数字化实验在燃料电池教学中的应用

摘要：在高中化学氢氧燃料电池教学中引入数字化实验，教师可以引导学生综合运用传感器及软件收集和整理化学实验过程中的数据，由定性分析转为定量实验，更准确地呈现宏观无法观测到的实验结果，使实验探究简单化、可视化和高效化，从而提高课堂教学效果，发展学生的化学学科核心素养。关键词：数字化实验；燃料电池；化学教学近年来，我国信息技术飞速发展，信息技术与高中教学的结合越来越紧密［1］。运用传感器和计算机技术实现化学实验现象数字化的实验形式，合理替代了传统实验中数据采集、处理方式，学科教学与数字化实验的整合在高中化学教学中的应用越来越普遍，专家学者和教育工作者认可程度与日俱增［2］。针对化学燃料电池学习，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）提出，充分利用氢氧燃料电池等案例素材，组织学生开展分析解释、推论预测、设计评价等学习活动，发展学生对原电池和电解池工作原理的认识，建立对电化学过程的系统分析思路［3］。但在实际教学中，受传统实验仪器的限制，教师很少会做燃料电池相关的演示实验，学生往往是通过观看视频进行学习；同时，学生亲自完成燃料电池的制作存在困难，这也让学生对电池的内部构造和工作原理缺乏感性和理性的认知［4］。在高中化学燃料电池教学中引入数字化实验，运用传感器以及计算机软件收集和整理化学实验数据，能够从定性感知进阶到定量分析，更加精准地呈现宏观无法观测到的微观实验现象与结果。数字化实验既能帮助学生降低学习化学抽象概念的难度，又能提高学生的学习兴趣，使实验探究可视化、简单化和高效化，提升教学效果［5］。下面以“‘自制氢氧燃料电池实验改进和拓展”一课为例进行具体论述。一、数字化实验教学氢氧燃料电池的设计依据（一）教学分析根据《课程标准》的要求，教师应充分利用氢氧燃料电池等案例素材，在教学中创设真实情境，组织学生开展基于能量利用需求选择反应、设计能量转化路径和装置等活动，形成合理利用化学反应中能量变化的意识和思路，提升“科学探究与创新意识”和“科学态度与社会责任”等化学学科核心素养［6］。根据人教版化学教材的编排情况，学生将在必修2中第一次接触燃料电池，在选择性必修1中进行进阶学习。教材主要以文字说明和装置示意图的形式介绍燃料电池，在常规课堂中，教师通常是利用视频或者模拟动画辅助学生理解电池的工作原理，很少会做燃料电池相关的演示实验，而选择性必修1教材中明确将制作简单的燃料电池列为学生必做实验。在具体知识、能量观、氧化还原观、微粒观、平衡观及化学价值观层面，学生对原电池原理和构成条件有了一定的认识，但对“氧化剂和还原剂不接触就能自发反应”心存疑惑，对“是否需要活性不同的两个电极”以及“电极是否需要与电解质溶液发生自发氧化还原反应”等问题存在认知偏差，看待不同电解质溶液中微粒如何运动等问题时缺乏将宏观和微观联系起来的化学学科眼光，不能很好地将氧化剂、还原剂知识迁移用于分析电极反应，大部分学生学习困难体现在电极反应式的书写上。（二）教学目标与教学重难点教学目标1：运用微粒观、氧化还原观分析原电池，画出电解水和氢氧燃料电池模型，进行实验探究，从能量、氧化还原、微粒和平衡观等角度分析电池原理并改进，书写电极反应式，培养“证据推理与模型认知”和“科学探究与创新意识”等化学学科核心素养。教学目标2：从平衡观角度改进燃料电池性能，用数字化实验仪器开展定量实验，宏微结合收集证据，推出结论，培养“变化观念与平衡思想”和“宏观辨识与微观探析”等化学学科核心素养。用科学史引入，用航天科技知识延伸，用常见生活物品开展实验，感受化学的魅力，培养“科学态度与社会责任”化学学科核心素养。教学重点：氢氧燃料电池的设计、制作及改进，不同电解质溶液环境中的电极反应式书写。教学难点：氢氧燃料电池的改进，不同电解质溶液环境中的电极反应式书写。教学方法：本课采用任务驱动式教学，在多媒体的辅助下开展实验探究、小组合作等学习活动。二、数字化实验辅助下的氢氧燃料电池教学过程本节课共五个环节，分别为激趣引入、设计电池、初步改进、进阶改进以及拓展提升，具体教学流程如图1所示。环节一：史料引入，激发兴趣视频资料：1839年第一节氢氧燃料电池出现，自此，燃料电池登上历史的舞台。学生活动：观看科学史视频。【设计意图】将科学史融入教学，激发学生的学习兴趣，拓展学生的视野。环节二：理论分析，设计电池任务1：2H2+O2[][]2H2O是一个自发的氧化还原反应，请根据此反应，设计氢氧燃料电池。学生活动：画出装置图。设计电池装置的一般思路如图2所示。【设计意图】运用模型解决实际问题，让学生领会原电池模型并运用原电池构成四要素进行装置设计，从理论角度探究如何更简便地制作氢氧燃料电池。环节三：动脑思考，初步改进任务2：自制简易氢氧燃料电池装置引导提问：课本上氢氧燃料电池装置的电源为直流电，不方便携带，如何改进？石墨棒不易获取，可以用生活中的什么材料代替？要想肉眼观察到两极产生气体的现象并收集气体，可以在两极加个什么装置呢？U型管不易获取，可以换成什么装置？学生活动：学生根据教师的提问改进课本实验装置（如图3所示）。学生以小组为单位进行实验探究，实验用品有泡沫镍、铅笔芯、发光二极管、塑料吸管、注射器、9V电池、热熔胶枪、电压传感器。实验装置图与实验步骤如图4所示，实验现象如图5所示。【设计意图】通过改进实验方案和小组实验，验证理论的正确性和方案的可行性，培养学生的实验探究能力和团结协作精神，让学生感受化学反应与能量变化的关系。环节四：动手实践，进阶改进任务3：改进自制氢氧燃料电池性能问题3.1：氢氧燃料电池工作，二极管亮但亮度逐渐减弱，这是为什么？（氢氧燃料电池电压在减小）问题3.2：查阅资料，从原电池构成要素分析，可以从哪些方面提高氢氧燃料电池电压？学生活动：学生查阅教师提供的文字资料得知，泡沫镍是一种很好的储氢介质，可用作燃料电池的电极催化材料。改进电极实验：其他条件不变，阴极放入泡沫镍。问题3.3：二极管亮，但氢氧燃料电池的电压有增大吗？（无法用肉眼判断二极管亮度，但是可以用数字化电压传感器更精确地测定电池电压）学生活动：开展数字化实验。学生通过改变电极优化电池性能。实验情况如表1所示。问题3.4：除了改进电极材料，我们还可以从什么角度改进氢氧燃料电池的性能？学生活动：开展数字化实验。其他条件不变，阴极被泡沫镍包裹，分别用浓度均为2.5mol/L的硫酸溶液、氢氧化钠溶液以及硫酸钠溶液作为电解质溶液，利用数字化仪器测定氢氧燃料电池电压，直观感受不同电解质溶液对氢氧燃料电池电压的影响。实验情况如表2所示。问题3.5：请写出电解质溶液分别为硫酸溶液、氢氧化钠溶液和硫酸钠溶液的电极反应式。学生活动：书写电极反应式。总结电极反应式书写技巧（电子守恒、电荷守恒、元素守恒）。【设计意图】让学生感受电池模型的应用，体验数字化实验，用数据说明我们宏观无法观察到的实验现象变化。控制单一变量设计数字化实验感受定量实验的精确性，发展学生证据推理、宏观辨识与微观探析素养，提升学生“科学探究与创新意识”化学学科核心素养［7］。环节五：拓展提升，感受科技视频资料：神舟十三号顺利完成“出差”任务。太空飞船利用太阳能电池板把光能转化为电能，进而电解水给宇航员供氧。任务4：我们是否可以将小朋友的太阳能玩具电车中的太阳能电池板用作氢氧燃料电池的电源呢？还可以利用生活中哪些常见物品制作氢氧燃料电池？学生活动：学生课后利用玩具车太阳能电池板及其他生活中常见物品自制氢氧燃料电池，体会能量间的相互转化，感受高科技就在我们身边。【设计意图】以航空航天高科技引入，让学生将化学学科知识与生活、科技联系起来，提升学生“科学态度与社会责任”化学学科核心素养。本节课板书设计如图6所示。三、基于数字化实验开展实验教学的反思本节课用科学史引入，引导学生理解科学研究对美好生活的重要意义，激发学生的学习兴趣，为接下来运用模型解决实际问题铺垫。接着，学生尝试根据原电池构成四要素设计装置，呈现装置图，从理论角度探究如何更简便地制作氢氧燃料电池。随后利用数字化实验仪器宏微结合收集证据，用证据从不同视角分析问题，推理出合理的结论。学生的“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“宏观辨识与微观探析”“科学态度与社会责任”等化学学科核心素养在这一节课中均获得了发展。本节课改进了人教版教材中呈现的燃料电池装置，有以下四个方面的优点。一是实验装置与材料易得，实验操作方便，实验现象明显。实验装置与材料均源于学生生活，所需的药品不多且便于携带。密闭的反应系统使得生成的气体不能逸出，生成的气体在小吸管中聚集，让学生更深刻地体会到电解水产生的H2和O2的气体体积比，同时也增大电极上H2和O2的吸附量。实验现象明显且趣味性强，可以清晰直观地看到燃料电池储存的气体，对学生分析燃料电池的工作原理起到了辅助作用［4］，适合用于实验演示，即便作为学生实验及家庭实验（把硫酸钠换成小苏打）也是简单易上手且安全的。二是实验所需时间少，可作为学生分组实验在课堂上开展，且学生可以反复操作。学生在组装电池的过程中，会发现燃料电池的电极是一个催化转化原元件，整个电池装置其实是一个反应器，从而在对比中认识到燃料电池与一般化学电池的区别。学生通过亲手组装燃料电池，不仅能增强对燃料电池的感性认识，还能开拓科学视野，活跃创新思维［4］。三是采用手持技术进行数字化实验，可以实时检测燃料电池电压，进行定量测量，快捷直观显示宏观无法观察到的微观实验结果，宏微结合收集证据。四是课后适当拓展实验，紧跟时代步伐。展示我国在航空航天