摘要：在高中化學氫氧燃料電池教學中引入數字化實驗，教師可以引導學生綜合運用傳感器及軟件收集和整理化學實驗過程中的數據，由定性分析轉為定量實驗，更準確地呈現宏觀無法觀測到的實驗結果，使實驗探究簡單化、可視化和高效化，從而提高課堂教學效果，發展學生的化學學科核心素養。關鍵詞：數字化實驗；燃料電池；化學教學近年來，我國信息技術飛速發展，信息技術與高中教學的結合越來越緊密［1］。運用傳感器和計算機技術實現化學實驗現象數字化的實驗形式，合理替代了傳統實驗中數據采集、處理方式，學科教學與數字化實驗的整合在高中化學教學中的應用越來越普遍，專家學者和教育工作者認可程度與日俱增［2］。針對化學燃料電池學習，《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）提出，充分利用氫氧燃料電池等案例素材，組織學生開展分析解釋、推論預測、設計評價等學習活動，發展學生對原電池和電解池工作原理的認識，建立對電化學過程的系統分析思路［3］。但在實際教學中，受傳統實驗儀器的限制，教師很少會做燃料電池相關的演示實驗，學生往往是通過觀看視頻進行學習；同時，學生親自完成燃料電池的制作存在困難，這也讓學生對電池的內部構造和工作原理缺乏感性和理性的認知［4］。在高中化學燃料電池教學中引入數字化實驗，運用傳感器以及計算機軟件收集和整理化學實驗數據，能夠從定性感知進階到定量分析，更加精準地呈現宏觀無法觀測到的微觀實驗現象與結果。數字化實驗既能幫助學生降低學習化學抽象概念的難度，又能提高學生的學習興趣，使實驗探究可視化、簡單化和高效化，提升教學效果［5］。下面以“‘自制氫氧燃料電池實驗改進和拓展”一課為例進行具體論述。一、數字化實驗教學氫氧燃料電池的設計依據（一）教學分析根據《課程標準》的要求，教師應充分利用氫氧燃料電池等案例素材，在教學中創設真實情境，組織學生開展基于能量利用需求選擇反應、設計能量轉化路徑和裝置等活動，形成合理利用化學反應中能量變化的意識和思路，提升“科學探究與創新意識”和“科學態度與社會責任”等化學學科核心素養［6］。根據人教版化學教材的編排情況，學生將在必修2中第一次接觸燃料電池，在選擇性必修1中進行進階學習。教材主要以文字說明和裝置示意圖的形式介紹燃料電池，在常規課堂中，教師通常是利用視頻或者模擬動畫輔助學生理解電池的工作原理，很少會做燃料電池相關的演示實驗，而選擇性必修1教材中明確將制作簡單的燃料電池列為學生必做實驗。在具體知識、能量觀、氧化還原觀、微粒觀、平衡觀及化學價值觀層面，學生對原電池原理和構成條件有了一定的認識，但對“氧化劑和還原劑不接觸就能自發反應”心存疑惑，對“是否需要活性不同的兩個電極”以及“電極是否需要與電解質溶液發生自發氧化還原反應”等問題存在認知偏差，看待不同電解質溶液中微粒如何運動等問題時缺乏將宏觀和微觀聯系起來的化學學科眼光，不能很好地將氧化劑、還原劑知識遷移用于分析電極反應，大部分學生學習困難體現在電極反應式的書寫上。（二）教學目標與教學重難點教學目標1：運用微粒觀、氧化還原觀分析原電池，畫出電解水和氫氧燃料電池模型，進行實驗探究，從能量、氧化還原、微粒和平衡觀等角度分析電池原理并改進，書寫電極反應式，培養“證據推理與模型認知”和“科學探究與創新意識”等化學學科核心素養。教學目標2：從平衡觀角度改進燃料電池性能，用數字化實驗儀器開展定量實驗，宏微結合收集證據，推出結論，培養“變化觀念與平衡思想”和“宏觀辨識與微觀探析”等化學學科核心素養。用科學史引入，用航天科技知識延伸，用常見生活物品開展實驗，感受化學的魅力，培養“科學態度與社會責任”化學學科核心素養。教學重點：氫氧燃料電池的設計、制作及改進，不同電解質溶液環境中的電極反應式書寫。教學難點：氫氧燃料電池的改進，不同電解質溶液環境中的電極反應式書寫。教學方法：本課采用任務驅動式教學，在多媒體的輔助下開展實驗探究、小組合作等學習活動。二、數字化實驗輔助下的氫氧燃料電池教學過程本節課共五個環節，分別為激趣引入、設計電池、初步改進、進階改進以及拓展提升，具體教學流程如圖1所示。環節一：史料引入，激發興趣視頻資料：1839年第一節氫氧燃料電池出現，自此，燃料電池登上歷史的舞臺。學生活動：觀看科學史視頻。【設計意圖】將科學史融入教學，激發學生的學習興趣，拓展學生的視野。環節二：理論分析，設計電池任務1：2H2+O2[][]2H2O是一個自發的氧化還原反應，請根據此反應，設計氫氧燃料電池。學生活動：畫出裝置圖。設計電池裝置的一般思路如圖2所示。【設計意圖】運用模型解決實際問題，讓學生領會原電池模型并運用原電池構成四要素進行裝置設計，從理論角度探究如何更簡便地制作氫氧燃料電池。環節三：動腦思考，初步改進任務2：自制簡易氫氧燃料電池裝置引導提問：課本上氫氧燃料電池裝置的電源為直流電，不方便攜帶，如何改進？石墨棒不易獲取，可以用生活中的什么材料代替？要想肉眼觀察到兩極產生氣體的現象并收集氣體，可以在兩極加個什么裝置呢？U型管不易獲取，可以換成什么裝置？學生活動：學生根據教師的提問改進課本實驗裝置（如圖3所示）。學生以小組為單位進行實驗探究，實驗用品有泡沫鎳、鉛筆芯、發光二極管、塑料吸管、注射器、9V電池、熱熔膠槍、電壓傳感器。實驗裝置圖與實驗步驟如圖4所示，實驗現象如圖5所示。【設計意圖】通過改進實驗方案和小組實驗，驗證理論的正確性和方案的可行性，培養學生的實驗探究能力和團結協作精神，讓學生感受化學反應與能量變化的關系。環節四：動手實踐，進階改進任務3：改進自制氫氧燃料電池性能問題3.1：氫氧燃料電池工作，二極管亮但亮度逐漸減弱，這是為什么？（氫氧燃料電池電壓在減小）問題3.2：查閱資料，從原電池構成要素分析，可以從哪些方面提高氫氧燃料電池電壓？學生活動：學生查閱教師提供的文字資料得知，泡沫鎳是一種很好的儲氫介質，可用作燃料電池的電極催化材料。改進電極實驗：其他條件不變，陰極放入泡沫鎳。問題3.3：二極管亮，但氫氧燃料電池的電壓有增大嗎？（無法用肉眼判斷二極管亮度，但是可以用數字化電壓傳感器更精確地測定電池電壓）學生活動：開展數字化實驗。學生通過改變電極優化電池性能。實驗情況如表1所示。問題3.4：除了改進電極材料，我們還可以從什么角度改進氫氧燃料電池的性能？學生活動：開展數字化實驗。其他條件不變，陰極被泡沫鎳包裹，分別用濃度均為2.5mol/L的硫酸溶液、氫氧化鈉溶液以及硫酸鈉溶液作為電解質溶液，利用數字化儀器測定氫氧燃料電池電壓，直觀感受不同電解質溶液對氫氧燃料電池電壓的影響。實驗情況如表2所示。問題3.5：請寫出電解質溶液分別為硫酸溶液、氫氧化鈉溶液和硫酸鈉溶液的電極反應式。學生活動：書寫電極反應式。總結電極反應式書寫技巧（電子守恒、電荷守恒、元素守恒）。【設計意圖】讓學生感受電池模型的應用，體驗數字化實驗，用數據說明我們宏觀無法觀察到的實驗現象變化。控制單一變量設計數字化實驗感受定量實驗的精確性，發展學生證據推理、宏觀辨識與微觀探析素養，提升學生“科學探究與創新意識”化學學科核心素養［7］。環節五：拓展提升，感受科技視頻資料：神舟十三號順利完成“出差”任務。太空飛船利用太陽能電池板把光能轉化為電能，進而電解水給宇航員供氧。任務4：我們是否可以將小朋友的太陽能玩具電車中的太陽能電池板用作氫氧燃料電池的電源呢？還可以利用生活中哪些常見物品制作氫氧燃料電池？學生活動：學生課后利用玩具車太陽能電池板及其他生活中常見物品自制氫氧燃料電池，體會能量間的相互轉化，感受高科技就在我們身邊。【設計意圖】以航空航天高科技引入，讓學生將化學學科知識與生活、科技聯系起來，提升學生“科學態度與社會責任”化學學科核心素養。本節課板書設計如圖6所示。三、基于數字化實驗開展實驗教學的反思本節課用科學史引入，引導學生理解科學研究對美好生活的重要意義，激發學生的學習興趣，為接下來運用模型解決實際問題鋪墊。接著，學生嘗試根據原電池構成四要素設計裝置，呈現裝置圖，從理論角度探究如何更簡便地制作氫氧燃料電池。隨后利用數字化實驗儀器宏微結合收集證據，用證據從不同視角分析問題，推理出合理的結論。學生的“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“宏觀辨識與微觀探析”“科學態度與社會責任”等化學學科核心素養在這一節課中均獲得了發展。本節課改進了人教版教材中呈現的燃料電池裝置，有以下四個方面的優點。一是實驗裝置與材料易得，實驗操作方便，實驗現象明顯。實驗裝置與材料均源于學生生活，所需的藥品不多且便于攜帶。密閉的反應系統使得生成的氣體不能逸出，生成的氣體在小吸管中聚集，讓學生更深刻地體會到電解水產生的H2和O2的氣體體積比，同時也增大電極上H2和O2的吸附量。實驗現象明顯且趣味性強，可以清晰直觀地看到燃料電池儲存的氣體，對學生分析燃料電池的工作原理起到了輔助作用［4］，適合用于實驗演示，即便作為學生實驗及家庭實驗（把硫酸鈉換成小蘇打）也是簡單易上手且安全的。二是實驗所需時間少，可作為學生分組實驗在課堂上開展，且學生可以反復操作。學生在組裝電池的過程中，會發現燃料電池的電極是一個催化轉化原元件，整個電池裝置其實是一個反應器，從而在對比中認識到燃料電池與一般化學電池的區別。學生通過親手組裝燃料電池，不僅能增強對燃料電池的感性認識，還能開拓科學視野，活躍創新思維［4］。三是采用手持技術進行數字化實驗，可以實時檢測燃料電池電壓，進行定量測量，快捷直觀顯示宏觀無法觀察到的微觀實驗結果，宏微結合收集證據。四是課后適當拓展實驗，緊跟時代步伐。展示我國在航空航天