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视频标签：第8届全国中小学实验
所属栏目：高中化学说课视频
视频课题：【视频实录+课件+说课稿】《燃料电池的实验探究》第8届全国中小学实验教学说课活动 南京
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【视频实录+课件+说课稿】《燃料电池的实验探究》2020年第8届全国中小学实验教学说课活动
燃料电池的实验探究（说课稿）
——燃料电池的原理循证和创意应用
南京外国语学校 陈静
一、使用教材
人教版高中《化学 选修4》第四章第二节化学电源
[1]。
二、实验器材
1、氢氧燃料电池改进实验
仪器：高中学生电源、活性炭颗粒、石墨电极（直径5mm，长度10cm）、250mL三颈烧瓶、漏斗、纱布、导线、小风扇。用活性炭颗粒包埋碳棒电极后，以纱布包裹,制作活性炭颗粒包埋的碳棒电极。
药品：0.5mol/L Na
2SO
4溶液（1mol/L、2mol/L）、0.5mol/L H
2SO
4溶液、0.5mol/L KOH溶液。
2、镁半燃料电池创新实验
仪器：镁条、2B铅笔芯、石墨电极（直径5mm，长度10cm）、砂纸、导线（带鳄鱼夹）、细铜线、环形磁铁、培养皿（直径9cm）、果冻杯、音乐贺卡电路、圆形白纸。
药品：琼脂、饱和食盐水、30% H
2O
2溶液、4mol/L H
2SO
4溶液、酚酞溶液。利用琼脂制作含有饱和食盐水的凝胶状电解液模拟海水。
三、实验改进/创新要点
1、氢氧燃料电池实验的改进要点
新电极、新装置、新电器。
小改进带来大变化，这三个方面的小改进大大地提高了实验的成功率。
2、
镁半燃料电池实验的创新要点
（1）模拟两种镁半燃料电池：
取材生活化、装置微型化、现象趣味化。
（2）外显离子的移动方向：
跨学科整合、微观变宏观、简便且易行。
创新带来挑战，激励学生勇敢地思考、探索和实践。
四、实验设计思路
1、氢氧燃料电池改进实验
氢氧燃料电池是一种具有广阔发展前途的化学电源。氢氧燃料电池中，H
2和O
2均为气体。高等教育出版社《无机化学》指出：对于涉及气体的半反应，气体必须吸附在电极上才能参加反应
[2]。苏教版《化学2》中使用了经多次淬火得到的多孔碳棒电极来提高吸附气体的能力
[3]，但在实际的实验中发现该装置产生的电流、电压小，依然不易成功。分析原因有如下几点：①多次淬火得到的多孔碳棒电极吸附气体效果比碳棒电极好，但效果依然不佳，而且操作麻烦；②电解产生的气体混合在烧杯内，不利于气体吸附在电极上，且不易观察到燃料电池工作时气体的消耗；③氢氧燃料电池产生的电压不易达到发光二极管的工作电压。
本实验中尝试做如下的改进：
（1）利用活性炭颗粒包埋的碳棒电极代替多孔碳棒电极
使用具有强吸附性的活性炭颗粒来储存产生的H
2和O
2。有三个优点：①活性炭颗粒不易流失，易于回收重复使用；②不需多次淬火，减少了准备时间；③电解产生的H
2和O
2储存在活性炭的小孔中，这会增大电极周围H
2和O
2的浓度，电压也会相对稳定，从而使电压维持更长的时间。
（2）利用三颈烧瓶和长玻璃管的组合代替烧杯
有两个优点：①将两极产生的气体分隔开，便于气体吸附在相应的电极上，且易于观察到气体的生成和消耗；②两个瓶口塞上橡皮塞，便于固定电极。
（3）利用工作电压较小的小风扇来代替发光二极管，易于被氢氧燃料电池驱动。
（4）优化实验条件
在12V电压下，选用中性电解质溶液（2mol/L Na
2SO
4溶液），电解30s，燃料电池的工作时间最长，长达16多分钟。在实际教学中，选用电解0.5mol/L Na
2SO
4溶液，燃料电池的工作时间达到4分钟左右，足够满足需求。
2、镁半燃料电池创新实验
（1）模拟两种镁半燃料电池
①确定燃料和氧化剂
除了氢气，还有其他的物质也可以作为燃料电池的燃料。例如，以金属镁为燃料, 以海水中溶解的O
2或H
2O
2均可为氧化剂，这样的金属半燃料电池是近年来开发的一种新型水下化学电源。
②模拟电解质溶液（海水）
利用琼脂制作含有饱和食盐水的凝胶状电解液模拟海水作电解质溶液。这样制作的凝胶状电解液不易流失，还可用于固定电极。
③设计装置
2B铅笔芯、细铜丝、果冻杯等均可来源于生活中的废旧物品，实验器材简便易得。如果在果冻杯内凝胶状电解液上方覆膜，撕开即可用，便于携带；电极和电解液均可替换，可开发为系列化的金属半燃料电池。
④选择音乐贺卡电路
两种镁半燃料电池的工作电压不同，因此接入音乐贺卡电路，产生的实验现象有显著差别（一个使音乐贺卡发出断断续续、较小的声音，另一个使音乐贺卡发出连续、响亮的声音，小灯珠也发出了红光），生动有趣，激发学生学习兴趣，深入探究镁半燃料电池的工作原理和应用。
（2）外显离子的移动方向
①将微观粒子移动转化为宏观现象
镁-海水溶解氧半燃料电池的工作原理为：负极: Mg−2e
- = Mg
2+ 正极: O
2+2H
2O+4e
- = 4OH
-
该电池工作时，如何外显电解质溶液中Mg
2+和OH
- 向正极还是向负极移动呢？首先想到的是该电池工作时向溶液中滴入酚酞，石墨电极（+）附近溶液变为红色以及红色范围扩大来展现OH
- 的生成。但该现象并不能轻易地得到OH
- 的运动方向，因为红色范围扩大的现象也可能是由于扩散，也就是分子的无序运动导致。
②发展跨学科整合的思维方式
物理学科中学习过运动电荷在磁场中会受到洛伦兹力这一物理规律
[4]。借助判断洛伦兹力方向的左手定则，伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，拇指指向运动电荷在磁场中所受洛伦兹力的方向，这时四指指向即为电流的方向。从而判断出阴阳离子的运动方向。
③设计精巧实验装置，易于操作。
在培养皿中间固定一根石墨电极，沿边缘内壁放一个圆形镁电极。把培养皿放置在一块磁铁上，N极向上。培养皿下方垫一张白纸以便于观察实验现象。向培养皿中加入饱和食盐水，并滴入几滴酚酞溶液，连接导线。会观察到石墨电极（+）附近溶液变红，颜色逐渐加深，红色溶液向外作逆时针旋转。
通过观察镁-海水溶解氧半燃料电池中正负极附近溶液颜色的变化及溶液的旋转，把肉眼不可见的微观粒子的移动直观地体现出来。
五、实验教学目标
1、认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。
2、了解燃料电池的工作原理，能用“宏观一微观一符号”三重表征燃料电池的反应。
3、通过实验探究燃料电池原理，学习基于证据来分析推理得出结论的方法。
六、实验教学内容
本节课是《选修4》第四章第二节化学电源第三部分燃料电池教学内容的实验探究。目前，燃料电池已在生产、生活、国防、科技等领域发挥重要应用。本节课首先选择教材中重要的氢氧燃料电池，通过改进的氢氧燃料电池实验来探究其工作原理和应用。接下来利用生活中的物品设计创新实验来模拟两种镁半燃料电池，拓展探究了镁半燃料电池的工作原理和应用。接着设计构思巧妙的创新实验外显镁-海水溶解氧半燃料电池工作时溶液中离子的移动方向，有利于理解电化学的反应原理。
七、实验教学过程
环节1 创设情境引入新课：
氢氧燃料电池在我国航空航天领域中的应用
环节2 探究氢氧燃料电池：
首先，演示改进的氢氧燃料电池实验，模拟航天器中能量存储系统的转换过程。
进而，设置层层递进的问题链，引导学生从宏观现象到微观本质，探究氢氧燃料电池的工作原理和应用。在分析问题、解决问题的过程中，逐步形成选择合适的实验方法来验证科学假设的科学方法。
问题1：小风扇为什么会转动起来？
问题2：电池工作时，是否就是H
2和O
2在放电？如何设计实验方案来证明？
环节3 探究镁半燃料电池：
首先，模拟两种镁半燃料电池，演示其分别连入音乐贺卡电路，由二者现象的不同分析探究镁半燃料电池的原理和应用。
接着，引导学生运用跨学科整合的思维方式来设计实验方案，直观展现镁-海水溶解氧半燃料电池工作时溶液中离子的移动方向，将微观粒子移动转化为宏观现象，深化理解电化学反应原理。
问题1：分别利用这两种半燃料电池给音乐贺卡供电，为何现象不同？
问题2：镁半燃料电池中微观粒子的运动方向是怎样的呢？
环节4 学以致用拓展认识：
探索燃料电池在不同领域的应用，感悟反思本节课的收获与体会。
八、实验效果评价
1、实验器材易得、操作简单、节时高效。
2、实验现象生动有趣，兼具科学性和趣味性。
3、宏微结合，利于理解电化学反应原理。
4、融合多学科知识，提高学生的科学素养。
结束语：我国著名化学家傅鹰曾说过“提出一个机理来解释一种现象并不困难，困难的是如何以实验证明这是正确的，而且是唯一正确的机理。在未达到这种地步之时，我们对于任何理论都应当持保留态度。只有如此，才是实事求是的科学精神。”
在教学过程中，我不断尝试开展“素养为本”的实验教学，运用化学实验等方法进行实验探究，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，培养学生的创新精神和实践能力。以发展学生的科学素养为主旨，帮助学生形成实事求是的科学精神、严谨求实的科学态度，学会用科学的方法观察事物和认识事物。
参考文献：
[1] 普通高中课程标准实验教科书．化学选修4 化学反应原理．第3版[M]．北京：人民教育出版社，2018：74-78．
[2] 北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学．无机化学（下册）．第4版[M]．北京：高等教育出版社，2010：358．
[3] 普通高中课程标准实验教科书．化学2 必修．第4版[M]．南京：江苏教育出版社，2010：42．
[4] 普通高中课程标准实验教科书．物理选修3-1．第3版[M]．北京：人民教育出版社，2011：91-96．
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