1. 项目主题内容分析
跨学科教育理念强调打破传统学科间的界限，推动不同学科之间的交流与合作，以提高将不同学科知识整合应用到复杂问题解决中的能力。《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》[1]在“教学与评价建议”模块明确指出：“教师应该重视跨学科内容主题的选择与组织，加强与各学科的联系，引导学生在更宽广的学科背景下认识物质及其变化的规律，拓宽视野，开阔思路，提升问题解决的能力及素养。”
项目式教学是一种将学生置于学习核心的教学模式，在项目式学习活动过程中，学生和教师紧密合作，集中关注复杂问题的解决[2]。项目式教学的实施起点以旧知识为基点，在项目学习中获取知识，在问题解决中发展素养，是唤起学生对未知探索欲、提升关键能力和必备品格、培养学生化学核心素养的重要途径。
在知网中以“跨学科”、“项目式教学”和“化学”为主题搜索，发现国内将“跨学科教学”和“项目式教学”应用在化学教学中的研究并不多，2020年以后才有相关文献发表，到2024年的文献数量也不过二十余篇。杜博[3]基于证据推理与模型认知素养进行“原电池”教学，将物理中有关电路的知识与原电池知识结合，充分发挥了跨学科教学的优势所在。马任永等[4]以“探究硅太阳能电池发电原理”为项目主题，在一定程度上发展了学生认识物质性质的思维模型，实现了知识的系统化和结构化，促进了化学大概念的形成，落实了化学学科核心素养。吴冰玉[5]以“自制安全矿灯”为项目主题，融合历史、物理等课程相关内容，带领学生重走科学家戴维之路。唐劲军等[6]将跨学科的项目式复习与发酵食品制作、食品风味探索、文化感受的流程相结合，运用地方特色“酸笋”引起学生学习兴趣。况钎册[7]以“揭秘2019-nCoV抗原检测原理”为总任务进行项目式教学实践，深入挖掘项目任务中和物理、生物、化学工程与工艺等方面的关联知识。近些年来，越来越多的学者及教师逐渐认识到跨学科项目式教学对于提高学生核心素养所起到的关键作用，但多学科的深度融合及项目式的教学方式与化学课堂的碰撞依旧需要我们不断探索。
“自制蓄电池”的相关知识涉及鲁科版高中化学选择性必修1第1章第2、3节《化学反应与能量转化》[8]，是高中化学中重要的理论知识。它包含氧化还原反应、电解质溶液等知识，对理解化学反应能量转化及物质转化有重要意义。此外，还涉及物理、环境、金属防腐等多学科内容，是进行跨学科融合项目式教学的良好载体。本研究以“自制蓄电池”为本次项目式教学的主题，设置不同的项目任务，引导学生调查常见电池类型、探究不同的电池及其充放电原理并自制蓄电池。学生在小组合作探究、实验验证过程中融合物理、生物、技术等学科知识，设计改良蓄电池的方案，并制作蓄电池进行展示。教师在任务实践中教导学生学习化学反应与能量变化的相关知识，培养学生实践能力和探究能力，促进学生核心素养的提高。
2. 项目教学目标
1) 通过铜锌原电池电压减小的分析和优化，基于物理和生物学科的知识进行推理，完善原电池模型，形成对于原电池发展到化学电源基本历程的认知模型。
2) 通过蓄电池充放电原理的分析，了解到化学变化的本质不仅是有新物质的生成，更伴随有能量转化。能从宏观(能量变化)和微观(离子反应)相结合的视角解决实际问题。
3) 通过对电解氯化铜溶液、饱和食盐水中电极反应的分析，认识离子在电极上的放电顺序。
4) 通过自制铅酸蓄电池并使用，体会科技发展带给人类社会的便利。
3. 项目任务及教学流程
设置“自制蓄电池”项目，分为调查电池、探究蓄电池放电原理、探究蓄电池充电原理、自制蓄电池四个任务，以化学反应与电能中所涉及的原电池、电解池内容为知识线，以学生为主体，设置一系列任务活动和实验引导学生积极主动进行探究与思考，充分锻炼学生动手操作能力与学科融合能力，让学生亲身经历真实生活情景下解决问题的全部流程，促进学生核心素养的发展(图1)。
Figure 1. Educational value of the project
图1. 项目育人价值
4. 项目实施过程及学生学习成果
4.1. 课前任务：调查常见电池
【情境导入】科技飞速发展，各种电子设备充斥在我们生活的每一个角落，从手机、笔记本电脑到电动汽车，这些设备都离不开电池的支持。课前同学们已经查阅并收集生活中常见的电池类型、工作原理及应用。请同学们以小组为单位汇报一下你们的调查结果吧。
【学生汇报】通过查阅资料并结合高一所学原电池知识，总结常见电池种类主要有燃料电池、干电池、充电电池等，如表1所示。
4.2. 探究蓄电池放电原理
1) 活动1：探秘原电池结构缺陷，优化结构模型
【提出问题】铜锌原电池包括有哪些结构？
【学生归纳】铜锌原电池的结构及各部分的作用。
Table 1. Teaching process of project
表1. 教学流程
项目任务 |
学生活动 |
教师支持 |
设计意图 |
任务一：
调查常见电池 |
1. 小组查阅生活中常见的电池
种类及原理。 2. 小组课上汇报展示。 |
1. 点评、补充学生的整理
成果。 2. 展示自制的蓄电池。 |
提高学生搜集整理提取信息能力，培养学生关注社会热点的科学态度与社会责任。 |
任务二：
探究蓄电池
放电原理 |
1. 回顾归纳铜锌原电池结构。 2. 探秘铜锌原电池结构缺陷，
认识盐桥。 3. 依据物理知识，优化盐桥，
熟悉隔膜电池。 |
1. 提供实验仪器和药品。 2. 引导学生分析单液原电池
结构缺陷，完善电池结构。 |
融合物理知识，培养逻辑思维与
动手能力，提高科学探究与创新
意识，完善电池模型。 |
任务三：
探究蓄电池
充电原理 |
1. 连接蓄电池电极充电，初步
认识电解池。 2. 通过电解水、电解饱和氯化
钠溶液、电解氯化铜溶液认识
了解离子的放电顺序。 |
1. 提供实验仪器和药品。 2. 讲解电解池的电解原理。 3. 归纳总结离子放电顺序。 |
利用物理知识进行实验探究化学
问题，树立应用学科融合思想，
培养解决问题能力。提高归纳模型结构与知识建构意识。 |
任务四：
自制蓄电池 |
1. 设计蓄电池的制作方案
并画出实验装置图。 2. 制作蓄电池。 |
1. 引导学生设计蓄电池。 2. 协助学生解决蓄电池制作
中的问题。 |
锻炼学生知识迁移能力，
培养创新能力。 |
【教师提问】原电池使用过程中，电压会变化吗？
【学生实验】学生分组搭建原电池，并利用电压表电压的变化。
【学生汇报】铜锌原电池的初始电压为1.8 V，电压逐渐减小(图2)。
(a) (b)
Figure 2. (a) Schematic and (b) apparatus diagram of copper-zinc galvanic cell
图2. 铜锌原电池的(a)示意图和(b)装置图
【教师引导】造成电压减小的原因是什么？
【学生猜测】根据物理学知识，电池的电动势E不变，外电压U = E−Ir，推测是内阻在不断增加，原电池可能发生其他副反应。
【学生推理】仔细观察电池装置，发现锌片表面有暗红色的物质生成(图3)，可能是锌片和硫酸铜直接接触生成的铜覆盖在表面，形成负极上的微电池，阻碍了锌离子的迁移，使得内阻增大。
【教师引导】怎样才能获得稳定且较大的电压？
【学生讨论】避免硫酸铜与锌片直接接触，但需要找一个可运输并连接离子的物质。
Figure 3. Photograph of zinc sheet of copper-zinc galvanic cell
图3. 铜锌原电池的锌片电极照片
【教师讲解】英国科学家丹尼尔就是基于这种思考，提出了双液原电池这一模型，而这种“可运输并连接离子的物质”就是盐桥。盐桥是溶有饱和KCl或KNO3的琼脂，是一种固体电解质，阴阳离子可以在其中迁移，从而将2种电解质溶液连接起来。
【学生实验】按照图4(a)所示的装置，搭建带盐桥的双液原电池，连接电路，观察电压表。
【学生实验汇报】发现电压为1.4 V，很稳定，但比加盐桥前的初始电压小。
【教师引导】根据物理知识想一想，这是为什么？
【学生猜测】电池内阻过大，使得电压小。
【教师引导】考虑电阻的影响因素，如何减小盐桥的电阻？
(a) (b)
Figure 4. (a) Schematic and (b) apparatus diagram of copper-zinc galvanic cell with salt bridge
图4. 带有盐桥的铜锌原电池的(a)示意图和(b)装置图
【学生讨论】应该减小盐桥的长度，增加它的表面积进行改造。
【教师讲解】根据这一想法，可以用隔膜代替盐桥，得到一个内阻更小的电池(图5)。隔膜能将两极区隔离，阻止两极区产生物质接触，防止发生化学反应，同时，允许离子通过，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
2) 活动2：认识蓄电池的放电原理
【教师提问】展示自制铅酸蓄电池(图6)，正极为二氧化铅，负极为铅，电解质溶液为硫酸溶液。它的放电原理是什么？
Figure 5. Schematic diagram of copper-zinc galvanic cell with separator
图5. 铜锌隔膜电池示意图
1：导线；2：铅皮；3：脱脂棉；4：硫酸溶液
Figure 6. Apparatus diagram of handmade lead-acid battery
图6. 自制的铅酸蓄电池
【学生讨论】分析蓄电池的电极反应。
【教师追问】脱脂棉起到什么作用[9]？
【学生猜测】可能是隔膜作用，并实验验证。如图7所示，同样充电后，没有加棉花的蓄电池电压为3.5 V，且逐渐下降，而加棉花的蓄电池电压稳定在3.8 V。有隔膜(脱脂棉)的蓄电池比无隔膜的电压更稳定。
(a) (b)
Figure 7. Voltage of copper-zinc galvanic cell (a) without and (b) with separator
图7. (a)无隔膜电池和(b)有隔膜电池的电压
【教师引导】归纳总结蓄电池的结构及放电原理(表2)。
【教师补充】在自制的蓄电池中，我们可以采用脱脂棉这一常见物品作为隔膜，但因其耐酸碱性并不强，在实际的生产中并不适合作为隔膜。生活中常见的电池大多采用聚烯烃类的材料，例如聚乙烯、聚丙烯等等。
Table 2. Components and functions of lead-acid battery
表2. 铅酸蓄电池结构
系统构成要素 |
各部分的作用 |
反应方程式 |
电极材料 |
负极：铅(Pb) |
失电子场所 |
发生氧化
还原反应 |
Pb − 2e⁻ +
= PbSO4 |
正极：二氧化铅(PbO2) |
得电子场所 |
PbO2 + 2e⁻ + 4H⁺ +
= PbSO4 + 2H2O |
离子导体 |
电解质溶液：硫酸溶液(H2SO4) |
传导离子 |
形成闭合回路 |
电子导体 |
导线、正负极材料等 |
传导电子 |
隔膜 |
玻璃纤维布(或脱脂棉) |
迁移离子 |
4.3. 探究蓄电池充电原理
1) 活动1：探究充电原理，认识电解池结构
【教师】蓄电池使用一段时间后，电量耗尽，需要充电才能继续使用。对蓄电池进行充电，电池中会发生什么变化呢？
【学生分组实验】充电过程中电极表面有小气泡产生，猜测发生了化学反应(图8)。充电后的蓄电池恢复原来的电压，可以点亮小灯泡。
【教师讲解】这一过程就是电解。将直流电通过熔融电解质或电解质溶液，在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程叫做电解。电解时，电源向反应体系提供电能，电能转化为化学能而“储存”在反应产物中。这种将电能转化为化学能的装置叫做电解池。
【教师】展示电解水装置图。引导学生认识电解池的阳极和阴极，要求同学们总结出电解池的结构。
【学生归纳】完善电解池装置构成。电解池结构如表3所示。
(a) (b)
Figure 8. (a) Diagram of lead-acid batter charging apparatus and (b) detailed view
图8. 铅酸蓄电池充电的(a)装置图和(b)现象放大图
Table 3. Components and functions of electrolytic cell
表3. 电解池的结构
系统构成要素 |
各部分作用 |
电极 |
阳极 |
发生氧化反应 |
发生氧化还原反应 |
阴极 |
发生还原反应 |
电源 |
正极 |
连接阳极 |
提供电能 |
负极 |
连接阴极 |
离子导体 |
电解质溶液 |
传导离子 |
形成闭合回路 |
电子导体 |
导线、电极等 |
传导电子 |
2) 活动2：探究电解时离子的放电顺序
【教师提问】电解电解质溶液，比如氯化铜溶液时，阴、阳极会发生什么反应呢？
【学生实验】提出猜想，设计实验验证。利用表面皿、碳棒、淀粉碘化钾试纸及学生电源进行实验。实验如图9所示。
1：直流电源；2：石墨棒；3：氯化铜溶液；4：湿润的碘化钾试纸
Figure 9. Apparatus diagram of for the electrolysis of copper chloride solution
图9. 电解氯化铜溶液的装置图
【学生总结】在电解氯化铜实验中阳极产生气泡，淀粉碘化钾试纸先变蓝后褪色，认为产生了氯气，阴极有铜析出(图10)。
【教师追问】如果电解饱和食盐水，也会像氯化铜溶液一样在阴极析出金属单质，在阳极产生氯气吗？还是会发生其他反应？
【学生分析】小组讨论，猜测阳极会产生氯气。1、3小组认为阴极产生钠单质，钠单质紧接着与水反应；2、4、5等小组认为是氢离子反应生成氢气。
【教师演示】视频播放电解饱和食盐水实验。
【学生讨论】总结现象，得出结论。Na+和水电离出的H+移向阴极，H+在阴极还原反应生成氢气。Cl−和水电离出的OH−移向阳极，Cl−在阳极上氧化生成Cl2。
(a) (b)
Figure 10. Diagram of (a) anodic and (b) cathodic phenomena during the electrolysis of copper chloride solution
图10. 电解氯化铜溶液实验的(a)阳极和(b)阴极现象图
【教师引导】为什么在氯化钠溶液中不是钠离子发生还原反应而是氢离子呢？而在氯化铜溶液中却是铜离子发生还原反应？
【学生讨论】可能是因为金属活泼性：Na > H > Cu，它们对应的离子还原性：Cu2+ > H+ > Na+。
【教师讲解】同学们已经初步洞察了电解的秘密。当电解质溶液中存在多种阳离子或阴离子时，离子在电极上放电是有先后顺序的。最后总结阴极和阳极的放电顺序。
4.4. 自制蓄电池
【教师】通过上面的任务，我们已经对蓄电池有了一定的了解。同学们可以利用所学知识，归纳老师所制作的铅酸蓄电池工作原理吗？
【学生归纳】铅酸蓄电池工作原理如图11所示。
Figure 11. Working principle of the lead-acid battery from a student’s summary
图11. 学生总结的铅酸蓄电池工作原理
【教师】请同学们根据查阅的资料和所学知识，分组设计制作铅酸蓄电池，并测定电压。
【学生实验】分组设计铅酸蓄电池，画出铅酸电池装置，如图12所示。
【学生汇报】制作的蓄电池在充电后电压普遍可以达到2.5 V左右，且具备充放电能力(图13)。
(a) (b)
Figure 12. Photograph of lead-acid batteries (a) designed by Group 1 and (b) designed by Group 2
图12. (a)第一组和(b)第二组设计的铅酸蓄电池图
(a) (b)
Figure 13. The voltage of lead-acid battery after charging designed (a) by Group 1 and (b) Group 2
图13. (a)第一组和(b)第二组设计的铅酸蓄电池充电后的电压
5. 项目评价
为进一步了解采用跨学科项目式教学后学生的接受程度及学习效果，编制了学生调查问卷。问卷包含四个维度：学习迁移知识能力(1~3题)、合作交流能力(4~5题)、实验探究及创新能力(6~8题)、收集归纳信息能力(9~10题)。详细问卷见附录。选取某中学高二年级一个班进行问卷调查，共42名学生，发放问卷42份，回收42份，回收率100%。调查问卷结果如表4所示。
Table 4. Survey questionnaire results
表4. 调查问卷结果
题号 |
A项 |
B项 |
C项 |
D项 |
E项 |
人数 |
百分比(%) |
人数 |
百分比(%) |
人数 |
百分比(%) |
人数 |
百分比(%) |
人数 |
百分比(%) |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
9 |
21.4 |
22 |
52.4 |
11 |
26.2 |
2 |
0 |
0 |
2 |
4.8 |
9 |
21.4 |
17 |
40.5 |
14 |
33.3 |
3 |
1 |
2.4 |
2 |
4.8 |
10 |
23.8 |
18 |
42.9 |
11 |
26.2 |
4 |
0 |
0 |
4 |
9.5 |
12 |
28.6 |
20 |
47.6 |
16 |
38.1 |
5 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
28.6 |
3 |
42.9 |
2 |
28.6 |
6 |
2 |
4.8 |
0 |
0 |
16 |
38.1 |
15 |
35.7 |
9 |
21.4 |
7 |
0 |
0 |
0 |
0 |
17 |
40.5 |
19 |
45.2 |
6 |
14.3 |
8 |
0 |
0 |
3 |
7.1 |
13 |
31 |
21 |
50 |
5 |
11.9 |
9 |
4 |
9.5 |
2 |
4.8 |
15 |
35.7 |
21 |
50 |
2 |
4.8 |
10 |
1 |
2.4 |
3 |
7.1 |
11 |
26.2 |
23 |
54.8 |
2 |
4.8 |
从表中可得出：开展跨学科项目式教学后，约有90%以上的学生认为自己掌握了所学知识并可以较好地进行知识迁移；小组合作与交流能力方面，95%的学生觉得今后在小组合作中可以和组员友好平等互助交流，从而提高团队合作能力；实验探究及创新方面，80%的学生实验操作与动手能力有提升，91%以上的学生能够掌握所学知识并进行设计创新；关于信息的检索收集方面，85%左右学生通过课前任务提升了搜集整合信息的能力。综上所述，跨学科融合下的项目式教学能够促进学生主动学习获取知识，对于核心素养的发展及综合素质的提升有显著优势。
6. 结论
本研究针对高中化学课堂教学现状，开展了原电池与电解池专题的项目式教学实践。以生活中常见的电池作为项目核心，设计“调查常见的电池类型、探究蓄电池的充放电原理、自制蓄电池”等实践任务。通过问题导向的学习模式，引导学生以小组合作形式开展实验探究，围绕化学反应与能量转化知识体系展开深度学习。在此过程中，不仅助力学生掌握原电池和电解池的核心知识，更致力于培养其构建系统化知识网络的能力。同时，在实验操作与团队协作中，着重提升学生的实践操作技能、沟通合作能力，促进化学学科核心素养的全面发展。
但本次项目式教学活动在实施中仍存在诸多问题，如四个项目虽数量较少，但其中所包含的知识点讲解并非一两节课时所能完成，因此在一线教学中势必会缺乏连贯性，学生对知识的系统吸收与建构较难完成。其次，项目式教学涉及多种活动及实验，需要教师具备较高的课堂节奏把握能力以及引导能力。另外，跨学科式的教学理念虽新颖有意义，但本节课涉及的学科知识较为表面，对电池研究现状的讲解并未深入。
基金项目
郑州师范学院大学生创新性实验计划项目(DCY2024020)。
附 录
学生学习成果调查问卷
亲爱的同学：
你好！这份问卷旨在了解大家在经过本次项目式教学后能力的提高情况。本问卷完全匿名，不是测验，你所填写的信息和内容均不会被泄露，请按真实情况进行填写。请选择最符合你实际情况的一项，非常感谢你的配合！
1. 我认为我对本节课关于“化学反应与能量转化”知识的掌握情况[单选题]
A、没有掌握 B、几乎没有掌握 C、掌握情况一般 D、掌握情况良好 E、完全掌握
2. 我认为我在思考问题时，能调动其他学科知识进行问题解决的能力[单选题]
A、没有提升 B、几乎没有提升 C、提升效果一般 D、提升效果良好 E、提升效果显著
3. 我认为我项目完成后，利用相关知识解决实际生活问题的能力[单选题]
A、没有提升 B、几乎没有提升 C、提升效果一般 D、提升效果良好 E、提升效果显著
4. 我认为我在进行小组活动时，与小组成员的合作交流能力[单选题]
A、没有提升 B、几乎没有提升 C、提升效果一般 D、提升效果良好 E、提升效果显著
5. 我认为我在小组合作中，统筹规划、合理安排小组成员分工合作的能力(组长填) [单选题]
A、没有提升 B、几乎没有提升 C、提升效果一般 D、提升效果良好 E、提升效果显著
6. 我认为我在实验探究活动中，设计方案的能力[单选题]
A、没有提升 B、几乎没有提升 C、提升效果一般 D、提升效果良好 E、提升效果显著
7. 我认为我在实验探究活动中，动手能力和实验操作能力[单选题]
A、没有提升 B、几乎没有提升 C、提升效果一般 D、提升效果良好 E、提升效果显著
8. 我认为我项目完成后，利用相似原理设计其他产品的能力[单选题]
A、没有提升 B、几乎没有提升 C、提升效果一般 D、提升效果良好 E、提升效果显著
9. 我认为我对于信息的查找、分析能力[单选题]
A、没有提升 B、几乎没有提升 C、提升效果一般 D、提升效果良好 E、提升效果显著
10. 我认为我对于信息的归纳整理能力[单选题]
A、没有提升 B、几乎没有提升 C、提升效果一般 D、提升效果良好 E、提升效果显著
NOTES
*通讯作者。