基于STEM理念的“氢能迷你汽车制作”生态式实验活动

/H O N<；\l t HI \M F.教学参考2021年第3期
(总第537期>
课堂教学
基于S T E M理念的“氢能迷辦制作，，生态式魏活动*
孙华
(1广州市第八十九中学广东广州510520;2广西师范大学科学教育研究所广西桂林541004)
摘要：基于STEM理念和生态式实验理论，使氢氧燃料电池从理论走向实践，在将“太阳能一^氢能一►电能”的能 量储存过程中，模拟设计“只要晒晒太阳，白天晚上都能跑”的氢能汽车，在实践活动中构建和完善电化学知识，完成认 识进阶，并树立正确的能源观。

关键词：生态式实验；氢氧燃料电池;STEM理念;能量储存
文章编号：1002-2201(2021)034)012>06 中图分类号:G632.4 文献标识码:A
化学是“实验的科学”，也是“实践的科学”。

实验
不仅是化学学习的基本方法，更是化学实践的重要途径。

将书本知识与社会生活紧密结合，开展综合实验活 动，让学生在“做中学、研中学、学中用”，能让学生把学
习从课堂延伸到社会这个更广阔的领域中，拓展学习时 空，提升学习能力，发展学生核心素养。

本文以燃料电
池知识为载体，以实验活动探究为手段，带领学生创新
实验活动实践，以培养和发展学生学科素养。

从参加测查的185名学生中分别选取学优生、中等
生和学困生各5名（共15名）作为访谈对象，对他们进
行了“在完成实验室制备氢气的改进实验中观察到什么
神奇现象？能否推理出氧化还原反应过程中发生了电
子转移？”访谈。

约91%的学生表示看到氢气气泡在铜
丝的另一端产生感到很神奇，很多学生还能说出氢气是
由锌失去的电子从锌粒这端沿铜丝流动到了铜丝的另
一端与溶液中的氢离子反应形成的。

表明接受访谈的
学生“看见”了氧化还原反应中转移的电子，在观察思考
推理中感受到了氧化还原反应的本质。

反思以上教学实践总结了以下在高中化学教学中
进行深度学习的三条教学策略。

首先，诊断学生的知识
起点并准确把握课程标准中对应知识的内容与学业要
求及教学提示，整体规划和设计教学的目标-任务-活动。

其次，以帮助学生概念原理建构和学科素养发展为
出发点设计系列学习任务，将系列学习任务及评价贯穿
于课前-课中-课后，在活动情境中促进学生深度学习，
*广州市教育科学规划2020年度课题“非正式环境下化学‘州市青少年科技教育项目[编号:KP2020 - 15(市）]研究成果。

* *通讯作者，E-mail:380575359@。

_、燃料电池需要从纸面走向实境
燃料电池是高中电化学知识构建的重要知识点，也
是电池升级发展的必然趋势。

在四套现行教材中，除上
海试用本未涉及氢氧燃料电池外，其余三套均有介绍 (见表1)。

燃料电池种类很多，由表1可见，三套现行教
材中均重点介绍了氢氧燃料电池,给出了原理示意图和
电极反应式。

略有不同的是:人教版采用铂作电极，使
用酸性电解质，示意图中（见图1)采用了隔膜;苏教版
培养学生利用化学学科知识和思维解决真实问题的能力。

最后，制定的评价任务应是包含明晰的评价观测点、评价方法与结果呈现形式的可持续评价方案，前测
评价、过程中表现性评价和教学成效测查相贯通，合力
支持保障实施“教、学、评”一体化。

参考文献
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(本文编辑:甘泉）
项目式活动’创新实践”（编号=202012562)阶段成果;2020年广
课堂教予Jyi etang
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(总第537期〉中•教学参考
I I.J I A O M E <ANKAO
和鲁科版分别采用多孔金属和多孔石墨作电极（见图2、图3),均以氢氧化钾作电解质，无隔膜。

三套教材均停 留在理论层面的介绍，帮助学生理解氢氧燃料电池的基 本原理。

受气体难于被快速制备与保存,缺乏能用于燃 料电池工作的装置等条件的限制，很多教师只能选择理 论论述与抽象概括相结合的教学方式进行课堂教学[1]。

表1现行教材对燃料电池的介绍由于课本没有可供实操的实验，大多数学生对于燃料电 池的认识只停留在“没见过、没做过、只听说过”的印象 层面，没有真正的体验。

教育部颁布的《普通高中化学 课程标准(2017年版）》[2]，明确将制作简单的燃料电池 列为选择性必修课程的学生必做实验。

从理论走向实 践,需要将燃料电池从纸面走向实境。

教材出处 所属栏目
装置图文字介绍
人教版
《化学反应原理》第77页
正文
氢氧燃料电池以氢气为燃料，氧气
为氧化剂，铂作电极，使用酸性电
解质。

如图1所示,在负极室通人
H2，它在P t电极上被催化分解为
H原子，再失去电子成为H+进人
电解质溶液，透过隔膜，进人正极
室;在正极室通入〇2,经过P t电极
的催化，〇2、H+在正极上放电生成
H20。

反应如下:
负极:H2 -2e- =2H+
正极:1/2〇2 +2H+ +2e_ =H20
总反应:H2 +l/202 =H20[3]
苏教版
《化学反应原理》第16页
资料卡
图2氢氧燃料电池原理
氢氧燃料电池是以氢气为燃料，氧
气为氧化剂的燃料电池，其工作原
理如图2所示。

氢气、氧气分别在
多孔金属电极上发生氧化、还原反
应，其反应如下：
负极:H2 +20H_ -2eT =2H20
正极：1/202 +H20+2e_ =20H—
电池反应:H2 +l/202 =H20[4]
鲁科版
《化学反应原理》第25页
交流•研讨
ilL^S K O H
电极材■溶液
图3 氢氧燃料电池结构
图3为一种氢氧燃料电池结构示
意图，电解质溶液为KOH溶液，电
极材料为多孔石墨，氢气和氧气
(或空气）源源不断地通到电极
上。

请你写出该电池的电极反应
和电池反应。

氢氧燃料电池的电极反应如下：
负极:2H2 +40IT—>4H20+4e-
正极:02 +2H20+4e_—>40H~
电池反应:2H2 +02 =2H20[5]
二、生态式实验——化学实验的另一重境界
化学是以实验为基础的，学科大部分的理论和知识 都是从实验中获得并提炼而成的，化学所创造的新物质 也是通过化学实验而产生的。

生态学的先进理念不仅 为人类保护和建设生态环境提供了科学依据，也为化学 实验研究提供了一种思维方式。

虽然目前缺乏从生态学角度对化学实验的具体建 构，但相关的研究有绿色化学实验和生态化学。

何伟云 等[6]提出了绿色化学实验的概念，认为其就是以绿色化 学的理念和原则指导实验工作，使实验室的“三废”排放 降低到最低程度并能得到妥善处理，实验室的安全性和 环境质量得到提升,师生的绿色化学和环保意识得到强化。

沈世红[7]提到了生态课堂理念，如生态化学理念下 的化学课堂必须走出“课堂”，走向“现场”，创设化学的 场景，探索生态教学思路。

“生态式实验”不是“绿色化学实验”的代名词，而 是在“绿色化学实验”基础上的迭代升级，既包括“绿色 化学实验”的思想，又高于这一思想。

具体来说，“生态 式实验”就是指在进行化学实验时，不仅要“节约资源、保护环境”，使化学实验绿色化，从源头杜绝污染，提高 生态环保意识与责任，还要“以人为本、关注发展”，关注 人和自然的发展,关注人与自然、环境的和谐共生。

“生 态式实验”，既是一种保护环境、关注可持续发展的化学 技术，也是一种将生态学理念融人实验创新的探索。

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教学参考 2021年第3期I A(m E<A N K V<)■('®'®537W)
态式实验的实践，不仅旨在培养学生绿色低碳、安全环 保的观念，还旨在培养学生具有可持续发展的意识，能 对与化学有关的社会热点问题权衡利弊，做出正确的价 值判断，强化社会责任意识，赞赏化学对社会发展的重 大贡献并身体力行，等等。

“生态式实验”的内涵可概括为“两翼四维度六要 素”。

“两翼”即借助绿色化学思想和生态学的先进理念 来进行化学实验的设计和实施，这是“生态式实验”的两 个不同层面。

“四维度”是指设计和实施“生态式实验”的四个方向，即“安全环保、节约资源、持续发展、和谐共 生”。

“六要素”是指四个维度下对应的六个构成要素, 具体为零污染（从源头杜绝污染），无危险（无毒无害、安 全可靠），零排放（原子经济性力争100%、注重物质循环 利用），可简约（厉行简单节约节能、不浪费），应用实践 (注重实验的生活化与化学实验的学以致用），融合创新 (变废为宝与资源开发、综合利用）六个要素。

它们之间 的具体关系如图4所示。

图4 “生态式实验”的内涵解析——“两翼四维度六要素”
“生态式实验”是比“绿色实验”更为上位的一个概 念，它们是进行实验的两种不同境界，分别属于积极和 消极的处理方式。

正如绿化环境一样，消极的处理方式 是我不砍树，我不破坏森林;而更高境界的积极处理方 式应该是多种树，多开发一些适合在不同环境下生长、,有利于绿化环境的品种优良的好树。

绿色实验只是属 于下位的概念，其核心要素是零污染、无危险、零排放、可简约，即节约好资源，不对环境造成破坏即可，这类似 于绿化环境中的“不砍树”方式；“生态式实验”的核心 要素是应用实践和融合创新，关注的是如何学以致用，注重生活实践，来促进人与自然的可持续发展和如何开 发利用资源，以及变废为宝、综合利用，来促进人与自 然、环境的和谐共生，这类似于绿化环境中的“多种树”方式。

前者属于片面的思维和实践，后者属于系统的思 维和实践。

因此生态式实验”既是设计实验的一种思维方式，也是一种做实验的化学技术，更是一种可持续发展 的实验境界。

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根据不同目标及层次生态式实验”的内容可分为 项目式实验、生活化实验和趣味性实验三种（见图5)。

课堂教学
IV
图5 “生态式实验”的内容分类及目标
由于这是在“生态式实验”更高境界下定位的实验，趣味性实验并非纯趣味性的单一实验。

它可以是 以趣味实验为题材的“以小见大”式的寓教于乐。

同样，生活化实验也是如此，并非简单地揭示生活中的某 个化学现象，而是崇尚真理、学以致用，对社会热点问 题做出正确判断，是“借题发挥”式的科学普及。

项目 式实验是针对环境或生态，以融合创新的方式来进行 团队开发，感受化学对社会进步的贡献，并力争用实验 成果来改变社会，促进发展，这是“无中生有”式的创 新改变。

本项目针对“生态式实验”最高层级内容—
—项目 式实验开发，其任务是自制能量储存氢能迷你汽车，这 是在原有项目——自制航天器能量储存系统[8]上的拓 展升级。

三、STEM教育为实验活动提供策略支撑
STEM是科学（Science)、技术（Technology)、工程 (Engineering)、数学（Mathematics)四门学科英文首字母 的缩写。

STEM教育是一种学习方式，也是一种教学策 略，强调整合、融合。

“生态式实验”就是学以致用，将所 学科学知识和原理运用于生活实践之中，去解决生活中 的系列化学问题。

它不同于简单的教材实验创新改进, 也不同于化学实验的趣味化设计表演，而是运用化学实 验探究等系列学科思想方法，真心实意地做项目，去解 决富有挑战性的任务。

由于任务综合性强，富有挑战 性，需要综合运用各学科知识,有利于打破学科壁垒，培 养学生解决生活中具体化学实际问题的综合能力和创 造能力。

这正好契合STEM教育理念。

STEM教育就是一种贯通学科知识，联系真实世界，以问题为导向，以项目学习为方式，通过有趣活动和实 践让所有初级学习者以专业工程师的视角去做事和思 考，并真正参与到工程设计的问题解决实践中的理工科 思维教育。

结合化学学科特点，我们开展基于STEM理 念的生态式实验活动实践，去制作一系列实体模型，
在
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制作过程中探索、应用、修正对科学、技术、工程、数学等 领域的知识。

通过做中学、学中用，从而培养学生应用 跨学科知识与方法解决实际问题的实践能力和创新素 养;启迪好奇心，培养想象力，激发创造力，给孩子埋下 科学的种子。

跨学科教学能够充分体现科学世界的整体性，是培 养和发展学生整体素养、综合思维方式、创新精神和探 究能力的良好载体,能够帮助学生建立起各学科之间的 联系，使不同认知风格、个性迥异的学生都能得到良好 的发展[9]。

因此，在生态式实验实践活动设计中有必要 融合STEM思想，使学生能够综合运用多学科知识来解 决真实情境中的实际问题，从而落实发展学生的核心素养。

STEM理念指导路线如图6所示。

科学
(Science)
技术
^Technology)
工程
^Engineering),
数学
(Mathematics).
图6 活动的STEM理念指导路线
本活动的主要内容有：
① 迷你小汽车的结构及制作。

② 小汽车外观设计与美化。

③电解水原理及电解水二合一装置的制作。

④ 原电池原理及氢氧燃料电池的制作与创新。

⑤ 能量储存系统的设计及电路优化设计。

⑥网购部件的预算与选择。

⑦ 迷你小汽车功效评估。

活动具体内容与STEM的关系如图7所示。

网购部件的预算与选择^_电池容量的计斧 _
迷你小汽车功效评估Y
迷你小汽车的结构及制«
电解水装置的制作'
氢氧燃料电池的制作逢f烫f t裳
w电解水原理
^〇电池及氢氧燃料电池原理 於丧〜♦汽车运动原理
\电路原理
氢氧燃料电池的创新设计
>能量储存系统的设计
电路优化设计
'''S'气车结构优化设计
图7 活动具体内容与STEM的关系
四、能量储存氢能源迷你汽车制作
能源问题备受关注。

一方面,化石能源造成环境污 染并面临枯竭，新能源车终将取代燃油车。

另一方面, 现阶段的电动汽车并非“新能源”：三元锂电池的原料开 采、后期组装、报废电池的回收处理都会对环境造成影 响;从电力构成来看，充电所需的电力依旧大部分来自 有污染的热电厂。

能量转化率高且真正零污染的氢能 源将是人类的终极清洁能源。

1.实践活动的基本思路
在STEM理念的指导下，在“太阳能一>氢能一^电能”的能量储存过程中，模拟设计“只要晒晒太阳，白天 晚上都能跑”的氢能汽车，真正解决充电不用火电，放电 不用锂电，全过程零排放、零污染。

2.难点、重点、创新点
难点：由于氢气存在氢脆的特殊现象，即在超过一 定压力和温度情况下，氢气会逃逸到金属中，造成金属 材料的脆化，因此氢气不能像液化气一样利用钢瓶储运。

利用太阳能电解水得到的氢气如何储存就成了项 目的难点。

重点:如何进行电极的选择和优化、氢气的储存、使用合适催化剂提高氢氧燃料电池的放电效率;氢能迷你
汽车的功效评估。

创新点:①基于STEM理念开展化学实验活动，让前
沿科技可触摸，能亲近。

② 氢能源环境友好、能量转化率高，是人类社会的 终极清洁能源，树立环保意识和可持续观念，感受科学
技术对社会发展的影响。

③ 将前沿科技实验生活化，项目制作中主要利用生 活中的一些器材完成实验，如铅笔芯、废旧塑料瓶等，借
助网购零部件，人人均可参与，在家便可实施。

科学知
识生活化,可触摸、能感知、可实践、有温度。

④ 对氢燃料电池提高放电效率进行了一些可行性 探索，如电极外加海绵、活性炭吸附气体等。

⑤ 有效实现了能量储存，为解决能源危机和环境污 染进行了有效探索,项目具有广阔前景。

3.实施过程
(1)“自制氢能源迷你汽车”部分材料及工具：网购
迷你汽车零部件、小塑料瓶、导线、铅笔芯、热熔胶枪、海
绵、橡皮管、称量纸、活性炭等，如图8所示。

(2) 制作迷你小汽车:将网购的迷你汽车部件组装
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2021年第3期(总第537期）
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成小汽车，并加人驱动马达，如图9所示。

图8 “自制氢能源迷你汽车”部分材料及工具
图9
制作迷你小汽车
(3)制作活性电极。

把固体胶涂在称量纸上，以便
粘上活性炭。

再将连电线的铅笔芯或石墨棒用粘活性 炭的称量纸包扎好，或将铅笔芯插人海绵中，制成石墨 活性炭电极或石墨海绵电板，利用活性炭或海绵的吸附 作用吸附产生的气体，如图10所示。

图10制作活性电极
(4)用橡皮圈将导线和铅笔芯固定，再将铅笔芯包
在粘活性炭的称量纸内，用热熔胶将纸粘牢。

得到活性 炭铅笔电极，利用活性炭吸附作用，有效储存电解水产 生的氢气和氧气。

再放人塑料小瓶中，放入硝酸钾（或 硫酸钠）溶液制得电解水和氢氧燃料电池二合一创新装 置。

由于硫酸或氢氧化钾有强腐蚀性，本实验采用硝酸 钾作电解质，如图11所示。

图11制作电解水和氢氧燃料电池二合一创新装置(5)
用太阳能给氢氧燃料电池充电（电解水），实现 将太阳能储存为化学能（氢能）的目的，如图12所示。

(6) 组装好网购迷你小汽车，再将氢动力安装到车
身，得到氢能源迷你小汽车，如图13所示。

图13组装氢能迷你汽车
(7)产品初具雏形，试驾之前再好好检查、测试一 下。

小车威力真大，充电不到1 min ,小车竟能跑3 min ， 如图14所示。

太开心了！等技术成熟，我们做辆更大
的能坐人的氢能源小车，晒晒太阳就能跑，没有找充电 桩的烦恼，而且可实现能量的储存。

图14测试氢能迷你汽车
(8)迷你汽车参加展示交流，吸引了评委和观众的 眼球，得到了高度赞誉，如图15所示。

图丨5
展示交流
五、活动反思
1.有利于电化学知识的建构和认识进阶
学生在学习原电池知识时，往往会有许多的迷思概 念。

有时，这些迷思概念并未随着学习时间的延长而得 到明显的好转，有的迷思概念到了高三复习时仍然普遍 存在。

这说明目前普遍的原电池教学未能有效改变学 生对于原电池的迷思概念，所以，教学方式和思路有待 改变。

概括来说，学生对于原电池的迷思概念主要表现在 以下三个方面。

其一，对于电极材料的认识偏差。

由于在铜锌原电 池模型学习中，学生分析发现Z n 既是负极材料，
又参与
2021年第3期
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『教学参考
1一’(^卜'•-^ ZH O NC A l F H»l W H E J IA O X l.E <\N K A O 课纖，
了反应，于是错误地认为“负极材料必须参与反应”，还 认为“要构成原电池必须有活性不同的两个电极”，这是 对原电池构成要素分析不当和以偏概全。

其二，对于离子导体的认识偏差。

原电池内电路离 子的定向移动和外电路导线中电子的定向移动，共同构 成了闭合回路，才得以有电流的产生。

由于在铜锌原电 池模型学习中，学生分析发现H+移向正极并在正极得 电子，于是错误地认为“电解质溶液必须参加反应”“负 极必须和电解质溶液反应”“构成原电池的条件必须得 有电解质溶液”，等等。

殊不知，内电路的离子导体，关 键是能使离子定向移动。

其三，对于电池动力的认识偏差。

学生虽然知道原 电池是将化学能转化为电能的装置，而且是将一个氧化 还原反应分成两个半反应分别在两极进行，但并未能真 正理解“分别在两极进行”的含义,仍然认为氧化剂和还 原剂必须接触才能反应D
开展“能量储存氢能迷你汽车制作”实践活动，学 生在活动中使用的是两个石墨电极，采用的可能是硝 酸钾溶液或是其他固体电解质，还发现：氢氧燃料电池 中氢氧不接触、不燃烧、能发电，是绿色发电站。

在这 些活动中的亲身体验，能很好地纠正学生关于原电池的迷思概念，发展学生对原电池的认识角度，完善对原 电池的认识思路，提升概括关联、分析解释、复杂推理 等学科能力。

实践活动的开展，不仅解决了制作“只要 晒晒太阳，白天晚上都能跑”的氢能汽车的实际问题，而且促进了电化学知识的建构和氧化还原反应、电化 学模型的认识进阶。

如，借助特定的装置，可以“看 见”氧化还原反应中的电子转移；氧化剂和还原剂不接 触能在不同的区域发生反应；相同的电极材料也可以 作原电池的两极，电极材料不一定参与电极反应，附着 在电极材料上的氧化剂和还原剂可参与电极反应[W]，等等。

2.有利于树立正确的能源观，涌现立志献身科学的有志青年
作为元素周期表1号元素组成的单质，氢气在氧气 中燃烧具有很高的热值（14.3 xlO7J/kg),供能过程中 除了水没有其他副产物，完全清洁无害;更重要的是，氢 作为二次能源，能够以电解制氢的方式作为理想能量载 体，将太阳能、风能等不稳定、可再生能源产生的电力储 存起来。

这些优势，使氢能当仁不让地成为未来能源开 发的主体3氢能利用主要包括制氢、储氢、用氢三个环 节（见图16)。

最为成熟的化石燃料制氢仍然是目前制 氢的主要手段，占氢能产量的95%以上,但由于化石燃料的不可再生,亟待目前仅占4%的电解水制氢技术的 发展来取代其地位，试图将太阳能等不稳定可再生能源 通过电解水实现能量储存变为氢能，再以氢氧燃料电池 将氢能转化为电能实现用氢环节。

“能量储存氢能迷你 汽车制作”实践活动，在将“太阳能一►氢能一^电能”的能量储存过程中，模拟了制氢、储氢、用氢三环节，亲 身感受了氢能的魅力，让前沿科技可触摸，能亲近；更为 重要的是，实践内容的生活化，在实践中不断触摸前沿 科技,不仅能科普化学知识，使大众亲近化学，而且还能 动员更多优秀学子选学选考化学，献身科学事业，实现 人生价值。

图16 氢能利用的三环节
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(本文编辑：阳木）
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17。