摘 要：本文以“三北”地區(qū)“棄風棄光”問題為項目情境，根據(jù)教學目標設置了前置任務、情境導入、模型建構、資料分析及流程設計五個項目子任務，以模型建構為中心進行電解池原理和應用的核心知識教學實踐。通過對真實能源問題進行案例分析和問題解決，學生能自主建構電解池認識模型，了解電解池在能量儲存方面的重要應用，體會化學在解決能源問題中的重要作用，著重發(fā)展科學態(tài)度與社會責任的學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：微項目式教學；電解池；核心素養(yǎng)；棄風棄光

文章編號：1008-0546（2024）11-0007-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

項目式學習是以學生為主體，以真實情境為知識載體，讓學生在分析和解決真實問題的過程中獲得基本知識和技能、關鍵能力和必備品格的一種教學方式。［1］常規(guī)的項目式學習持續(xù)時間長，且對學生綜合素質要求較高，在新課教學中很難有效開展。［2］微項目式教學在保留項目式教學特征的基礎上，對項目式教學承載的核心知識進行聚焦和情境化，整個流程所需時間較短，一般在1～2個課時，可以在短時間內凸顯化學學科價值，激發(fā)學生學習熱情。本文以人教版高中化學選擇性必修1中的“電解池”為例，開展微項目式教學實踐。

一、項目主題內容分析

1. 項目情境分析

隨著全球氣候問題日益嚴重，我國在2020年提出了“碳達峰、碳中和”目標，為達到“雙碳”目標，大力開發(fā)可再生能源，進行能源綠色轉型是必然之舉。我國能源分布局面是“西富東貧、北多南少”，與資源需求局面正好相反。80%以上的風能資源分布在“三北”地區(qū)（西北、華北、東北），太陽能資源也是“高原大于平原、西部大于東部”，而75%以上的能源需求集中在東部、中部地區(qū)。［3］由于能源分布不合理和可再生能源輸出不穩(wěn)定，“三北”地區(qū)難以消納大量的可再生能源，甚至對電網(wǎng)的運行帶來一定的威脅［4］， 所以被迫“棄風棄光”，造成了能源浪費。這樣一個矛盾的情境現(xiàn)狀能很好地激發(fā)學生的好奇心和學習熱情。通過對氫能的“制—儲—運—用”流程的分析和了解，學生能夠理解化學在解決能源危機中的重要作用，體會氫能這一清潔能源的價值，完成該主題的學業(yè)要求。

2. 教材分析

有關“電解池”教學內容在《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中的要求是：了解電解池的工作原理，認識電解在實現(xiàn)物質轉化和儲存能量中的具體應用，并制作簡單的燃料電池 。［5］人教版高中化學選擇性必修1第四章第二節(jié)“電解池”主要包括電解原理和電解原理的應用兩部分知識，在“電解原理的應用”中主要介紹了電解飽和食鹽水、電鍍和電冶金三個知識點。［6］由此可見，教材中有關電解池的具體應用，重視物質轉化而忽視能量儲存。針對這一現(xiàn)狀，本微項目式教學以“棄風棄光”問題為情境載體，設計氫能的“制—儲—運—用”的流程，解決“三北地區(qū)”的可再生能源循環(huán)利用及我國能源結構不均衡問題。因為是新授課，所以本次教學重點為電解池認識模型的建構。

二、項目教學目標

筆者基于對項目主題內容的分析，確立了以下幾點教學目標。

（1）通過分析鉛蓄電池充放電原理，遷移原電池認識模型，自主建構電解池認識模型，理解電解池、陰極、陽極等相關概念。能從原理角度寫出鉛蓄電池充電時的電極反應式和總反應式，并說明電荷移動方向和能量轉化方式；能從裝置角度說明電解池裝置是由電子導體、離子導體、得電子場所和失電子場所組成，發(fā)展證據(jù)推理與模型認知學科核心素養(yǎng)。

（2）通過實驗探究電解水制氫氣效果的影響因素，深化對電解池認識模型的理解，說明電極間距離、電解液濃度和電壓分別對電解效果有怎樣的影響，鞏固實驗操作技能，發(fā)展科學探究與創(chuàng)新意識學科核心素養(yǎng)。

（3）通過微項目學習，知道電解池在能量儲存方面的重要應用，認識化學對社會發(fā)展的重大貢獻，發(fā)展科學態(tài)度與社會責任學科核心素養(yǎng)。

三、項目任務及實施流程

筆者根據(jù)教學內容和學生情況將學生分為三個學習小組，設置了前置任務、情境導入、模型建構、資料分析及流程設計五個子任務，以模型建構為中心展開教學，具體教學流程如表1所示。

四、項目實施過程及學生成果

1. 任務一 情境導入，激發(fā)學習熱情

［教師］提供報道《棄風棄光，癥結何在？》。查閱資料，回答以下問題：①什么是“棄風棄光”問題？②為什么會出現(xiàn)這個問題？③如何去解決這個問題？

［學生］“棄風棄光”問題是指在“三北”地區(qū)因為可再生能源和化石能源都比較富足，而“三北”地區(qū)發(fā)展落后，對電力的需求較小，對于當?shù)乜稍偕茉串a(chǎn)生的電力不能完全消納，且可再生能源發(fā)電具有不穩(wěn)定性和難預測性，可能會對電網(wǎng)造成損壞，依靠電網(wǎng)進行電力輸送比較困難，所以導致了很大一部分可再生能源的浪費。解決“棄風棄光”問題的關鍵是解決新能源發(fā)電的消納問題，各小組展示各自解決該問題的方案，兩種主要方案的具體設計如圖1所示。

2. 任務二 模型建構，明確電氫原理

［教師］對于電化學儲能大家其實并不陌生，在前面原電池部分已經(jīng)學習過二次電池，請大家回憶鉛蓄電池的工作原理。

［學生］展示鉛蓄電池工作原理。

［教師］鉛蓄電池充電時將電能轉化為化學能，這種將電能轉化為化學能的裝置就是電解池（也稱電解槽）。與電源正極相連，在電解池中發(fā)生氧化反應的是陽極；與電源負極相連，發(fā)生還原反應的是陰極。這種使電流通過電解質溶液（或熔融電解質）而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程叫電解。［7］

［教師引導］請根據(jù)原電池認識模型，建構電解池認識模型，分析鉛蓄電池充電時的工作原理，并修正鉛蓄電池充電時的電極反應式和總反應式。

［學生展示］小組討論后建構出電解池認識模型（見圖2），修正后的鉛蓄電池充電時的工作原理及反應式的分析過程如圖3所示。

［教師］運用電化學儲能技術確實可以消納部分電能，那電化學儲能技術是否能完美解決“棄風棄光”問題？

［學生］電化學儲能也有其不友好的一面，如廢舊電池中常含有重金屬、酸、堿等物質，如果回收、處理不當會對環(huán)境和生物健康造成危害，所以不適合大規(guī)模使用。

［小組討論］電化學儲能的能量轉化過程為：風能或太陽能—電能—化學能—電能，該過程能量轉化路徑較長，能量轉化的效率不高。

［過渡］經(jīng)過以上分析，大家知道了電化學儲能的優(yōu)勢和劣勢，接下來大家一起探究氫儲能及利用其解決“棄風棄光”問題的可行性。

［教師］氫能的優(yōu)勢有哪些？請小組交流討論前置任務“氫能的優(yōu)勢有哪些”的學習成果。

［小組匯報］①氫能是一種清潔能源，燃燒只生成水，而且從氫能到熱能的轉化效率較高。②氫能可以通過可再生能源制成，過程中無碳排放。③氫還可以用于燃料電池，氫氧燃料電池能量轉化率高、噪音低且零排放。

［教師］①分別預測出中性、酸性和堿性電解質溶液條件下電解水的電極反應及總反應，并設計實驗驗證。②探究電極間距離、電壓及電解質溶液濃度對電解水效果的影響。

［教師活動］提供實驗器材：直流電源，濾紙，鐵電極，石墨電極，500mL燒杯，20mL試管，秒表，導線，電流表，鑷子，鹽橋，直尺。

實驗藥品：1 mol·L－1Na2SO4溶液，酚酞溶液，15%硫酸溶液，4 mol·L－1、3 mol·L－1和2 mol·L－1氫氧化鈉溶液。

［教師提示］①為了減小氫氣和氧氣溶解度差異帶來的影響，在正式開始實驗前進行1～2分鐘預電解，使溶液飽和。②電解水效果的好壞可以用收集一試管氫氣（20mL）的時間長短來衡量。③每個變量做三組實驗，以三次實驗所得的平均時間作為實驗結果。

［小組展示］小組展示不同電解質溶液條件下電解水實驗的預測結果和驗證方法，成果如圖4所示。

［小組實驗］利用變量控制法設計實驗，搭建實驗裝置并進行操作，記錄實驗數(shù)據(jù)。各小組根據(jù)小組匯報內容總結不同因素對電解水效果的影響（見表2）。

［教師］在工業(yè)電解水裝置中會用具有選擇性透過作用的隔膜代替鹽橋。

堿性隔膜電解水裝置中的隔膜只允許OH－通過，電解質為氫氧化鈉溶液，兩電極均為鉑電極。［8］請分析該裝置的工作原理。

［學生］在電源產(chǎn)生的電能驅動下，溶液中的OH－移向陽極，H＋移向陰極（因為隔膜的存在，只有陰極區(qū)電解槽的H＋會移向陰極），在兩極分別發(fā)生氧化還原反應，生產(chǎn)氧氣和氫氣，生產(chǎn)的氣體因為隔膜的存在無法混合。

3. 任務三 資料分析，了解氫能儲運

［教師過渡］經(jīng)過以上探究，大家已經(jīng)掌握了氫儲能的原理，為解決“棄風棄光”問題，接下來還需對氫能進行儲存和運輸，請大家交流匯報前置任務“氫能常見的儲運方式及其優(yōu)缺點有哪些”的學習成果。

［小組匯報］小組經(jīng)查閱資料并整理，得出儲氫技術比較（見表3）和運氫技術比較（見表4）。

4. 任務四 流程設計，理解氫能價值

［教師引導］根據(jù)前置任務“氫能的優(yōu)勢有哪些”的學習成果，設計氫能“制—儲—運—用”流程，模擬“棄風棄光”問題解決及氫能應用的整個流程，標明過程中的能量變化，感受氫能的價值。

［小組展示］展示小組設計的氫能“制—儲—運—用”流程，并解決“棄風棄光”問題，小組間互相評價，小組設計結果如圖6所示。

五、教學反思

1. 預設前置任務，引導學生自學

在項目任務設計上，為了縮短教學時長且保證項目流程的順利進行，設置了四個難度較低的前置任務，教師為學生提供查閱資料的途徑和方法。前三個任務較為簡單且學生較為熟悉，所以可以給學生提供知網(wǎng)賬號及使用方法，通過小組合作搜集、處理

資料完成；第四個任務學生比較陌生，所以可以給學生提供論文資料，通過小組整理資料完成。預設的前置任務在項目進行過程中起到承上啟下的作用， 確保通過各小組合作能自主完成，提高了教學的流暢性，并在項目進行的過程中引導小組展示和評價學習成果。

2. 關注真實問題，體現(xiàn)育人價值

化學是一門與人類生產(chǎn)、生活緊密聯(lián)系的學科。在教學過程中融入思政育人理念、落實思政育人目標有重要意義。通過對教學內容蘊含的隱形思政元素的發(fā)掘，使學生樹立“綠水青山就是金山銀山”的可持續(xù)發(fā)展理念、辯證思維和內因決定事物本質的意識，體會化學對于實現(xiàn)“雙碳”目標的重要意義，培養(yǎng)學生理論和實踐相統(tǒng)一、嚴謹求實的科學精神，增強團隊合作意識和奉獻精神，認識到“思想是行動的先導，理論是實踐的指南”，感受化學對人民生活的重要影響，增強社會責任感。

參考文獻

［1］ 王磊，胡久華，魏銳，等.化學項目式學習的課程、教學與評價系統(tǒng)研究——北京師范大學化學教育研究團隊20年研究歷程與成果［J］.化學教育（中英文），2022（16）：24-29.

［2］ 鄧銓.微項目學習在高中化學課堂教學中的實踐研究——以“化學反應條件的優(yōu)化”為例［J］.教育界，2020（23）：8-9，12．

［3］王志.棄風棄光，癥結何在？［N］.國家電網(wǎng)報，2015-12-24（001）.

［4］ 岑彬.“雙碳”背景下可再生能源發(fā)展中“棄風棄光”的問題及消納措施［J］.中阿科技論壇（中英文），2022（10）：60-63．

［5］ 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020．

［6］ 王晶，鄭長龍.普通高中教科書 化學 選擇性必修1 化學反應原理［M］.北京：人民教育出版社，2019．

［7］ 馮展博，孟凡玉.氫能儲運技術優(yōu)缺點比較分析及未來發(fā)展探討［J］.能源技術與管理，2023（4）：30-33．

［8］ 蔡昊源.電解水制氫方式的原理及研究進展［J］.環(huán)境與發(fā)展，2020（5）：119-121.

*基金項目：本文系新形態(tài)教材視域重構教師教育課程與科技創(chuàng)新實踐教學體系研究自治區(qū)高等教育教學改革研究與實踐項目（bjg2023072）、寧夏師范學院教育碩士專業(yè)學位研究生教學案例項目學科教學（化學）指向學科核心素養(yǎng)發(fā)展的中學化學單元整體教學與研究共同體構建、基于職前教師學科TPACK專業(yè)化發(fā)展的高中化學單元整體教學改革校級科研教改項目（NXSFZDC2001）的階段性研究成果。