基于变化观念的项目式学习案例研究

肖宏伟

摘要：以人教版必修二课后习题“便携式化学电池存在的一些不足”为研究性学习项目，通过设计“如何让小车跑起来”“如何让小车跑的快”“如何让小车跑的远”等三个任务，结合学生已有知识和生活实际，创设真实问题情境，借助信息技术和文献资料辅助教学，通过开发新素材、跨学科素材探究化学电源的工作电压、电流、放电时长、使用寿命等与化学电源工作原理、构成条件以及技术工艺等之间的关联，引导学生合作探究和深度学习，发展学生变化观念和创新意识等核心素养。

关键词：化学电源;项目式学习;真实情境;变化观念

文章编号：1008-0546（2022）06-0042-06

中图分类号：C632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.06.009

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出“真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，也为学生化学学科素养提供了真实的表现机会”[1]。建构主义学习理论也认为知识不是由教授者讲授而得到的，而是由学习者在真实的情境中，在指导教师的帮助下自主探索以及和其他学生进行广泛的交流，通过解决问题来建构的[2]。项目式学习正是基于建構主义学习理论，把学习置于真实、有意义的问题情境中，学生带着原有的知识和经验，在任务驱动下自主探究和合作交流，在解决问题的过程中构建化学学科核心知识体系，促进学生化学学科核心素养的形成和发展。

一、项目选题和教学设计

原电池主题是学生认识化学反应与能量转化的基础和典型课例，《普通高中化学课程标准（2017年版）》中要求“认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用，了解原电池及常见化学电源的工作原理”[1]。人教版《化学（必修）》第二册（2019年6月第1版）教材第41页课后习题9：“便携式化学电池使用方便，但仍然存在一些不足，如电压较低，寿命较短，处理不当可能会造成环境污染。有人认为这些不足是由其制造技术不完善造成的，也有人认为是由其工作原理决定的。你的看法和依据是什么？请查阅资料，与老师和同学交流、讨论”[3]。本课例以上述教材中提供的学习素材为项目主题，以手持技术和资料查阅作为教学设计的基本思路，进行深度挖掘和迁移应用，使之成为基于真实情境的教材内容深度学习。通过三个真实问题情境下的学习任务设计，引导学生从能量转化的角度思考化学反应的内涵，从氧化还原反应的角度理解原电池的工作原理，从能源发展和社会价值的角度体会化学电源的发展和创新，重构教学单元主题呈现方式，丰富学生的学习体验，发展学生的变化观念和创新意识（图1）。

二、项目流程和教学过程

通过真实问题情境的分析和实验探究，理解原电池的工作原理和构成条件在解决实际问题中的应用，引导学生多角度、动态地对常见化学电源的生产工艺进行分类研究，通过跨学科知识、现代教育技术手段和资料查阅，引导学生主动探究化学电源在构成上的各类变化特征和规律，寻找物质变化与能量转化之间的联系。同时，从节约能源、绿色环保、便于携带和续航时间等角度出发，调查市场常见化学电池的种类，讨论这类电池的工作原理、生产工艺和应用价值，迁移创新原电池的构成条件和工作原理，探究化学电源发展的方向，促进学生深度学习和高阶思维能力的发展，形成学习理解→应用实践→迁移创新的学科学习能力[4]，从而落实化学学科核心素养的形成（图2）。

任务一：如何让小车跑起来？

【师】同学们，你们都玩过玩具小汽车，大家桌面上都有一个小车模型（图3小车1），给它装上电池，它就能跑起来（图3小车2）。电池起到了什么作用？

【生】提供小车跑起来所需要的电能。

【师】我们刚刚学过了原电池，我们知道原电池就是一种化学电源，它是不是也可以代替上述的电池来给小车提供电能呢？请小组讨论，设计方案，动手探究一下。

学生活动：在一个50 mL小烧杯中加入20 mL0.5 mol/L的硫酸铜溶液，用两条带夹子的电源线分别连在小车电池槽的正负极，然后用夹子分别夹上锌片和铜片平行地插入到小烧杯中，观察有什么现象发生（图3小车3）？

【生】（惊奇）小车跑起来了！

【师】结合学过的知识，如何验证这个小烧杯是不是产生了电能？

【生】测定一下这个小烧杯的导线上是不是有电流产生。

学生活动：利用电流传感器测定小烧杯的导线上是不是有电流产生。

实验现象与结论：电流传感器（图4）显示电流强度为0.0062A，电压传感器（图5）显示电压为0.866V，说明小烧杯导线上有电流通过，证明小烧杯确实能产生电能。

【师】同学们动手探究的能力很强，现在该装置已经工作一段时间了，请同学们再仔细观察一下，还能发现什么现象？

【生】小车速度变慢，电流计的指针偏转程度减小，铜电极变粗，锌电极上也有少量红色固体析出。

【师】同学们观察得非常仔细，请大家分析产生这些现象的原因是什么？

【生1】可能是因为随着反应的进行，硫酸铜溶液浓度变小，反应速率减小;

【生2】可能是因为锌电极与硫酸铜溶液直接接触，在Zn电极的表面发生了Zn+Cu2+=2ri2++Cu的置换反应，析出的Cu覆盖在Zn电极的表面，可能影响了原电池的正常工作。

【师】同学们分析的基本正确。电解质溶液浓度降低会造成反应速率减小，同时，由于析出的Cu覆盖在Zn电极的表面，造成在Zn电极的表面也形成了一些微小的铜锌原电池，就导致导线上转移的电子减少，电路中的电流就产生了衰减的现象。能不能定量测定电流衰减的过程？

学生活动：利用传感器测定小烧杯的导线上电流、电压的衰减过程（表1、表2、图6）。

【师】通过以上两个实验测量，可以很直观地看到，铜锌原电池电流、电压的衰减速率还是很大的。如果你是一名电池设计师，你应该如何优化它呢？

【生】（学生产生疑惑）可以不让Zn电极直接接触硫酸铜溶液，但是如果不接触又怎样能发生反应产生电子转移呢？

【师】演示铜锌双液原电池的工作过程（如图7），请同学们注意观察现象。

【生】电流计指针发生了偏转，说明电路中产生了电流。

【师】在上述装置中Zn电极没有与Cu2+接触为什么也能发生电子转移呢？促进氧化剂和还原剂发生反应的驱动力是什么？上述装置中的盐桥起到什么作用？

【生】（学生产生困惑，启发学生从已有的电学知识来思考电流产生的原因，简单介绍电势差的概念;从原电池的构成条件来思考盐桥的作用，为后面的学习埋下伏笔）。

【师】同学们都知道，H2和O2在一定条件下可以化合生成H2O，如果二者不接触有没有可能发生反应？用这两种气体能不能构成一个原电池装置？

【生】（学生发生认知冲突，激发求知欲望）

【师】演示氢氧燃料电池的工作过程（如图8），把H2和O2分别通到两个多孔的惰性电极（铂或石墨）上，把两个电极插入到氢氧化钾溶液中，用导线相连电流计和小风扇，注意观察现象。

【生】（大为惊奇！）小风扇转动了，电流计指针也发生了偏转。这两种气体还真的发生了反应，产生了电子的转移！

【师】在常见的化学电源中有一类清洁高效的电池——燃料电池，装置模型如图9就是一种氢氧燃料电池，它是把H2和O2分别通到两个多孔的惰性电极（铂或石墨）上，同样是利用吸附了H2和O2的两个多孔电极的电势高低不同，产生电势差，从而形成电流。

思考：图9中氢氧燃料电池的工作原理是什么？写出其电极反应式。

【生】H2和O2化合的本质是H2被O2氧化的反应，根据原电池工作原理，多孔电极上吸附的H2发生氧化反应，做负极;多孔电极上吸附的O2发生还原反应，做正极;电解质为KOH，故负极反应式为：2H2- 4e+40H- ==4H2O，正极反应式为：O2+ 4e+ 2H2O==4OH。总反应式即为2H2+O2==2H2O。

【师】课后查阅资料，阐述燃料电池作为化学电源的优点，以及在社会发展中的应用前景。

【思考】通过上述两个实验总结：构成原电池必须要有活性不同的两个电极吗？氧化剂和还原剂必须接触才能反应吗？负极材料和电解质溶液必须要参加反应吗？请同学们课后完善原电池的一般模型。

任务二：如何让小车跑得快？

【师】通过上述一系列的实验探究，我们了解到利用能量转化，原电池可以把化学能转化为电能;利用氧化还原反应中的电子转移，原电池可以在闭合回路中产生电流。小车能跑的问题解决了，那么是不是所有的原电池产生的电流都一样啊？如果想让小车跑得快一点，可以采取哪些措施呢？

【生】根据物理学知识，可以通过提高电源的功率来实现。

【师】电源的功率与什么物理量有关？

【生】电功率P=IU，，是电流强度，U是电源电压，电源的功率与小车工作电流和电源电压的大小有关。

【师】很好，请同学们思考一下，根据我们刚刚学过的原电池的构成条件和工作原理，如何设计实验探究不同原电池的工作电流和电源电压是不是相同呢？

【生】（猜想）可以通過改变电极材料、电解质溶液种类和浓度来实现。

【师】同学们的思路很正确，下面我们就来探究一下不同电极材料、不同电解质溶液种类和浓度构成的原电池，它们的工作电流和电源电压有何规律。

学生活动一：用传感器测定常温常压下，不同浓度的稀硫酸中铜锌原电池的工作电流和电压（实验设计如表3）。

【生】通过实验，得出如下数据：

【师】分析图10中数据，你能得出哪些结论？

【生】1.在常温常压下，铜锌电极在不同浓度的稀硫酸中的电流不同，稀硫酸的浓度越大，产生的工作电流就越大;

2.在常温常压下，铜锌电极在不同浓度的稀硫酸中的电压不同，稀硫酸的浓度越大，产生的电源电压就越大;

【师】根据上述实验结论，如果想让小车跑得快一点，可以采取哪些措施呢？

【生】可以增大稀硫酸的浓度。

【师】稀硫酸的浓度是不是可以无限增大呢？

【生】应该不可以吧，溶液的浓度都有一定的限度。

通过以上师生交流，引导学生明白变化观念和平衡思想在化学学习中的指导意义和实际应用。

学生活动二：用传感器测定常温常压下，相同浓度的稀硫酸中不同电极材料原电池的工作电流和电压（实验设计如表4）。

【生】通过实验，得出如下数据：

【师】分析图11中数据，你能得出什么结论？

【生】1.在常温常压下，不同电极在相同浓度的稀硫酸中的电流不同，两种电极的金属性强弱差别越大，产生的工作电流就越大;

2.在常温常压下，不同电极在相同浓度的稀硫酸中的电流不同，两种电极的金属性强弱差别越大，产生的电源电压就越大;

【师】根据上述实验结论，如果想让小车跑得快一点，可以采取哪些措施呢？

【生】可以选择两种金属性强弱差别较大的电极材料。

【师】以上两个探究实验，对于同学们在设计和选择化学电源时有什么启发？ 通过上述实验探究，同学们都能通过简单的铜锌原电池模型建立起原电池的原理模型和装置模型，并能通过熟悉原型进行一系列的简单变式和复杂变式，在真实情境中应用原电池的工作原理和构成条件去解决实际问题，促进学生学科思想、学科能力和学科核心素养的发展。

任务三：如何让小车跑得远？

【师】通过上述实验探究，我们了解到不同的电极材料、不同的电解质溶液构成的原电池，其产生的工作电流和电压大小是不同的，当它们作为化学电源时产生的电功率也是不同的，故可以通过选择不同的电极材料和电解质来提高电池的工作效率。小车如何能跑得快一点这个问题解决了，思考我们生活中的常识，如果想让小车跑得远一点，可以采取哪些措施呢？

【生】小车能不能跑得远是由电池的续航时间或放电时间决定的。

【师】很好，电池的续航时间或放电时间实际是由电池容量决定的，请利用信息平台查阅资料：什么是电池容量。

【生】查阅资料：

电池容量：电池容量就是电池工作时能够释放的最大电荷量，比如20 Ah的容量，工作电流为2A，电池最多能使用10h。

【师】如果你是一名化学电源设计师，你在设计化学电源时会考虑哪些方面的因素？

【生】绿色环保、电池容量大、体积小便于携带、充电快等。

【师】很好，我们手机中使用的电池通常是锂电池，其体积很小，但电池容量很大，而汽车上使用的铅蓄电池体积很大，但电池容量却较小，猜想为什么？请利用信息平台查阅资料证明你的猜想。

【生】查阅资料：电池容量的大小还与电池的能量密度有关，能量密度（Wh/kg）指的是的单位重量的电池所储存的能量是多少，1 Wh等于3600 J的能量。能量密度是由电池的材料特性决定的，大部分锂电池能量密度在100-200 Wh/kg之间，普通铅蓄电池的能量密度约为40 Wh/kg。

【师】非常正确，一般在相同体积下，锂离子电池的能量密度是镍镉电池的2.5倍，是镍氢电池的1.8倍，是普通铅蓄电池的3-5倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会比镍镉、镍氢、铅蓄电池的体积更小，重量更轻。

【师】近几年，新能源汽车尤其是电动汽车发展迅猛，国产品牌如比亚迪在新能源汽车研发方面取得了长足的发展。汽车工业作为我国的支柱产业，大力发展新能源电动汽车具有哪些重要的战略意义？课后查阅资料，谈谈你对新能源汽车的认识，以及发展前景的看法。

三、项目评价和教学反思

项目式学习是一种基于真实情境的系统性的学习和研究活动，通过创设真实的问题情境和学习任务，引导学生深度学习和主动探究，促进學生从传统的学科性学习走向综合性学习，从而发掘学生的学习潜力和个性特长。本课例基于变化观念和创新意识等核心素养，从电池功能角度设计三个方面的情境问题和活动任务，在有意义的真实学习情境下，以手持技术和资料查阅作为教学设计的基本思路，通过开发新素材、跨学科素材和真实情境的实验探究活动，挖掘和利用学生已有知识和社会经验，培养学生从不同视角去思考和探索科学知识，让学生既关注电池装置原理和构成要素，同时又关注装置所具有的功能和意义，从而让学生真正理解原电池的工作原理、本质和结构。同时，教师和学生通过交流互动和合作探究，讨论铜锌原电池（单液和双液）、燃料电池和常见化学电源的原理、构成、变化和应用，让学生以知识为工具来认识问题、分析问题和解决问题，实现在日常教学中真正落实和发展学生的化学学科核心素养，从而培养学生的实践能力、批判思维、创新精神和社会责任感，体现化学与科学.技术、社会和环境的关系，促进学生深度学习和学科核心素养的深度融合发展，培养学生终身发展的品格和能力，

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]陈巍，陈国军，郁汉琪.建构主义理论的项目式教学体系构建[J].实验室研究与探索，2018，37（2）：184-185.

[3]人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究中心.普通高中教科书·化学（必修）第二册[M].北京：人民教育出版社，2019.

[4] 王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017.