点击浙版《化学实验活动与探究》教材——谈氢氧燃料电池的制作实验，本文主要内容关键词为：燃料电池论文,化学实验论文,教材论文,谈氢氧论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
浙江教育出版社出版的《化学实验活动与探究》必修（全一册）作为浙江省普通高中新课程高一年级化学实验教材（以下简称“《实验》教材”）自2006年使用至今。该《实验》教材依苏教版《化学1》《化学2》两本化学必修模块中的专题和单元顺序，以教科书中的“活动与探究”“观察与思考”两个栏目中化学实验活动怎样开展为线索进行编写。我们在高一年级化学课的教学中，学生的化学实验活动与探究就是依据该《实验》教材并与浙江省地方性课程资源《化学实验手册》（浙江科学技术出版社出版，以下简称《实验手册》）配合使用，进行学生的分组实验教学的。通过该《实验》教材的使用，我们感觉到其体现了“新课程的先进教育理念；遵循科学探究的一般规律，符合学生认知规律；有利于学生自学，为学生学习提供帮助”。在该《实验》教材中也提出了很多新的实验方法或改进方法，也提出了不少方法简便、试剂易得，仪器装置可用日常用品替代的补充实验方案，激发了学生自主探究的积极性。但笔者也发现该《实验》教材中还有需要完善的内容，今以“用常见材料制作简易电池”实验为例进行探讨，以期得到专家和同行的指教。
《实验》教材中“用常见材料制作简易电池”的实验活动方案设计里，给出了如图1所示的实验装置图，我认为该图中存在多处值得商榷的内容。
1.将电阻的图形符号当作发光二极管图形符号使用。尽管在电阻的图形符号旁标注了“发光二极管”的字样，但这仍是欠妥的，因发光二极管有其专门的图形符号和文字符号（见图2）。
2.将发光二极管（或直流电源）的正负极接反。发光二极管如同其他二极管，其管脚是有正、负极之分的，只有正极与电源的正极相接，负极与电源的负极相接，并且外接电压在其发光电压范围内才会发光。《实验》教材在本实验的“实验操作规范”中还特别强调了“根据上图接好装置，特别注意电源、发光二极管的正负极的连接方向”，然而给出的装置图中“电源、发光二极管的正负极的连接方向”却是错误的。
3.将图下的文字注释中的燃料电池标为“燃烧电池”。还要提及的是：①本实验的装置中使用的两根多孔碳棒电极是同质的，但该装置图（见图1）中将两根同质的多孔碳棒电极采用不同颜色表示；②在“实验活动方案设计”中提示：“多孔碳棒电极由实验提供”；③在本实验的“深入探究建议”栏目中的两个相关的示意图中（见下页图3），在铜锌原电池中以浅色表示铜电极，以深色表示锌电极，可就在相邻的水果电池图示中又用浅色表示锌电极，而以深色表示铜电极。凡此种种，作为教材都显得不够严谨和规范，建议再版时能够进行适当处理和修正。这里顺便指出：在《实验》教材第49面“化学能转化成电能的实验”的一幅铜锌原电池示意图中有将锌电极误标为铜电极的情形，应予更正。
《实验手册》在该实验中将装置图一分为二，但也有与《实验》教材类似的情形：以电阻的图形符号当作发光二极管图形符号使用，所不同的是发光二极管的连接没有标示其正负极（下页图4）。唯苏教版《化学2》中该装置图是正确的，但其绘制的发光二极管是实物外形图。同一个内容，高一年级的三本教学用书三个样，各不相同，不进行甄别和纠正，就会使学生预习和进行实验时不知所措，即便“照猫画虎”地进行了连接，也不知其所以然，连接的正确与否也全然不知。故笔者认为在《实验》教材中给出一个正确的以发光二极管图形符号绘制的装置图很有必要。
新课改中“制作简易电池”实验被我省列为高一年级《化学2》学生必做实验。该实验中选用发光二极管作为燃料电池存在电势差和放电的指示灯，起着反映电池制作实验成功与否的直观指示作用。为有效防止发光二极管在实验中管脚折断和连接中短路等情况的发生，我们用敷铜板制作成2.5 cm×6 cm的印刷电路板当作“灯座”的方法非常有效：将发光二极管焊接到电路板上，标出正负极，再焊上导线，由该导线进行连接，这样也使发光二极管相对固定，便于观察。我们选择了发光电压为1.7 V、电流为0.6 mA“白发红”和“白发绿”（即塑封壳是无色透明的可发红光或绿光）的两种发光二极管，选择“Φ5”（即塑封壳直径为5 mm）规格的发光二极管，可在发光时看得更清楚。不通电时发光二极管外壳是无色透明的，可以看到其内部结构，使学生观察到发光二极管内部的大致结构，有利于帮助求知欲强的学生了解和掌握发光二极管极性的判断和连接方法。通过实验，当学生看到自己动手制得的燃料电池使得发光二极管发出不同颜色的光时，会感到非常好奇和兴奋，很好地激发了学生对相关知识进行探究和学习的积极性和自觉性。
实验中，我们改用一个双刀双掷开关进行电路连接，可使得实验操作更为方便和简洁（见图5）。连接装置进行实验前，先将“刀”置于中间，使之处于断路状态，告诉学生将“双刀”分别连接燃料电池的两根电极，开关的B端的两个接线柱连接发光二极管，开关的A端的两个接线柱接直流电源，并且使电源正极与发光二极管的正极在双刀双掷开关同侧对应，电源负极与发光二极管的负极对应。与电源正极和发光二极管的正极对应的同侧的“刀”所连接的就是燃料电池的正极，另一侧的“刀”所连接的就是燃料电池的负极。连接好检查无误后，打开直流电源开关，调整输出电压为4 V，然后将双刀双掷开关铡刀合向接直流电源的一端，这时开始电解硫酸钠溶液（即对简易电池“充电”），几秒钟后就可看到在碳棒表面上产生了大量的气泡。约半分钟时将双刀双掷开关铡刀合向接发光二极管的一端，断开了直流电源，燃料电池与发光二极管接通，就会看到发光二极管起辉发光（即燃料电池“放电”）。在这个过程中，有电能转变为化学能，化学能又转变成电能，电能转变为光能等的一系列变化，而由化学能又转变成电能的过程正是我们制作的简易燃料电池的实现。
实验中我们用50 mL的烧杯为容器，直径为8mm的碳电极相距18 mm，以4 V电压电解0.5mol/L 
溶液。20 s后笔者用万用表测量了制得的燃料电池电压约2.8 V，瞬时短路电流可达250 mA，比铜锌原电池的电压要高。由于实验中制得的燃料电池电压约在2 V左右，只要选用起辉电压不高于2 V的发光二极管就可使用。
对于这个实验，讲清原理不应忽视。由于前面提到的几本书中对制得的燃料电池的正负极均未提及，因此讲原理时还应把简易电池的正负极交代清楚（在此也建议苏教版《化学2》中将该装置图上标注一下燃料电池的正负极）。实验之所以选用发光二极管，正是利用了其比小灯泡耗电少得多的特点，使发光时间相对较长而便于观察。故实验成功的关键是选择好起辉电压适宜的发光二极管和发光二极管的正确连接。鉴于尚有一些化学教师对发光二极管不太熟悉，因此，简单了解发光二极管及其极性的判断和正确连接方法，对指导学生顺利进行该实验很有必要。发光二极管简称“LED”（Light-Emitting Diode），其图形符号及内部结构示意图如图2所示。由于发光二极管可发出红、黄、蓝、绿等多种颜色的光，体积小、重量轻，而且耗电量很小，有不同的发光电压范围，被广泛地用作电子仪器的指示灯。除将发光二极管的外壳制作成红色、绿色、黄色等之外，也有环氧塑封壳是无色透明的。发光二极管中的发光材料不同，所发的光不同：砷化镓LED发红外光，磷化镓LED发绿光，磷砷化镓LED发红光，碳化硅LED发黄光。通常商品发光二极管的管脚一根长一根短，长的是正极，短的是负极，在塑壳底部也会为负极作缺口标记，见图2乙。如遇无法判断LED管脚的正负极及能否发光的情况，最简单的办法是用一枚3 V的纽扣电池，以LED的两管脚分别同时快速接触纽扣电池的正负极，当二极管发光时，与电池正极相触的就是LED的正极。在纽扣电池正常的前提下，如果对调接触均不能发光，则可能LED有问题。正规的方法是借助万用表，以R×100或R×1 000档测量正反向电阻来判断并可确定其好坏。
通过几年的新课程实践，我们欣然感到新课程教材的新变化：一改以往化学实验过于“学术化”“技能化”的倾向，更加贴切生活，注重实用。同时我们也意识到：教材是学生学习新知识的重要依据，其示范性、严谨性将会影响学生在实验过程中的各种体验、感受和感悟；其规范性和科学性将对学生良好的实验态度、情感和正确价值观的培养起到积极的作用。所以，提高教材质量和提高教学质量同等重要，是我们教育工作者共同的希望和追求！