化学科学研究类情境在化学教学中的应用*

李美贵 邓峰 余淞发

摘要： 基于化学学科核心素养的要求，以高考试题中电化学试题、相关的化学科研成果以及实际应用等素材为依据，在主题“电极反应方程式”的教学中，创设3个化学科学研究类情境，以期为化学情境教学的实践提供新视角。

关键词： 情境教学; 化学科学研究; 燃料电池; 锂空气电池; 电极反应式

文章编号： 10056629（2020）12004606

中图分类号： G6338

文献标识码： B

1设计缘起

创设情境是将课程知识与学生的生活经验、情感生命以及社会生产建构联系的一个过程。已有研究[1，2]发现，化学教学中主要通过生活案例、化学实验、科技与学术成果、化学史实、新旧知识间的联系、背景知识、图像、模型、动作、语言等方法创设情境。据统计，2017年版课标中“科学研究”类素材有55个，这些素材选取化学科学技术领域前沿、热点的成果，一方面突出化学研究在社会生活和工业生产中发挥的应用价值，另一方面这类情境素材与高中化学知识紧密联系，让学生在学习化学知识的同时感受化学科学的发展与价值[3]，有助于发展学生化学学科核心素养。

以研究者在化学领域探索的新的物质结构、新的功能物质、新技术、新方向作为试题背景[4]，考查学生的能力与思维等综合素质，是高考重要命题方式之一。如2019年全国Ⅰ卷第10题情境来源于论文“Coexistence of Physisorbed and Solvated HCl at Warm Ice Surfaces”[5]，介绍HCl气体在253K冰面上吸附和溶解过程。第28题第（3）问选自于我国化学学者发表在《Science》上的“Atomiclayered Au clusters on αMoC as catalysts for the lowtemperature watergas shift reaction”[6]一文，在单原子催化能量变化的情境中考查学生分析催化吸附机理及反应过程的能量变化的能力。这种利用科技与学术成果创设的情境不仅具有现实意义，更能体现学科发展方向。

电化学在“化学反应原理”模块中占有重要地位，也始终是高考试题的关注点。近几年对电化学考查的内容集中在电极反应、电极符号、电池总反应以及微粒、产物的有关计算等。其中电极反应式是电化学知识学习中最重要的符号表征，是正负极判别、电子得失、环境分析的综合应用，是电子、离子的移动方向以及电化学计算的基础。学生完成化学2与“化学反应原理”第1章（均为鲁科版）中原电池与电解池的基礎知识后，问卷调查结果显示学生对“电极判断、阴阳离子放电环境与介质”等基础知识掌握较好，主要困难在于“电极反应式书写与相关计算”方面。结合学生平时学习的表现发现，学生电极反应式的学习困难主要由题目中的陌生情境所致，不能灵活迁移所学知识。基于此，笔者尝试以“电极反应方程式”教学为例，挖掘科学研究成果类素材，创设教学情境，凸显化学学科价值，提升学生分析问题和解决问题的能力。

2设计实践

2.1教学目标

（1） 通过分析“电池示意图”，提升图文信息提取能力，克服陌生情境带来的困难，发展独立分析电极反应环境、书写电极反应式等能力，建立电极反应式的一般书写思维模型。

（2） 通过练习书写燃料电池与金属空气电池，归纳总结两种电池的电极反应式书写的异同。

（3） 通过了解目前国内外“电池”的应用与发展状况，明确电池的最新研究方向，认识电池在社会生产中的重要价值，认同电化学在化学学科中的重要性。

2.2教学框架

以选科组合为“历史+化学+生物”的高二学生为授课对象，选取电池在社会应用、科研成果等方面的素材（主要涉及燃料电池与金属空气电池）作为情境，设计相应的教学框架如图1所示。

2.3教学过程

[引入]呈现2张关于“电池”研究的图片，分别是以“电池”和“battery”为关键词在“中国知网”与“谷歌学术”上搜索的结果截图。

[教师提问]从搜索结果上看，目前国内外有关“电池”的研究热点主要集中在哪几个方面？

[学生回答]燃料电池、锂电池、锂离子电池。

设计意图： 研究现状的截图旨在说明电化学知识在中学阶段的重要性是有依据的，并非“为考而学”。电化学知识不仅在生活中应用广泛，在研究方面也不断更新，且主要集中的点在燃料电池、锂电池和锂离子电池等。高考中对电化学的考查不仅具有现实意义，也符合未来学科的发展方向。

[教师设问]在之前的课程中学习的燃料电池主要是指氢氧燃料电池，那除氢气外还有哪些常见的物质可以做燃料电池？

[学生思考]甲烷、乙烷、甲醇、乙醇等。

2.3.1情境一： 关于甲醇燃料电池的科研成果

为验证上一环节学生推测甲醇、乙醇等可做燃料电池，选取发表在《自然能源》（JPS， Journal of Power Sources）上有关甲醇燃料电池论文中的图片[7]作为情境（如图2所示）。

[情境分析]图片中的英文是陌生情境，但符号“-”“+”以及O2等都是熟悉的信息，且是突破电极方程式书写的重要信息。另外需要提示学生图片中“Proton exchange membrane”译为质子交换膜。

[教师设疑]根据图中信息，分析出正、负极，判断出环境的酸碱性。

[学生分析]观察图中气体箭头走向可推论出正极是氧气，负极是甲醇。由提示的质子交换膜，可分析出环境是碱性环境。

[教师追问]比较甲醇在酸性与碱性条件下氧化产物的区别。

[学生讨论]酸性条件下甲醇的氧化产物是二氧化碳，但二氧化碳在碱性条件下会继续反应，从而推论出碱性条件下的产物是碳酸根。

[学生交流]书写思路： 第一步分析出正、负极的反应物，然后明确正极失去电子发生氧化反应，负极得到电子发生还原反应;第二步看环境是酸性还是碱性，从而确定电极反应产物;最后根据得失电子守恒与元素守恒等配平方程式，完成方程式的书写。

[师生归纳]电极反应方程式的书写模型： 分正负、明得失;看环境、找产物;配守恒、写反应。

设计意图： 以化学科研成果作为真实素材，设置一定的陌生情境，留给学生突破点（脚手架），根据图文信息分析得出电池的基本概况。通过学生上台书写电极反应式，梳理书写思路。共同总结出电极反应式书写的一般模型： 分正负、明得失;看环境、找产物;配守恒、写反应。

[情境应用]（根据论文情境编制试题）甲醇燃料电池（DMFC）可用于笔记本电脑、汽车、遥感通讯设备等，电解质是质子交换膜。氧气在电极上的反应是O2+4H++4e-2H2O。下列叙述中不正确的是（）。

A 负极的反应式为CH3OH+H2O-6e-CO2↑+6H+

B 电池的总反应式是2CH3OH+3O22CO2+4H2O

C 电池工作时，H+由正极移向负极

D 电池工作时，电子从通入甲醇的一极流出，经外电路流入通氧气的一极

设计意图： 提取文中信息设置相关题目，一则巩固知识，二则让学生学会利用情境信息解决问题。

[教师追问]按照上述思路写出乙烷燃料电池在酸性与碱性条件下的电极反应方程式。

[学生练习]模型应用、练习巩固，查漏补缺。

[情境拓展]氢氧燃料电池（燃料电池）的实际应用成果介绍[8，9]。提供资料： （1）氢氧燃料电池汽车的优点;（2）氢氧燃料电池汽车国外市场;（3）数据显示截至2018年底我国氢氧燃料电池汽车、加氢站、政策等方面信息。

[教师引导]从燃料本身的性质（化学知识）以及外在条件，如环境、经济、政策等（方法视角）两方面分析影响燃料电池在我国发展的因素。

[学生讨论]制备氢气技术难、储存运输危险、开拓市场需要经济支撑……

[教师解疑]当前燃料电池汽车主要是以氢能为主要驱动力，制氢、储氢以及加氢站等基础设施建设成本高昂（有数据体现），加之我国国土面积大，铺设基础设施难度大，所以暂时没有把重心倾斜到发展氢氧燃料电池汽车上面[10，11]。

设计意图： 从化学的角度解释燃料电池的优势，感受研究燃料电池的必要性。通过呈现国内外燃料电池汽车存在的数据差异，引发学生从2個角度思考其中的原因。最后突出燃料电池电动产业基础设施的分布、成本以及国情对市场的影响，解疑答惑！拓展部分知识难度不大，但主要目的是为了培养学生的思考分析能力，同时激发学生关注化学相关产业发展的兴趣。

[教师设问]燃料电池不是新能源电动汽车的主要供电源。目前我国新能源电动汽车（绿色牌照）主要是由什么供能？

[学生回答]锂电池和锂离子电池。

2.3.2情境二： 关于锂空气电池的学术论文

以材料行业顶尖杂志——《自然材料》（nature materials）上关于锂空气电池的论文[12]中的图片为背景（如图3所示）。

[情境分析]论文中出现的电池模型（共4个）均在高考中出现过。鉴于课时与学生基础，本课例主要分析图3呈现的锂空气电池（其中2个）。两个正负极材料相同，但由于电解质差异，导致产物不一样。

[教师引导]从电池的正负极材料、电解质、电子流向等方面观察两个电池模型的异同点，并思考原因。

[学生观察]同： 锂O2电池;异： 电池中的电解质不一样，产物不一样。

[教师释疑]前者电解质是有机电解质（Organic electrolyte），和锂接触不反应。后者是水溶液介质（Aqueous electrolyte），为了避免锂和水溶液反应，所以中间有其他物质隔开。

[教师归纳]负极电极反应式独立完成。正极电极反应书写思路： 根据信息写好反应物O2，得到电子，生成产物Li2O2，然后根据得失电子元素守恒配平得到： O2+2e-+2Li+Li2O2。依据此思路书写第2个正极反应式。

[学生书写]按照上述思路，书写O2+4e-+2H2O+4Li+4LiOH。

设计意图： 此处重点在于让学生从熟悉信息出发，克服陌生情境带来的困扰，掌握2个电池模型的正极反应式，难点在于需要用负极产物来配平反应式，所以教师引导书写第1个正极反应式尤为重要。锂电池与锂离子电池生产应用广泛，不仅是研究的热点，也是高考考查的重点。学习这方面的知识，可以让学生了解现在所学具有现实意义，且符合学科发展趋势。

[情境应用]选题自2018年全国卷Ⅲ11。

一种可充电锂空气电池如图4所示。当电池放电时，O2与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x（x=0或1）。下列说法正确的是（）

A 放电时，多孔碳材料电极为负极

B 放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极

C 充电时，电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移

D 充电时，电池总反应为Li2O2-x2Li+（1-x2）O2↑

设计意图： 一方面是巩固前面知识点，另一方面追根溯源高考试题情境。显化思想： 高考试题的情境不是凭空而来，而是基于实际应用与学科发展。

[过渡]除了锂空气电池之外，还有部分研究者致力于其他金属空气电池。思考： 其他金属可以是什么？提示： 在金属活动性顺序表中能与空气（氧气）自发反应的金属。

[学生]Mg、 Zn、 Al等金属可考虑设计成金属空气电池。

2.3.3情境三： 关于锌空气电池的学术论文

展现清华大学汽车安全与能源国家重点实验室发表在《应用能源》（Applied Energy）上的论文[13]图片（如图5所示），以之作为真实情境。

[情境分析]此情境中显化“可充电电池”的两个回路，引导学生可通过电子流向、比较反应物和生成物、区分负载和电源等3个方面进行分析，判断出放电与充电回路。

[教师引导]图5与前面的电池模型有所不同，上下有两条线路。从电池的基本知识出发分析该示意图，判断放电回路与充电回路。

[學生汇报]O2是正极，Zn是负极;负极失去电子，正极得到电子;上面有灯泡，下面是电源等可以说明上半部分是放电回路，下半部分是充电回路。

[教师总结]正负极、得失电子与产物均已分析出，尝试按照锂空气电池的书写思路写出正、负极电极反应式。

[学生展示]书写负极： Zn-2e-Zn2-;正极： O2+4e-+2H2O4OH-

设计意图： 创设“锌空气电池”情境的目的： （1）锂空气电池的巩固与迁移。（2）证实前面的猜测： 根据金属活动性顺序表与原电池自发性原则猜测的Mg/Zn/Al空气电池是的确存在的。在一定程度上预知“金属空气电池”的大致范围，让学生体会到这种模型的适用性。（3）多角度分析判断两个回路，体会电池的陌生情境存在多个已知的问题突破点。

[情境应用]选自2016年全国卷Ⅲ11题。

锌空气燃料电池可用作电动车动力电源，电池的电解质溶液为KOH溶液，反应为2Zn+O2+4OH-+2H2O2Zn（OH）2-4。下列说法正确的是（）

A 充电时，电解质溶液中K+向阳极移动

B 充电时，电解质溶液中c（OH-）逐渐减小

C 放电时，负极反应为： Zn+4OH--2e-Zn（OH）2-4

D 放电时，电路中通过2mol电子，消耗氧气22.4L（标准状况）

3实践反思

本课例以“电化学的研究成果”为载体凸显情境创设在教学中的应用。知识的情境化是活化知识并转化为素养的重要途径，解决知识与背景、理论与实践、文字符号与实际事物之间的关系问题。譬如，“情境一”以激发学生了解电池的应用为目的，呈现“燃料电池目前发展情况”这一实际社会情境，共同培养学生“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”的素养。而依据3篇论文创设的情境，旨在帮助学生建构燃料电池、金属空气电池的电极反应式的书写思维模型。依据电池图示中熟悉的信息来推断正负极、反应环境、充放电等可以培养学生“证据推理与模型认知”素养。因此，在实际的教学中可合理创设多样化情境促进落实化学学科核心素养的理念。课后学生表示本节课不仅深化学习了电极方程式的书写，还体会到了高考考查内容的深厚寓意，感受到书本知识、研究成果以及实际应用之间的联系，这正是本节课教学的重要目标。

值得注意的是，在具体实施的过程中教师需要根据学生实际状况选择性地呈现情境的种类与深广度。譬如，若学生基础较好，可以将情境二（见文献13）中另外2个锂硫电池模型也作为情境之一;亦或以2019年化学诺贝尔奖项目（锂离子电池）作为素材，增加锂离子电池模型;对于信息化程度较高的学校，可引导学生课后收集资料，思考与分析锂电池与锂离子电池在实际应用中情况有何差异及其主要原因等。

参考文献：

[1][3]万延岚， 李倩. 对《普通高中化学课程标准（2017年版）》中“情境素材建议”的分析与启示[J]. 化学教学， 2019， （7）： 14～19.

[2]施红专. 化学探究性学习问题情景创设的研究[D]. 南京： 南京师范大学硕士学位论文， 2007.

[4]教育部考试中心. 精选试题情境素材深化高考内容改革——2019年高考化学试题评析[J]. 中国考试， 2019， （7）： 20～24.

[5]Kong X.， Waldner A.， Orlando F.， et al.. Coexistence of physisorbed and solvated HCl at warm ice surfaces [J]. The Journal of Physical Chemistry Letters， 2017， 8（19）： 4757～4762.

[6]Yao S.， Zhang X.， Zhou W.， et al.. Atomiclayered Au clusters on αMoC as catalysts for the lowtemperature watergas shift reaction [J]. Science Foundation in China， 2017， 357（3）： 389.

[7]Li X.， Faghri A.. Review and advances of direct methanol fuel cells （DMFCs） part I： Design， fabrication， and testing. with high concentration methanol solutions [J]. Journal of Power Sources， 2013， 226： 223～240.

[8][10]氢燃料电池汽车深度报告： 搅局者还是颠覆者？_电池中国[EB/OL]. [20190409]. http：//m.cbea.com/xnyqcwap/201904/205108.html.

[9][11]中国氢燃料电池车现状_腾讯网[EB/OL]. [20190211]. https：//newqqcom/omn/20190211/20190211B07W6M.html.

[12]Bruce P.G.， Freunberger S.A.， Hardwick L.J.， et al.. LiO2 and LiS batteries with high energy storage [J]. Nature Materials， 2011， 11（1）： 19～29.

[13]Pei P.， Wang K.， Ma Z.. Technologies for extending zincair batterys cyclelife： A review [J]. Applied Energy， 2014， （128）： 315～324.