高中化学项目式学习的教学实践

【摘要】本文以创新制作氢氧燃料电池为例，阐述在高中化学教学中开展项目式学习的途径：学生在项目式学习中探究理论、构建模型、开展试验、改进模型，创新制作性能优良的氢氧燃料电池，实现“绿色氢能”的转化理论模型，有效提升化学学科核心素养。

【关键词】化学学科核心素养 项目式学习

燃料电池 创新制作

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）14-0100-05

具有模块化、单元化特征的项目式学习模式能有效组织以素养为本的学科教育教学。随着项目研究的实施，学生能快速进入深度学习状态，最终能创造性地解决实际问题。本文以创新制作氢氧燃料电池的项目式学习为例，探讨以发展化学学科核心素养为主旨，以真实情境为载体，以问题解决为任务，以学科知识构建为目标的项目式学习的基本模型。

一、项目背景

情境是问题产生的沃土。深入情境，聚焦情境主题，独立思索，就可以产生与学科密切相关的又具有引领性的学习项目。基于实际问题背景而开展的具有挑战性的学习活动，能使学科学习有效发生。

氢能已经走进我们的生活。北京冬奥会期间，奥运火炬采用氢作为燃料;氢燃料电池汽车亮相，为赛事提供交通运输服务保障。“双碳”目标驱动下，氢能源得到更多关注。开展氢氧燃料电池的项目式学习，能让高中生参与燃料电池的制作、改进和创新，体验科学研究的历程，培养科学精神和责任意识。

二、项目目标

在燃料电池教学中，教师应该带领学生由被动解析燃料电池迈向制作和研发燃料电池，分别从宏观和微观视角分析理解燃料电池原理，构建电极反应中微观粒子发生的变化和运动的知识的联结;用变化与平衡的思想观念理解燃料电池的能量转化和调控，理解电能输出的多少、输出的效率与物质参與变化的多少之间的关系;在探究过程中获得认知，构建知识体系，在实践过程中调用、核验知识本质，在探究式学习实践中自然引发创新，在创新中灵活运用知识，进一步发展学生的科学探究与创新意识，培养学生的科学态度与社会责任。据此，笔者将氢氧燃料电池的项目式学习目标设定为：创新制作氢氧燃料电池实验模型。

三、项目任务

问题产生于具体的学习、探究过程：或微观变化的设想、或计量上的关系、或反应转化条件的控制，也可以是生产、生活、科研过程中出现的实际的问题。这些问题有梯度、有层次、有开放性、有针对性，诞生于学习实践的真实情景，与实践密切相关。学生的学习探究过程因思考而不断产生新的问题，这些问题的解决就是新的学习任务，成了驱动学习的动力源。

以项目总任务为驱动，设计系统化的各项子任务，这些子任务都是为总任务的达成而设计产生。当然，随着项目推进会遇到新的问题，因此也会产生新的子任务。学生在完成项目任务的实践过程中，能够深刻理解、掌握新知识，构建知识体系，发展化学学科核心素养。因此，创新制作氢氧燃料电池项目式学习的总任务为：创新设计、制作氢氧燃料电池以驱动小车模型。子任务分为：理论探究、模型初建、模型试验、模型改进、创新制作、拓展探究等。

（一）理论探究

燃料电池与干电池或二次电池的主要区别在于反应物不是储存在电池内部，而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。燃料电池是一种环境友好的发电装置：当以H2为燃料时，产物为H2O。

笔者引导学生查阅文献，了解各种离子传导介质条件下氢氧燃料电池的电极反应。

负极：H2-2e-=2H+（酸性、中性环境）或H2-2e-+2OH-=2H2O（碱性环境）。

正极：O2+4e-+4H+=2H2O（酸性环境）或O2+4e-+2H2O=4OH-（中性、碱性环境）。

我们以现有实验条件为基础，以绿色高效为原则，确定了电极材料和离子传导介质：石墨电极、硫酸钠溶液（硫酸钠溶液为中性溶液，无腐蚀性）。

（二）模型初建

根据原理，绘制设计图，组装实验模型。

项目小组通过查阅资料，优化电极材料和电解质溶液的选择：采用自制多孔石墨电极和具有较优导电效率的相应浓度的硫酸钠溶液。用恰当的容器分别制取氢气、氧气，并导入多孔石墨电极区域，进行放电测试（需做空白对比实验）。

实验方案：1.利用家用天然气灶把石墨电极灼烧至通红、冷萃，重复操作5次，制作多孔石墨电极;2.选用中性、无腐蚀性的硫酸钠溶液作为离子传导介质，其浓度为0.5 mol/L（查阅文献可知：物质的量浓度为0.5 mol/L的硫酸钠溶液导电性良好，浓度小于0.5 mol/L时导电率低，浓度大于0.5 mol/L时容易造成放电短路）;3.准备实验器材：试管、导气管、单孔胶塞，实验药品：双氧水、二氧化锰、稀硫酸、粗锌（锌与硫酸反应、双氧水的分解都是放热反应，会使塑料受热变形，因此不宜使用塑料仪器）。

（三）模型试验

实验模型测试项目产生的基本思路：表现其性质特征的现象要明显，代表其性能的参数要充分。新测试项目增加的情况：随着项目推进，新问题出现，需要检测预设测试项目之外更具代表性的参数。实验的现象既会让我们明确一定条件下的实验结论，又会引发新的问题。

结合物理电学知识，项目小组选择了以下测试项目：用电流计和数字万用表检测电流信号。

试验现象：接通电流计，指针未发生偏转;用数字万用表检测，有不稳定的微弱电流产生。进行不导入燃料气情况下的空白实验，发现也有不稳定的电流产生。由此判断，初建的燃料电池模型无法获得有效的电流信号。项目小组推断认为：此条件下导入的氢气与氧气无法被多孔石墨电极有效吸附和催化放电。因而产生新的问题：如何提高多孔石墨电极的吸附性和催化效率？

（四）模型改进——“改进1号”

解决“如何提高多孔石墨电极的吸附性和催化效率”这一问题，需要联想石墨电极电解制备氢气、氧气的原理：利用石墨为电极，电解水，阳极产生氧气，阴极产生氢气。石墨具有强吸附力，推理氢气、氧气脱离电极前已经在电极界面吸附达到饱和。据此，项目小组认为可以用多孔石墨电极电解水制备氢气、氧气，气体直接在电极上产生、附着。学生在了解多相催化剂原理的基础上可以理解：石墨界面具有的强表面张力使其兼具较强的表面催化性能。

项目小组根据以上分析，展开改进试验活动，设计新的电池模型——“改进1号”。实验方案为：1.燃料气供给。其原理为用多孔石墨电极电解水制备氢气、氧气，气体直接在电极上产生、吸附、催化。操作为将6 V电压学生电源接通多孔石墨电极，电解硫酸钠溶液产生氢气和氧气，直至电极冒出大量气泡。2.放电测试。用电流计检测电流的产生，若有电流产生，接着检测端电压，再接入配置10 [Ω]小电机的玩具车进行空转测试。

实验现象：电流计指针明显偏转。明显的电流信号给了项目小组极大的信心，学生立即对电流信号产生了进一步探究的兴趣。笔者引导学生根据已有的物理知识，开展电流计指针偏转方向探究，电流强度、电压大小的参数测定等活动。从定量的角度获得实验数据：电流计指针向着附着氧气的电极偏转，负载玩具小车10 Ω电机的电流强度达到16 mA，端电压最高达到2.2 V;驱动玩具车空转测试，车轮空转持续时间达到50 s。

根据要实现的项目任务，项目小组分析此电池模型存在的不足：实验室提供的多孔石墨电极长12 cm，即使用250 mL烧杯盛约200 mL的硫酸钠溶液，也只能使电极有效浸泡长度约6 cm，电极不能有效利用，而且溶液用量多、烧杯重量大，无法搭载到玩具车上。由此，提高该电池的比能量成为项目小组需要解决的问题。

（五）创新制作——“改进2号”

项目小组通过研究文献发现多种改良设计，比如在石墨棒上捆绑附着碳粉的棉布，或将石墨棒捆绑在海绵上，电解吸附燃料气或者制作储气容器，把燃料气导入金属丝球，实现吸附催化。这些设计，装置复杂、体积庞大，且电流都比较小，只能驱动发光二极管、音乐卡或小电机的风叶驱动等微功耗的器件，无法驱动我们预备的较高功耗的玩具车。为了实现提高电池的比能量的目标，项目小组进行了创新探究。

项目小组根据已有实验条件进行反思：多孔石墨电极材料本身的表面吸附能力是优良的，不必要更换材料，那么可以从设计电极外观入手进行创新与优化。由此，项目小组有了新设想，形成了创新方案。

“改进2号”创新方案：1.实验室提供长12 cm直径约0.8 cm的石墨电极，用上文提到的方法将其制成多孔石墨电极后，又将其平均截为2段，每段再平均截成3段，共6段;用直径0.02 mm的铜丝将每3小段多孔石墨电极绑成“三柱”型电极，获得两段这样的电极。2.用50 mL的塑料杯替代250 mL烧杯，加约40 mL物质的量浓度为0.5 mol/L的硫酸钠溶液，使得每根电极有效浸泡长度约4 cm，如此，每个电极达到12 cm的有效浸泡长度。3.放电测试。先检测端电压，再接入10 Ω电机，串联电流传感器，监测、收集电流数据。将所得实验数据与“改进1号”的实验数据进行对比。

收集“改进1号”电流数据，并与“改进2号”的数据进行对比（6 V电压，0.5 A电解约10 s，至石墨电极有大量气泡冒出，收集数据并对比）。

数据表明，“改进2号”优点显著：1.溶液用量减少至原来的1/5左右;2.电池体积更小，重量更轻;3.最初一分钟，回路的电流平均值提高约16.2%;4.电池有效放电时间延长约100.0%;电池制作方法简单、方便演示或小组探究使用。

“改进2号”体积、重量以及电流强度均达到驱动小车运动的基本要求，与“改进1号”相比，其比能量显著提高。驱动测试结果显示：接入6 V电压，电解至两极冒出大量气泡所用时间约为10 s，小车行驶距离达1.8 m。

项目小组在实验过程中发现，电解至两极冒出大量气泡时间长短对小车驱动距离有着明显影响。项目小组进而对燃料电池持续放电驱动小车行进距离的极限进行了测试，收集数据整理如表2所示。

数据表明，多孔石墨电极对燃料气体的吸附量在电解冒出大量气泡之后还可以继续增加，否定了“多孔石墨电极冒出大量气泡时就达到了吸附饱和状态”这一认识。最后测得有效电解40 s左右制备燃料气，此电池可驱动小车行进的极限距离达到4.0 m。

（六）拓展探究

根据已有的能量转化知识，项目小组产生了“绿色氢能”的构想，设计实验模型以展现氢燃料电池的绿色优点。实验方案：利用晶体硅光电板替代学生电源，用40 W的白炽灯进行了模拟太阳光照试验，再利用日照进行实际测试。

实验结果：白炽灯模拟太阳光，照射9 V、0.5 A的光电板，光电转化，电解约30 s，燃料电池放电，可驱动小车行进1.5米;较强的太阳光照射下测试，光电板输出电压约11 V，电流约0.6 A，5—10 s就可以实现电解产生大量气泡，驱动小车行进达到1.5 m。“绿色氢能”装置模型成功呈现构想图中各种能量形式的转化：太阳能转化为电能;电解水，电能转化为化学能;氢氧燃料電池放电，化学能转化为电能;使1.8 V启辉电压的发光二极管闪亮，电能转化为光能;驱动小车行进，电能转化为机械能。实验充分展现了氢能利用的绿色优点。

四、项目成果

项目小组创新制作出性能很好的氢氧燃料电池，实现搭载、驱动电机电阻为10 Ω的模型车，电解40 s制备燃料气情况下可驱动小车行进距离达到4.0 m。成功利用输出电压为9 V的光电板模拟电解制备氢气，实现“绿色氢能”的理论模型。氢氧燃料电池创新制作项目框架图如图8所示。

五、项目评价

创新制作的氢氧燃料电池的优点可以概括为：电流大、体积小、容易制作、便于演示实验或小组探究实验使用。项目的模型试验使用灵敏电流计、数字万用表、电流传感器，获得丰富、精确的实验数据，为理解燃料电池的原理、改进燃料电池提供了事实依据。项目的实践创新从原理出发，由设计图到最初作品，根据试验数据，分析存在的不足，提出改进设想，形成创新方案，再试验，再改进，最终创作出性能更好的燃料电池。由此，学生体验了一个相对完整的科学研究历程，深刻理解了氢能开发利用的绿色前景和存在的技术难关。学生的学科意识、知识、技能、能力得到协同发展，化学学科核心素养得到一定程度提升。

虽然以质子交换膜、铂金粉末为材料的氢氧燃料电池工业制品，已经能完全实现“持续导入燃料气，从而持续放电”的理想状态，但是我们对燃料电池的基础研究仍不可缺少。高中阶段基础实验条件的探究和创新，是学生获取知识、构建知识体系的重要途径。

高中化学教学以化学学科核心素养为本，贯彻“教、学、评”一体化思想，教师需要对教学内容进行意义挖掘、知识挖掘、能力挖掘，促使课堂教学变革。项目式学习模式是在课堂教学变革的过程中孕育产生的，值得我们继续探究，不断挖掘其内在的教育价值。

参考文献

[1]何德胜.氢氧燃料电池的改进与实验创新[J].中学化学教学参考，2021（4）.

[2]梁秋蝉，陈博.氢氧燃料电池实验的装置改进与实验条件优化[J].化学教育，2019（21）.

[3]梁秋蝉，陈博.氢氧燃料电池实验改进的研究综述[J].教育与装备研究，2020（4）.

[4]施华.高中化学竞赛考前辅导[M].上海：华东师范大学出版社，2011.

作者简介：戴柏春（1979— ），广西桂平人，一级教师，主要研究方向为中学化学教学。