浅谈高中化学可视化教学策略——以“微项目：设计载人航天用化学电池”教学活动为例

浅谈高中化学可视化教学策略——以“微项目：设计载人航天用化学电池”教学活动为例

魏惜珍   张奋

佛山市南海区石门中学 邮编：528200

摘要：笔者以“微项目：设计载人航天用化学电池”教学活动为例，通过将“可视化”教学策略应用于创设情境、展示思维过程、创新实验探究的教学活动实例，旨在向一线教师展示如何将“可视化”教学融入整个教学过程，以期为传统教学方式的改革和教学效率的提升提供有益的参考和借鉴。

关键词：可视化；情境；数字化实验；思维过程；实验探究；模型认知

１高中化学可视化教学的理论基础

皮亚杰的认知发展理论指出，高中生的思维已经处在形式运算阶段，是进行思维能力训练与培养的关键期。维果斯基强调教师在学生最近发展区内设计问题的重要性，通过问题解决过程促进学生的知识生成与思维培养。建构主义指出，学生的学习过程应是一个主动进行思维建构的过程，期间教师扮演着引导者的角色，应当始终关注着学生的学习动态变化情况。知识空间理论则聚焦于思维过程中的思维节点，通过构建学生关键学习路径、动态调整优化的方式，实现师生双方在思维顺序以及思维路径方面的有效匹配，从而提升教学质量。然而，在这一过程中，教师需要利用思维可视化工具来揭示学生的思维过程，明确学生解决问题的思维路径。高中化学的学习，不仅仅是关于元素、化合物、反应方程式等知识的记忆和理解，更是一种严谨思维逻辑的锻炼，要求学生具有扎实的理论基础、严谨的思维逻辑、良好的问题分析与解决能力，而思维教学的核心目标则是在复杂的思维活动中渗透核心素养的培养[1]。

２ 知识空间理论与化学可视化教学

思维教学，其核心在于针对“思维”本身展开教学活动，培育并提升学生的思维品质与学科素养。为实现这一目标，思维教学课堂必须创设具有启发性的情境，以引导学生积极投入到思考过程，引导学生运用已掌握的学科知识和能力，主动策划并实施解决问题的方案。一般而言，思维教学遵循创设问题情境、设计解决方案的程序。其中，方案设计环节存在着解决问题的关键节点。基于知识空间理论可知，这些关键节点均属于思维转折点，是学生思维能力的发展与培养的重点所在。

3教学活动中的可视化实例

可视化教学能够显著提升课堂教学中视觉元素的比重，通过强化视觉刺激的方式，将传统的单一听讲模式转变为听、看、动相结合的互动学习方式。这种转变丰富了教师的教学手段，以多样化的形式激发学生的思维活力，进而提升学生在课堂上的专注度和注意力的合理分配，是教学方法的创新发展。在教学过程中，教师应积极在创新理念指引下，重视各项教学活动的可视化设计，帮助学生从生动、直观的可视化教学中积累化学知识、掌握化学问题的解决方法。笔者以“微项目：设计载人航天用化学电池”教学活动为例，通过将“可视化”教学策略应用于创设情境、展示思维过程、创新实验探究的教学活动实例，旨在向一线教师展示如何将“可视化”教学融入整个教学过程，以期为传统教学方式的改革和教学效率的提升提供一些参考。

3.1情境创设可视化

教学情境的创设应紧密围绕教学实际需求，严格遵循教学目标和内容，同时结合学生的日常生活经验，构建出直观且具象化的场景或氛围。在此基础上，教师应深入发掘情境中蕴含的潜在信息，巧妙地提出化学问题，以激发学生的好奇心和求知欲，引导他们主动投入学习，进而达到最佳的教学效果。先前的教学中，学生已经掌握原电池的工作原理，并能应用原电池工作原理分析常用的化学电源及各种新型电源。为了让学生“温故”且“知新”，创设以下可视化情境：播放天舟五号货运飞船发射成功的视频，增强学生的民族自豪感，激发探究兴趣。化学电池是航天器上电能的重要来源，从而提出本节课的学习任务：设计载人航天器用化学电池微项目活动。进而抛出第一个探究任务：哪种电池最适合用于设计载人航天器用化学电池？学生一开始认为生活中用到的电池都适合，而忽略了航天运输成本高这一关键问题。此时教师给出数据，提示航天运输成本高这一关键因素，并通过资料卡片的形式列出常见的几种电池的参数，解释说明质量比能量的定义，供学生进行比较和判断，如图1。学生结合资料卡片进行讨论，最后得出结论，根据电池的质量比能量（单位质量的电极反应物放出电能的大小）选出氢氧燃料电池，单位质量输出电能较高，可节约运输成本。另有学生提出，氢氧燃料电池反应生成的产物是水，清洁无污染。此时教师鼓励学生大胆设想，水这一产物是否还有其他用处？学生马上想到，可将产物的水回收作为航天饮用水，同时氧气可以作为备用氧源供给航天员呼吸，使航天携带物资在种类上进一步简化。

3.2 思维过程可视化

“思维可视化”系指采用图形组织器等图示技术手段，将原本难以直观呈现的思维过程转化为可视化形式的过程。[2]由此可知，思维能力乃学习能力的核心要素，提升教学效果的关键在于深入探索知识背后的思维规律，并引导学生构建思维模型，进而将其应用于更广泛的化学实例分析环节。在确定航天器用化学电池的反应后，教师提出下一个任务，请学生利用实验室中常见器材和试剂，设计一个简易的氢氧燃料电池并画出装置图，写出电极反应式和总反应式并描述工作原理。此任务的设计意图在于让学生应用原电池的装置模型和工作原理来设计氢氧燃料电池，培养学生对原电池模型的初步应用能力。学生根据前面所学的氢氧燃料电池的知识很快就画好了装置图。从学生所画的装置图来看，电极材料都选择了石墨电极，两极分别通入氢气和氧气，不同之处在于电解质溶液分别选择了酸性、碱性或者中性溶液。学生结合自己所画的装置图来书写电极反应式和总反应式并描述工作原理。从学生的展示可以看出，酸性、碱性和中性电解质溶液的电极反应式略有不同，电池的总反应相同，工作原理也非常相似，比如描述酸性氢氧燃料电池的工作原理为：氢气在负极失去电子，电子经导线流向正极，氧气在正极得到电子，溶液中氢离子移向正极，硫酸根移向负极，形成闭合回路。不同的电解质溶液，主要区别在于溶液中移动的离子种类略有不同。教师进一步引导学生通过对比装置图，归纳氢氧燃料电池的构成要素，包括电极反应物：得失电子的物质；电极材料：得失电子的场所；电解质溶液：传导离子；电子导体：传递电子。

在教学活动中，通过灵活应用流程图、柱状图、模型图等图形化信息组织工具，以视觉化的方式呈现思维过程，能够帮助学生更好地理解和掌握抽象的、微观的、零散的化学知识。而且，这种教学方式还有助于学生迅速将新知识融入原有的知识体系，构建个性化的知识网络，并将其整合至自身的元认知结构中，从而有效培养学生的高阶思维能力[3]。

3.3 实验探究可视化

手持技术（Hand-held Technology），亦称为掌上实验室（Lab In Hand），是一种结合计算机与微电子技术的先进数字化实验工具，主要由计算机、数据采集器及传感器、配套软件组成。将手持技术引入中学化学实验教学与研究性学习之中，能够深刻改变学生的学习行为方式，促进学生创新意识的培养，体现了新一轮基础教育改革的思想和理念[4]。
借助于可视化的学生活动可更好地突破教学难点，手持技术数字化实验可以非常直观而且准确地呈现数据的变化。为了测试学生设计的简易酸性氢氧燃料电池的工作效率，由教师进行演示实验，先电解稀硫酸溶液制取少量氢气和氧气，如图2。再拆除电源，将电流传感器和数据采集器接入电路中，利用电流传感器测定氢氧燃料电池工作时的电流变化，如图3。利用数据采集器将原电池工作时的电流数据传输到电脑中，并将计算机软件上记录的电流数据和图像利用手机投屏投影在上课用的大屏幕上，直观而准确地向学生呈现出电流的大小和变化。学生可以清晰地看到其电池一开始约为0.1A，很快电流逐渐减小，可见此简易的氢氧燃料电池供电时间较短，如图4。

教师进一步提出问题：此简易氢氧燃料电池的电流慢慢减小，直至接近于0，此时U型管中还剩余氢气和氧气。没有产生电流的原因是什么？学生进行小组讨论，有的学生推测可能是氢气和氧气的浓度太小；有的学生推测可能是产生了水，电解质溶液浓度变小，导电性变差。很明显这两个原因都很难解释得通。于是教师引导学生从电极反应式去深入理解氢气和氧气需要吸附在电极表面，接触电解质溶液才可以发生反应。进而提出问题：为了增大电池的电流，延长电池的工作时间，如何解决以上问题？此时学生真实地认识到优化电池装置的重要性，极大地激发了学生的探索欲。学生通过探究氢气和氧气仍然剩余时电流接近于0的原因，弄清氢气和氧气需要吸附在电极表面，接触电解质溶液才可以发生反应。对优化电极材料提供了思考的角度。学生进行小组讨论，提出将氧气和氢气储存起来，再通过导管连续的通入电极，同时增大气体与电极的接触面积，增加电极的吸附能力。教师先是肯定学生的想法，再引导学生思考什么东西吸附性强？其结构要有什么特点？学生马上联想到活性炭的多孔结构可以增加吸附性。教师继续引导思考，电流小说明反应速率慢，如何加快反应速率？还可以考虑哪些加快反应速率的因素？学生又想到了催化剂。于是教师给出一则资料卡片：金属铂、镍对燃料电池反应有催化作用; 铂的化学性质稳定，镍在稀酸中可缓慢溶解，耐强碱;铂的价格比镍高。并提出下一个探究任务：请根据资料卡片优化电池的电极材料。学生经过小组讨论得出，要根据溶液酸碱性选择电极材料，并且结合前面的讨论，做成多孔碳载电极，这样既保证了吸附和催化效果，又降低了成本。

在优化了电极后，还需考虑是否不同的电解质溶液，电池效率也会不同？教师给出一则资料卡片：摩尔电导率越大，溶液导电性越好，电池工作效率越高。并给出在298K时，无限稀释溶液中几种离子的无限稀释摩尔电导率，如表1。提出下一个探究任务：请小组讨论如何选择电池的电解质溶液。学生经过讨论，选择阴阳离子电导率高的盐酸、硫酸、氢氧化钾。不选用中性溶液，因为电导率低。教师进一步补充，其实盐酸易挥发，硫酸溶液腐蚀性强，综合考虑可选用KOH溶液，则结合前面的讨论，电极材料应选择碱性溶液对应的碳载镍电极。此部分的设计意图是帮助他们运用影响反应速率的因素，包括使用催化剂和 增大氧气浓度来考虑优化电极材料的角度。同时考虑电极材料与电解质溶液之间的关联，体会真实的设计需要综合多种因素考虑。

为了让学生形成完整的设计，教师提出新的探究任务：请学生根据前面的分析，画出优化后的碱性氢氧燃料电池。邀请一位学生在黑板上画出装置图进行展示，并讲解其各部分的作用。教师对装置的细节进行评价，其中电极要完全浸入电解质溶液中，气体以一定流速通入气体通道，与多孔电极充分接触。引导学生关注设计时的细节：氢气和氧气应以合适的流速通入，电极材料需要完全浸入电解质溶液中。帮助学生建立电池总反应与电解质溶液之间的关联，培养善于分析新问题并勇于解决新问题科研精神。

以KOH为电解质溶液的氢氧燃料电池，在工作一段时间后会出现电池效率降低的问题，你认为可能的原因是什么？如何解决这个问题？通过查找资料了解到，由于制备工艺的问题，液氧中混有少量二氧化碳。学生通过小组讨论分析原因：①生成的水会稀释电解质溶液； ②氢氧化钾溶液会与二氧化碳反应；都会导致电池内阻增大，从而降低电池的工作效率。教师引导学生寻找解决以上问题的方法。学生通过小组讨论，大胆提出以下想法：①附设电解质溶液循环系统。既便于浓缩电解质溶液或补充电解质，又便于更换已污染的电解质溶液；②负极一侧的气体出口设置冷凝装置，将水回收利用。学生体验到设计和优化的意义，也体验到应用化学知识解决实际问题的乐趣。

那么，氢氧燃料电池是否还有更大的优化空间呢？以KOH为电解质溶液的氢氧燃料电池运输成本仍然比较高，科研人员一直致力于研究更轻便的离子导体。随着新材料的研究，于是就有了质子交换膜的面世。质子交换膜是一种固体高分子材料，厚度仅有几十至几百微米，含有酸性基团，被水润湿后可电离出氢离子。该膜只允许H+通过, 不允许OH-通过。结合本节课所学知识，用润湿的质子交换膜替换KOH溶液，指导学生设计一个能长时间工作的氢氧燃料电池，标出回收水的装置应安装在哪一极。学生画出装置图，选用酸性条件下适用的多孔碳载铂电极，根据电极反应判断水在正极生成，所以回收水的装置应安装在正极。

教师播放质子交换膜氢氧燃料电池工作视频。引导学生将自己设计的与真正投入使用的质子交换膜氢氧燃料电池进行比较，质子交换膜氢氧燃料电池相比碱性氢氧化钾燃料电池的优势是什么？体积更小，质量更轻，可降低航天运输成本。工作时长达 57000小时（碱性：5000小时 ）。电解质不与二氧化碳反应，可直接用空气作反应物（比如氢能源的汽车）

教师播放“我国成功完成空间燃料电池首次在轨实验”。总结设计载人航天器用化学电池的思维模型。使学生感受到新材料的发展对电池性能再升级所带来的巨大影响。通过设计质子交换膜氢氧燃料电池的装置示意图，探查本节课上学生原电池模型的要素关联水平和模型应用水平是否有所增长。

由氢氧燃料电池的工作原理到最后设计成一个实用的航天器用化学电池凝聚了科研工作者多年的研究心血，学生通过这节课多项学习任务的落实对此有了更深的体会。培养学生对科研工作的崇敬之情，形成思维模型，提升学生的化学学科素养。

4 教学反思

本节课从播放“天舟五号货运飞船发射成功”的视频，提出设计载人航天器用化学电池这一微项目活动。学生想到自己课堂所学的化学能与电能的知识能够真实地应用在宏伟的航天器电池的设计上面，顿时跃跃欲试，有了浓厚的兴趣。此时教师给学生提供一定的研究思路，将微项目分割成几个层层递进的探究任务。同时为学生提供合适的学习脚手架，比如各种必要的资料卡片，作为研究的参考依据。整节课中以学生为主体，教师充分发挥指导的作用，给足学生讨论的时间，给够学生展示的机会，实现思维的可视化，重视知识的生成过程。尤其是通过手持技术数字化实验，直观地展示了实验室简易氢氧燃料电池的缺陷，引导学生挖掘原因，为装置在细节层面的优化提供了依据。

可视化教学作为一种创新型教学模式，在凸显学生思维路径、建立化学知识体系内在关联、整合碎片化知识方面，均展现出了显著的优势。通过可视化教学手段，化学知识得以直观、生动地展示给学生，激发了学生的化学学习热情，增强了学生运用化学知识分析与处理问题的能力，在化学教育领域的应用具有巨大的潜力和价值。

学生在“知识-思维-模型-应用”过程中，不仅深化了对知识的理解，还锻炼了合作和创新能力，促进了关键能力的发展。这一过程不仅为学生的未来奠定了坚实的基础，也为他们成长为具有全面能力的优秀人才提供了有力的支持。

本节课不足及遗憾之处，由于没有质子交换膜这一实验器材，无法让学生进行质子交换膜氢氧燃料电池，无法真实地感受质子交换膜这一关键材料给氢氧燃料电池的工作性能上带来质的飞跃。建议有条件的学校可以安排学生实验。

参考文献

[1]王帅.国外高阶思维及其教学方式[J].上海教育科研，2011（09）：31-34

[2] 刘濯源.当学习力遇到思维可视化——基于思维可视化的中小学生学习力发展策略[J]. 基础教育参考，2014(21):7-10

[3] 赵国庆，杨宣洋，熊雅雯. 论思维可视化工具教学应用的原则和着力点[J]. 电化教育研究，2019,(09):59-66

[4] 刘濯源.思维可视化：减负增效的新支点[J].中小学管理，2014（06）：10-13