陳俊英+張國興+田斌+張俊杰

一、項目提出

霧霾是特定氣候條件與人類活動相互作用的結(jié)果。2013年以來，“霧霾”成為人們關(guān)注的問題之一。在這一大背景下，新能源的推廣和使用備受人們關(guān)注，尤其是電動汽車。結(jié)合這一環(huán)境問題的治理和化學(xué)知識的學(xué)習(xí)，將項目學(xué)習(xí)的內(nèi)容確定為和環(huán)境保護有關(guān)的“化學(xué)電源”，通過探究電動汽車的能量來源學(xué)習(xí)相關(guān)概念和原理，揭開化學(xué)電源的神秘面紗，讓學(xué)生能夠了解新能源的使用和發(fā)展，更加關(guān)注環(huán)境的保護。

二、項目準備

1.解讀課標，整合教材。

項目的實施依賴于課標的指導(dǎo)，因此研讀課標能夠準確地把握課程知識的主體性。對于化學(xué)電源的知識，課標在必修二和選修四課程模塊中分別作了如下說明：

學(xué)生能夠舉例說明化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化關(guān)系及其應(yīng)用；認識研制新型電池的重要性。建議通過查閱資料了解化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、電能在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用；用生活中的材料制作簡易電池；對不同種類電池的特點、性能與用途做市場調(diào)查。

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠體驗化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的探究過程，了解原電池和電解池的工作原理，能寫出電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式；通過查閱資料了解常見化學(xué)電源的種類及其工作原理，認識化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的實際意義及其重要應(yīng)用。建議能夠完成電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化的實驗探究；調(diào)查市場常見化學(xué)電池的種類，討論它們的工作原理、生產(chǎn)工藝和回收價值。

根據(jù)課程標準的要求和教科書中的內(nèi)容，我們將必修二中第二章第二節(jié)《化學(xué)能與電能》與選修四第四章第一節(jié)《原電池》、第二節(jié)《化學(xué)電源》的知識進行整合，形成與化學(xué)電源相關(guān)的教材資料。根據(jù)相關(guān)教材資料，確定項目實施的開展周期為13學(xué)時。

2.研討項目，確定流程。

在確定了項目課題后，組織教師開展多次項目研討會，對項目課題的開展和方式進行研討。

首先，第一次項目研討會確定了項目的目標。從三個維度（知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度和價值觀）提出項目的指引性目標。對學(xué)生的能力、態(tài)度和成果作了基本的要求。根據(jù)課程標準，我們整理出項目的概要。

其次，在之后的幾次會議中，主要研討了項目流程，并不斷進行修改，最終確定了以下學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)：

（1）創(chuàng)設(shè)問題：根據(jù)信息，結(jié)合一些資料卡片，讓學(xué)生以此了解所學(xué)知識的背景，以此進行延伸，對所需掌握的知識、所要提高的能力、最終獲得的成果有整體的認識。

（2）自主學(xué)習(xí)：結(jié)合創(chuàng)設(shè)問題和內(nèi)容學(xué)案，由學(xué)生自主進行知識的學(xué)習(xí)。在這一過程中，對知識的分析和探討為實踐操作將奠定理論基礎(chǔ)。

（3）總結(jié)概括：小組討論知識的原理、構(gòu)成和發(fā)展，并由教師最終對知識進行總結(jié)歸納，引導(dǎo)學(xué)生進行知識的整合。

（4）類比遷移：以教學(xué)資料為基礎(chǔ)，對相關(guān)知識的了解進行遷移，可作階梯難度學(xué)習(xí)，根據(jù)不同學(xué)生的能力進行不同內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

（5）拓展延伸：學(xué)生可利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源，進行其他知識的學(xué)習(xí)，如化學(xué)史等。

（6）實踐操作：依據(jù)理論知識的學(xué)習(xí)，進行實驗操作的驗證和探究，加強理論知識的理解，同時提高學(xué)生的動手能力。

（7）測評考核：對項目學(xué)習(xí)的各環(huán)節(jié)進行測評，如學(xué)生知識的掌握、思維能力的提升、動手能力的提高等。

（8）成果展示：結(jié)合課程內(nèi)容和自主活動，進行小組匯報和自由發(fā)揮的成果展示，同時在項目活動中體現(xiàn)出學(xué)校特色、教師特長、學(xué)生特點，能夠成為學(xué)生知識體系學(xué)習(xí)的有益補充。

在項目實施過程中，不斷地對項目進行中反映出的一些問題及時作出修改，同時結(jié)合學(xué)生提出的一些建議，討論其合理性和實踐性。

三、體例說明

項目學(xué)習(xí)是通過一系列任務(wù)的完成，最終達成項目目標的學(xué)習(xí)方式。以“揭秘化學(xué)電源”為例，在項目學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生將通過自主學(xué)習(xí)、總結(jié)拓展、實踐操作、交流展示、測評考核等教學(xué)活動，在“做中學(xué)”，提升化學(xué)素養(yǎng)。

1.項目概要。

（1）從原理上認識燃料電池，能正確書寫電極反應(yīng)方程式。結(jié)合生活，了解生活中電池的種類，分析其結(jié)構(gòu)，認識能量的相互轉(zhuǎn)化過程。

（2）通過對電池的拆分，掌握能量轉(zhuǎn)換的原理。結(jié)合組成成分的驗證，認識研制新型電池的重要性。

（3）依據(jù)化學(xué)史知識，了解電池的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識和綠色化學(xué)意識，逐步形成可持續(xù)發(fā)展的思想。

2.項目活動。

活動一：課前熱身。（2課時）

根據(jù)學(xué)習(xí)資料卡片的內(nèi)容，進行走訪了解、策劃設(shè)計等，為完成項目成果做好鋪墊。

[資料卡片一] 由于城市空氣質(zhì)量指數(shù)“爆表”，為保護公眾健康，減緩大氣污染程度，北京市應(yīng)急辦于2015年12月7日18時首次啟動空氣重污染紅色預(yù)警。

[資料卡片二] 環(huán)保部提出，PM2.5來源是機動車、燃煤、揚塵、流動源、工業(yè)生產(chǎn)等。中小學(xué)、幼兒園停課，全市范圍內(nèi)實施機動車單雙號行駛（電動車除外）。

[資料卡片三] 燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水；零排放，不污染環(huán)境。燃料電動車能量轉(zhuǎn)化效率高，可高達60%～80%，為內(nèi)燃機的2～3倍。

根據(jù)以上三個資料卡片，查閱相關(guān)資料，了解電動車動力的來源及其原理。

活動二：自主學(xué)習(xí)。（2課時）

①知識回顧——科學(xué)探究一。

回顧人教版九年級化學(xué)教科書（上冊）第三單元 《自然界的水》 課題一：水的組成，[實驗3-1]水的電解實驗。

電解水需要的實驗儀器有：電源、碳電極、硫酸鈉溶液、電流表、試管、導(dǎo)線若干、開關(guān)。實驗步驟為：將裝置連接接通電源一段時間后，觀察兩電極上的現(xiàn)象，及電流表指針偏轉(zhuǎn)方向。預(yù)期得到的實驗結(jié)果為：在負極連接的電極上產(chǎn)生H2，在正極連接的電極上產(chǎn)生O2，且體積比為2：1。

②知識反轉(zhuǎn)——科學(xué)探究二。

去掉電解水裝置的電源，將兩電極與小燈泡用導(dǎo)線相連，形成氫氧燃料電池。

實驗所需儀器有：碳電極、硫酸鈉溶液、電流表、試管、導(dǎo)線若干、開關(guān)、小燈泡。實驗步驟為：將電解裝置的電源拆掉，連接小燈泡，觀察兩電極現(xiàn)象，電流表指針偏轉(zhuǎn)方向及小燈泡是否變亮。預(yù)期得到的實驗結(jié)果為：小燈泡可以發(fā)光，兩電極氣體減少，電流表偏轉(zhuǎn)。

③新知學(xué)習(xí)。

根據(jù)科學(xué)探究一和科學(xué)探究二，研究這兩個裝置的原理：

電解水：

陰極：2H++2e-■H2

陽極：4OH--4e-■O2+2H2O

燃料電池：H2-2e-■2H+

O2+2H2O+4e-■4OH-

思考與交流：

根據(jù)電流表偏轉(zhuǎn)確定電流方向：從能量轉(zhuǎn)移角度和電子得失守恒分析這兩個裝置。

電解過程：能量：電能→化學(xué)能；電子得失：陰極得e-，陽極失e-。

原電池：能量：化學(xué)能→電能，電子得失：正極得e-，負極失e-。

活動三：知識延伸。（2課時）

①根據(jù)下圖所示信息，分析生活中使用的酸性和堿性鋅錳電池原理，思考交流每種物質(zhì)在電池中所起到的作用。

②查閱資料：生活中常見電池的分類及其原理，生活中常見電池的應(yīng)用及發(fā)展，新型能源電池的使用。

活動四：實踐操作。（2課時）。

從生活中收集各種類型的電池，類型可以有酸性電池、堿性電池、小型蓄電池、手機電池等。

拆分電池基本實驗報告

組號：________

小組成員：

________________________

根據(jù)所提示的內(nèi)容，完成下列操作：

1.拆分電池（盡量保持電池剖面的完整，各組自己備份照片做材料匯報用）。

實驗儀器：

實驗步驟：

實驗拆分成分預(yù)估：

實驗結(jié)論：

2.描繪電池拆分后的橫截面。

3.反思與評價。

[提示信息]

（1）可做橫向和縱向切割。

（2）盡量保證切面的完整性。

下次課程任務(wù)：研究電池的原理及組成成分。

根據(jù)學(xué)生收集的電池種類和數(shù)量、學(xué)生拆分實驗方案的設(shè)計、拆分實驗工具選擇和拆分的合理性作出評價。如何才能更好地保留電池的成分，為下面進行原理學(xué)習(xí)和驗證實驗提供有效的例證？

根據(jù)學(xué)生所學(xué)習(xí)的知識，結(jié)合拆分電池所得到的成分，學(xué)生可以進行電池組成組分實驗驗證，選取酸性干電池或是堿性干電池部分成分驗證，其他成分進行理論推導(dǎo)。

電池成分驗證基本實驗報告

組號：___________

小組成員：________________________

1.材料一：電池構(gòu)造示意圖（見65頁圖）

根據(jù)所提示的內(nèi)容，完成下列操作：

小組討論設(shè)計驗證電池中成分的方案（每小組選擇酸、堿性中的一個進行設(shè)計）。

2.實驗驗證。

實驗儀器：

實驗步驟：

實驗結(jié)論：

3.反思與評價。

[提示信息]

（1）MnO2是不溶于水的黑色固體，反應(yīng)后電池中產(chǎn)物為MnOOH。

（2）鋅的氧化物及其氫氧化物具有兩性。

（3）電池中還有一些其他材料需自行查閱資料。

學(xué)生先小組討論設(shè)計方案，由教師進行指導(dǎo)，選擇合理有效的實驗方法。實驗中學(xué)生可以通過實驗驗證酸性電池中的NH4Cl、MnO2、ZnCl2，以及作為負極的鋁片。堿性電池中學(xué)生通過實驗驗證KOH、MnO2以及作為負極的鋁片，但是MnOOH無法在中學(xué)實驗室進行驗證。

活動五：測評考核。（2課時）

根據(jù)所學(xué)知識，完成下面測評試題。（見下圖）

活動六：成果展示。（3課時）

①開展“化學(xué)史—化學(xué)電源的發(fā)展”活動。收集、整理有關(guān)電池發(fā)展的歷史材料，查閱有關(guān)化學(xué)電源的化學(xué)史知識，從克萊斯特被電擊、馬森布萊克發(fā)明德萊頓瓶，到伽伐尼認為的“生物電”，再到伏打電池、丹尼爾電池、本生電池的出現(xiàn)，一直到近代所使用的電池，最終以PPT的形式展示。

②開展“話劇—化學(xué)電源的歷程”活動。根據(jù)化學(xué)史收集的材料，編寫“化學(xué)電源的歷程”劇本。通過話劇將重要的發(fā)展歷史再現(xiàn)。

③收集和整理電池在生活中的應(yīng)用資料，最終以PPT的形式展出“電池在生活中的應(yīng)用和發(fā)展”?？梢愿鶕?jù)所學(xué)有關(guān)原電池的知識，自制電池（如干電池、水果電池、簡易版新型空氣電池等）。

結(jié)合課程內(nèi)容和自主活動，進行小組匯報和自由發(fā)揮的成果展示，同時在項目活動中體現(xiàn)出學(xué)校特色、教師特長、學(xué)生特點，能夠成為學(xué)生知識體系學(xué)習(xí)的有益補充。

3.項目交流。

實現(xiàn)自我評價和反思。對原電池原理、裝置和反應(yīng)方程式、常見原電池的種類及原理知識進行整理，結(jié)合實驗操作的驗證和探究，加強理論知識的理解，提高動手能力，對知識的掌握、思維能力的提升、動手能力的提高、科學(xué)知識的學(xué)習(xí)等有一個全面的認識。

4.科學(xué)視野。

新型電池在中國的發(fā)展

《中國新型電池供需預(yù)測與投資前景分析報告》指出，研制新型電池都遵循這樣一個方向，即自重小、體積小、容量大、溫度適應(yīng)范圍寬、使用安全、儲存期長、維護方便。應(yīng)用于空間技術(shù)方面的電池還特別注意性能可靠、密封性好，能經(jīng)受得住各種嚴酷的空間環(huán)境和發(fā)射環(huán)境的考驗。新型電池是發(fā)展能源技術(shù)、提高能源生產(chǎn)和利用效率的主力軍，隨著中國快速發(fā)展的經(jīng)濟對新型電池需求的增加，中國政府將繼續(xù)在政策、資金等方面支持新型電池的研究與發(fā)展。

（1）太陽電池。

目前常用的太陽電池是由硅制成的，一般是在電子型單晶硅的小片上用擴散法滲進一薄層硼，以得到PN結(jié)，然后再加上電極。當日光直射到滲了硼的薄層面上時，兩極間就產(chǎn)生電動勢。這種電池可用作人造衛(wèi)星上儀器的電源。除硅外，砷化鎵也是制作太陽電池的好材料。

（2）原子電池。

據(jù)1975年的報道，當時國外正對第一個原子電池進行測試。這個可輸出20瓦，質(zhì)量為1398kg的原子電池已沉入北海海底，向鄰近的海洋測量站供電。這種電池密封在長84cm，直徑69cm，鉛外壁厚10cm的圓柱體中。它的核心部分是鍶90。當鍶衰變時，它產(chǎn)生相當于300W的熱能，然后通過熱電發(fā)生器將熱能轉(zhuǎn)化為電能。最后輸出的電功率是20W，電壓28V。據(jù)稱這種原子電池不需維護，至少可用5年，估計可用10年?！蹲匀弧冯s志日前報道：開發(fā)具有高能量密度的電極材料對提升鋰離子電池的性能十分重要。一種包含非正常鋰儲能位點的多孔二氧化鉬材料，其首次的放電容量達到1814mAhg-1，

是理論值的兩倍多。這種過渡金屬的納米孔洞有意想不到的高儲能反應(yīng)發(fā)生。作者稱這一發(fā)現(xiàn)或許為設(shè)計新型電池系統(tǒng)提供了思路。

（3）可充放電池。

西安交通大學(xué)研究成果表明：鉬替代鋰作為電極，極大地提高了電極的性能，電池的儲電量可以提高7～8倍，而且重復(fù)充電次數(shù)也提高了近100倍。我國在世界上率先突破鉬電池電極的制造難度，成果突破了鉬電池耐腐蝕性差的缺點。

美國研究人員近日發(fā)明了一種以金納米線為材料的新型電池，可以反復(fù)充放電數(shù)萬次。

四、項目總結(jié)及評價

項目實施過程中，學(xué)生每完成項目任務(wù)，教師和學(xué)生都要做出總結(jié)，分析、反思這一課題出現(xiàn)的問題，及時對下一個項目任務(wù)計劃做出調(diào)整，力求達到最好的教學(xué)效果。實際項目開展過程中，力求各小組體現(xiàn)良好的合作精神。但過程中也出現(xiàn)了一些問題，如在活動四中，學(xué)生收集的電池種類多，教師對學(xué)生電池拆分實驗方案的指導(dǎo)存在一定的困難。這對教師的知識儲備提出了挑戰(zhàn)，但同時也促進了教師專業(yè)水平的提升。電池組成成分的驗證，在現(xiàn)有實驗條件下很難全部完成，我們只能選擇一部分成分進行驗證，其他物質(zhì)只做理論分析。

1.教學(xué)目標達成評價。

在項目開展中，學(xué)生表現(xiàn)出了極大的熱情、豐富的想象力和活躍的思維，一次次碰撞出閃亮的思維火花，推動著課程的進程。學(xué)生對化學(xué)知識的學(xué)習(xí)方法和態(tài)度上有了明顯的改善。學(xué)生的學(xué)習(xí)不再是以枯燥的被動接受知識為主，課堂氣氛逐漸活躍，學(xué)生了解到興趣是學(xué)習(xí)的第一推動力，學(xué)生懂得了主動學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)是最有效的學(xué)習(xí)方式，最初制訂的三維目標基本達成。

2.教學(xué)改革效果評價。

項目的開展讓我們認識到：在內(nèi)容上，始終要堅持源于教材，但不應(yīng)拘泥于課本的教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)該將知識的學(xué)習(xí)放在社會生產(chǎn)和發(fā)展、學(xué)生的生活經(jīng)驗和學(xué)科歷史的大背景下；在學(xué)習(xí)方式上，不能局限于傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，而應(yīng)通過豐富多彩的多元化活動，讓學(xué)生感受、參與和體驗知識的形成；在教學(xué)目標上，我們不應(yīng)單純追求知識的落實，而應(yīng)該從三維目標上全面落實。