连接的电极上产生O2,且体积比为2:1。   ②知识反转——科学探究二。
  去掉电解水装置的电源,将两电极与小灯泡用导线相连,形成氢氧燃料电池。
  实验所需仪器有:碳电极、硫酸钠溶液、电流表、试管、导线若干、开关、小灯泡。实验步骤为:将电解装置的电源拆掉,连接小灯泡,观察两电极现象,电流表指针偏转方向及小灯泡是否变亮。预期得到的实验结果为:小灯泡可以发光,两电极气体减少,电流表偏转。
  ③新知学习。
  根据科学探究一和科学探究二,研究这两个装置的原理:
  电解水:
  阴极:2H 2e-■H2
  阳极:4OH--4e-■O2 2H2O
  燃料电池:H2-2e-■2H
  O2 2H2O 4e-■4OH-
  思考与交流:
  根据电流表偏转确定电流方向:从能量转移角度和电子得失守恒分析这两个装置。
  电解过程:能量:电能→化学能;电子得失:阴极得e-,阳极失e-。
  原电池:能量:化学能→电能,电子得失:正极得e-,负极失e-。
  活动三:知识延伸。(2课时)
  ①根据下图所示信息,分析生活中使用的酸性和碱性锌锰电池原理,思考交流每种物质在电池中所起到的作用。
  ②查阅资料:生活中常见电池的分类及其原理,生活中常见电池的应用及发展,新型能源电池的使用。
  活动四:实践操作。(2课时)。
  从生活中收集各种类型的电池,类型可以有酸性电池、碱性电池、小型蓄电池、手机电池等。
  拆分电池基本实验报告
  组号:________
  小组成员:
  ________________________
  根据所提示的内容,完成下列操作:
  1.拆分电池(尽量保持电池剖面的完整,各组自己备份照片做材料汇报用)。
  实验仪器:
  实验步骤:
  实验拆分成分预估:
  实验结论:
  2.描绘电池拆分后的横截面。
  3.反思与评价。
  [提示信息]
  (1)可做横向和纵向切割。
  (2)尽量保证切面的完整性。
  下次课程任务:研究电池的原理及组成成分。
  根据学生收集的电池种类和数量、学生拆分实验方案的设计、拆分实验工具选择和拆分的合理性作出评价。如何才能更好地保留电池的成分,为下面进行原理学习和验证实验提供有效的例证?
  根据学生所学习的知识,结合拆分电池所得到的成分,学生可以进行电池组成组分实验验证,选取酸性干电池或是碱性干电池部分成分验证,其他成分进行理论推导。
  电池成分验证基本实验报告
  组号:___________
  小组成员:________________________
  1.材料一:电池构造示意图(见65页图)
  根据所提示的内容,完成下列操作:
  小组讨论设计验证电池中成分的方案(每小组选择酸、碱性中的一个进行设计)。
  2.实验验证。
  实验仪器:
  实验步骤:
  实验结论:
  3.反思与评价。
  [提示信息]
  (1)MnO2是不溶于水的黑色固体,反应后电池中产物为MnOOH。
  (2)锌的氧化物及其氢氧化物具有两性。
  (3)电池中还有一些其他材料需自行查閱资料。
  学生先小组讨论设计方案,由教师进行指导,选择合理有效的实验方法。实验中学生可以通过实验验证酸性电池中的NH4Cl、MnO2、ZnCl2,以及作为负极的铝片。碱性电池中学生通过实验验证KOH、MnO2以及作为负极的铝片,但是MnOOH无法在中学实验室进行验证。
  活动五:测评考核。(2课时)
  根据所学知识,完成下面测评试题。(见下图)
  活动六:成果展示。(3课时)
  ①开展“化学史—化学电源的发展”活动。收集、整理有关电池发展的历史材料,查阅有关化学电源的化学史知识,从克莱斯特被电击、马森布莱克发明德莱顿瓶,到伽伐尼认为的“生物电”,再到伏打电池、丹尼尔电池、本生电池的出现,一直到近代所使用的电池,最终以PPT的形式展示。
  ②开展“话剧—化学电源的历程”活动。根据化学史收集的材料,编写“化学电源的历程”剧本。通过话剧将重要的发展历史再现。
  ③收集和整理电池在生活中的应用资料,最终以PPT的形式展出“电池在生活中的应用和发展”。可以根据所学有关原电池的知识,自制电池(如干电池、水果电池、简易版新型空气电池等)。
  结合课程内容和自主活动,进行小组汇报和自由发挥的成果展示,同时在项目活动中体现出学校特色、教师特长、学生特点,能够成为学生知识体系学习的有益补充。
  3.项目交流。
  实现自我评价和反思。对原电池原理、装置和反应方程式、常见原电池的种类及原理知识进行整理,结合实验操作的验证和探究,加强理论知识的理解,提高动手能力,对知识的掌握、思维能力的提升、动手能力的提高、科学知识的学习等有一个全面的认识。
  4.科学视野。
  新型电池在中国的发展
  《中国新型电池供需预测与投资前景分析报告》指出,研制新型电池都遵循这样一个方向,即自重小、体积小、容量大、温度适应范围宽、使用安全、储存期长、维护方便。应用于空间技术方面的电池还特别注意性能可靠、密封性好,能经受得住各种严酷的空间环境和发射环境的考验。新型电池是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的主力军,随着中国快速发展的经济对新型电池需求的增加,中国政府将继续在政策、资金等方面支持新型电池的研究与发展。   (1)太阳电池。
  目前常用的太阳电池是由硅制成的,一般是在电子型单晶硅的小片上用扩散法渗进一薄层硼,以得到PN结,然后再加上电极。当日光直射到渗了硼的薄层面上时,两极间就产生电动势。这种电池可用作人造卫星上仪器的电源。除硅外,砷化镓也是制作太阳电池的好材料。
  (2)原子电池。
  据1975年的报道,当时国外正对第一个原子电池进行测试。这个可输出20瓦,质量为1398kg的原子电池已沉入北海海底,向邻近的海洋测量站供电。这种电池密封在长84cm,直径69cm,铅外壁厚10cm的圆柱体中。它的核心部分是锶90。当锶衰变时,它产生相当于300W的热能,然后通过热电发生器将热能转化为电能。最后输出的电功率是20W,电压28V。据称这种原子电池不需维护,至少可用5年,估计可用10年。《自然》杂志日前报道:开发具有高能量密度的电极材料对提升锂离子电池的性能十分重要。一种包含非正常锂储能位点的多孔二氧化钼材料,其首次的放电容量达到1814mAhg-1,
  是理论值的两倍多。这种过渡金属的纳米孔洞有意想不到的高储能反应发生。作者称这一发现或许为设计新型电池系统提供了思路。
  (3)可充放电池。
  西安交通大学研究成果表明:钼替代锂作为电极,极大地提高了电极的性能,电池的储电量可以提高7~8倍,而且重复充电次数也提高了近100倍。我国在世界上率先突破钼电池电极的制造难度,成果突破了钼电池耐腐蚀性差的缺点。
  美国研究人员近日发明了一种以金纳米线为材料的新型电池,可以反复充放电数万次。
  四、项目总结及评价
  项目实施过程中,学生每完成项目任务,教师和学生都要做出总结,分析、反思这一课题出现的问题,及时对下一个项目任务计划做出调整,力求达到最好的教学效果。实际项目开展过程中,力求各小组体现良好的合作精神。但过程中也出现了一些问题,如在活动四中,学生收集的电池种类多,教师对学生电池拆分实验方案的指导存在一定的困难。这对教师的知识储备提出了挑战,但同时也促进了教师专业水平的提升。电池组成成分的验证,在现有实验条件下很难全部完成,我们只能选择一部分成分进行验证,其他物质只做理论分析。
  1.教学目标达成评价。
  在项目开展中,学生表现出了极大的热情、丰富的想象力和活跃的思维,一次次碰撞出闪亮的思维火花,推动着课程的进程。学生对化學知识的学习方法和态度上有了明显的改善。学生的学习不再是以枯燥的被动接受知识为主,课堂气氛逐渐活跃,学生了解到兴趣是学习的第一推动力,学生懂得了主动学习和自主学习是最有效的学习方式,最初制订的三维目标基本达成。
  2.教学改革效果评价。
  项目的开展让我们认识到:在内容上,始终要坚持源于教材,但不应拘泥于课本的教学内容,应该将知识的学习放在社会生产和发展、学生的生活经验和学科历史的大背景下;在学习方式上,不能局限于传统的灌输式教学,而应通过丰富多彩的多元化活动,让学生感受、参与和体验知识的形成;在教学目标上,我们不应单纯追求知识的落实,而应该从三维目标上全面落实。
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