「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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K03267/
• 关键词: 中学校理科; 高校化学; 電気化学; ダニエル電池; 鉛蓄電池; 化学教育; 化学実験教材; 深い学び; 探究; 化学電池; 教科内容学; 実験教材

「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。

The final goal of this study is to develop and verify the effectiveness of the teaching materials in the field of electrical chemistry. The electrical and chemical division of college chemistry is divided into lead electrode and copper electrode, and the battery is selected from the upper part of the battery. The new learning guidance is based on the unit of "chemical transformation" of science in middle school. This year, in the case of last year's examination,"cold weather solid lead sulfate aqueous solution, lead electrode and copper electrode into contact, copper electrode and cold weather interface copper sulfate aqueous solution into contact with one drop to make a new regulation of battery", the surface state of the electrode in the state of the electron microscope (SEM) has been investigated. High school science and high school chemistry are the most important aspects of battery life, and the relationship between electrode surface and battery life is investigated. The former is the deposition of copper on the copper electrode, and the latter is the precipitation of copper on the copper electrode. In addition, the electrode structure of the lead electrode can be observed by electron microscope, and the electrode surface can be visualized in the case of lead electrode. Add to this, secondary batteries and high school chemistry "lead storage battery" related to the case of last year's examination "sulfuric acid aqueous solution replacement in cold weather, solid sulfuric acid aqueous solution use, safety production, implementation, before and after charging the state of the electrode surface, Sulfuric acid aqueous solution·Sulfuric acid aqueous solution·