「深い学び」を促す探究型化学実験教材の開発：電気化学分野を中心として

鼓励“深度学习”的探究式化学实验教材开发：聚焦电化学领域

基本信息

批准号：
20K03267
负责人：
田口哲
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Hokkaido University of Education
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

「深い学び」の実現に寄与する化学実験教材を研究代表者の専門領域である電気化学分野を例に開発するとともに，教材の効果を検証することが本研究の最終目的である。高校化学の電気化学分野(エネルギー変換)では亜鉛電極と銅電極からなるダニエル電池が取り上げられており，この電池は，新学習指導要領では中学校理科の「化学変化とイオン」の単元でも取り扱われるようになったことから，「深い学び」の実現に寄与する化学実験教材として，まずダニエル電池に注目した。本年度は，昨年度考案した「寒天で固めた硫酸亜鉛水溶液に亜鉛電極と銅電極を挿入し，銅電極と寒天との界面に硫酸銅水溶液を1滴だけ接触させて作成した新規ダニエル電池」について，放電による電極の表面状態の変化を走査型電子顕微鏡（SEM）で明らかにした。中学校理科・高校化学で取り上げられている一般的なダニエル電池との放電特性の違いと，この電極表面の状態を関連付けて考察した。前者では，放電による銅電極上への物質（銅）の析出が明確に観察されるが，これは，樹状結晶として析出することで銅が黒色に見えるためであることがわかった。さらに比較として，マグネシウムが負極で亜鉛が正極の電池を構築・放電し，電極の表面状態を走査型電子顕微鏡で観察することで，同じ亜鉛電極でも負極になる場合と正極になる場合があることを可視化した。加えて，二次電池として高校化学で扱われている「鉛蓄電池」に関して，昨年度考案した「硫酸水溶液の代わりに寒天で固めた硫酸ナトリウム水溶液を用いることで安全に作成・実験できるマイクロスケール化鉛蓄電池」における充放電前後の電極表面の状態を，硫酸水溶液・硫酸水素ナトリウム水溶液・硫酸ナトリウム水溶液を用いた鉛蓄電池のそれとSEMを用いて比較し，寒天で固めた硫酸ナトリウム水溶液を使用した鉛蓄電池が自己放電を起こしにくい原因について考察した。

本研究的最终目的是以课题负责人的专业领域电化学领域为例，开发有助于实现“深度学习”的化学实验教材，并验证其有效性的教材。在高中化学的电化学领域（能量转换）中，引入了一种由锌电极和铜电极组成的丹尼尔电池，而在新课程纲要中，这种电池也将被纳入到《化学变化与离子》中因此，我们首先将丹尼尔电池作为有助于实现“深度学习”的化学实验教材。今年，我们将讨论“新型丹尼尔电池”，该电池是将锌电极和铜电极插入到用琼脂硬化的硫酸锌水溶液中，并仅将一滴硫酸铜水溶液接触到铜电极之间的界面。我们去年设计了“琼脂”和“琼脂”，我们使用扫描电子显微镜（SEM）来阐明放电引起的电极表面状态的变化。我们考虑了与初中科学和高中化学课程中涵盖的普通丹尼尔电池的放电特性的差异以及该电极表面的状态。在前一种情况下，可以清楚地观察到由于放电而在铜电极上沉积出物质（铜），但发现这是因为铜以树枝状沉积而呈现黑色。此外，为了进行比较，通过构建以镁为负极、锌为正极的电池并进行放电，并使用扫描电子显微镜观察电极的表面状况，我们发现相同的锌电极有时可以充当可视化为负极，有时可视为正极。另外，对于高中化学中被视为二次电池的“铅酸电池”，我们去年设计了“微型铅电池”，可以使用钠水溶液安全地制造和测试。蓄电池充电和放电之前和之后用琼脂代替硫酸水溶液固化的硫酸盐溶液。我们利用SEM，与使用硫酸水溶液、硫酸氢钠水溶液、硫酸钠水溶液的铅酸电池的电极表面状况进行了比较，找出了使用硫酸钠水溶液的铅酸电池凝固的原因。我们考虑过这一点。