从果蔬电池到电池环保的再认识科技创新项目式学习设计

孙秋红

项目背景

在参加水果发电的社会体验活动中，学生因“实验后的水果能不能吃”产生了争论。真情境中的真问题、学科知识不足、环保观念滞后，在生活—课程—社会之间建立起联系，组成了一个很有价值的研究项目。

项目设计

项目围绕“果蔬为什么能发电”展开探究实践活动，适于在小学中高年级和初中年级开展，内容涉及制作果蔬电池、测量果蔬发電能力、测量果蔬pH 值、分析果蔬电池发电原理、家庭实践、宣讲推广等环节。

项目实施

任务 1. 开展问卷调查，聚焦核心问题

为了准确了解学生对水果发电及废旧电池处理等方面的关注度和认知度，聚焦问题核心，开展小学生对水果电池和废旧电池的认知情况调查活动。

● 查找资料，设计问卷组织学生查阅相关资料，走访学生和家长，收集、汇总电路知识、水果发电、电池种类、国家政策4 个方面的内容，归纳整理后设计问卷。

● 网络编辑，发布问卷组织学生分工合作，利用“问卷星”平台编辑问卷，将问卷链接、二维码发送到家长微信群。

● 收集问卷，归纳整理学生收集调查问卷，按类型归纳整理。

● 统计结果，确立主题指导学生对数据进行分析，梳理结果，提取最受关注的问题并确立研究方向：①发电后的水果能不能吃，为什么？②垃圾站不负责回收废旧电池，怎么办？③环保电池无污染，有哪些？

任务 2. 创设情境，提出有价值的问题

● 制作果蔬电池，点亮LED 二极管

学生将铜片、锌片竖直插入果蔬，注意2 个金属片不能接触，从1 个果蔬电池开始实验，并观察LED 发光情况，然后逐渐增加到4个。同时，记录LED 发光的不同情况，画出电路图。LED 点亮的过程就是学生思维发展、问题碰撞、概念形成的过程，串联、LED 单向导电性、果蔬电池正负极等知识难点也在探索过程中被逐一破解。

● 梳理问题，分解任务

各组汇报交流，互动答疑，梳理归纳4 个问题：水果为什么能发电？水果发电后为什么不能吃？水果越多发电能力越大吗？ 4 个水果电池能点亮2 个LED 小灯吗？提出问题是科学探究的导入阶段，学生需在观察、类比、分析、发散等思维范式的基础上抽取、识别并明确可探究的问题；教师提供辅助性材料和学习方法，帮助学生感知问题的实际价值，构建学习的意义，引导他们发现和归纳可探究科学问题的特征。

在梳理问题的同时，引导学生提出研究思路，比如要用工具测量果蔬电池的发电能力，选取酸的、甜的、水分多的、水分少的果蔬，2个LED 小灯要正负极连接，还需要查阅资料等，在讨论交流过程中渗透实验设计方法。

任务 3. 测量果蔬电池电压，在实践中迭代提升

● 使用指针式电压表测量电压

从熟悉的家电入手，帮助学生了解电压。通过阅读干电池上的说明，寻找家用电器上的标签，发现1.5 V、220 V 的标注，了解电压代表供电能力。

教师提供的红色LED 发光二极管电压是1.8 V，实验发现，1 节果蔬电池不能点亮红色LED 发光二极管，学生据此推测，1 节果蔬电池电压小于1.8 V，串联电池越多电压越高，供电能力越强，LED 小灯越亮。

使用指针式电压表测量不同果蔬的电压。实验发现，果蔬电池数量增加时，有的电压增大，有的电压不变，有的还会瞬间降低，这与串联电池越多LED 越亮的推论相矛盾。首先确认电压表有无问题，然后在上网查找资料，并向物理教师请教，最终决定将电压表替换为数字万用表。

● 使用数字万用表测量电压

学生使用数字万用表测量果蔬电池串联时的电压发现，串联果蔬电池越多，电压越大，基本成倍数增加 ；果蔬不同，电池的电压也不同，柠檬、苹果电池电压较高，胡萝卜电池的电压较低。结论：红色LED 发光二极管的电压为1.8 V，1 个果蔬电池不能点亮LED 发光二极管；2 个果蔬电池的电压在1.8 V左右，能为LED 供电，但光很弱；随着果蔬电池数量串联增加，电压变高，LED 小灯越来越亮；4 个果蔬电池串联后，当电压大于3.6 V时，能点亮串联的2 个LED 小灯。

提出疑问：为什么用电压表和万用表测得的结果差距很大呢？

从网上查找资料得知：水果电池内阻很大，数字万用表的电压挡内阻更大，因此能比较准确地测量出电路电压；指针式电压表的电压挡内阻比数字万用表小，因此测出的数值偏低。

任务 4. 测量果蔬 pH值

学生通过观看视频学习测量pH 值的方法，测量实验用果蔬的pH 值。将果蔬pH 值与电压数据对比，发现pH 值越小的果蔬电池电压越高。但是，酸度指的是果蔬汁中氢离子浓度指数，而不是口味。那么，为什么酸性果蔬的发电能力强呢？

任务 5. 分析果蔬电池发电原理

学生将果蔬电池和干电池放在一起观察比较，发现铜片、锌片与果蔬接触部分有细微变色，相当于电池的铜帽和锌皮，果汁相当于电池中的电解液，学生猜想电流从果蔬正极铜片流向负极锌片，但不清楚电是怎么产生的。

教师向学生征集问题，整理为“水果蔬菜电池为什么能发电”“发电后的水果能不能吃”“电池分为哪几类”“废旧电池怎么处理”4个问题，指导学生在信息课上进行查询。

学生在科学课上交流分享，由教师进行补充解释，了解到水果中含有大量糖类、蛋白质、有机酸等物质，其中的有机酸起到了电解质的作用。水果中的铜片和锌片通过电解质和导线构成闭合回路，铜片置换出果酸中的氢离子产生正电荷，锌片失去电子产生负电荷，电子在电解质作用下发生转移，从而产生电流，LED 灯发光，果蔬中的化学能转变为电能。电极在电池放电过程中会释放出金属离子，因此做过实验的果蔬不能食用。

我国法规要求干电池无汞化生成，1 号、5 号、7 号电池可随生活垃圾一同丢弃，但纽扣电池、手机旧电池、电动车的铅酸电池等均含有重金属，应放入有害垃圾回收桶或进行专项回收。关于如何处理废旧纽扣电池，教师鼓励学生向生态环境保护机构进行咨询。

任务 6. 学以致用，制作家庭红绿灯

在学生具备了相关知识和技能后，给学生布置居家制作红绿灯的任务。教师提前将导线、相同电压的三色LED 发光二极管、1 个八宝粥罐的盖子发给学生，周六日与家长一起制作红绿灯，制作完成后上传视频，展示自己的成果。要求学生在制作过程中掌握1 个开关控制3 盏灯交替亮灭的方法，感受电池串联电压增大的科学原理。

任务 7. 总结宣讲，强化责任担当意识

教师带领学生回顾3 个月来果蔬电池研究进展，并通过观看视频了解“十四五”工业绿色发展规划、“碳达峰”行动等国家政策，激励学生树立科学志向、做一名生态文明建设者的美好愿望。

项目结束2 个月后，学生收到了保定市生态环境局的回信，学生激情高涨，纷纷加入宣讲团，到学校不同班级分享、交流研究成果，并发出倡议，将科学学习的种子撒遍学校，向近千名同学传递了环保知识和社会责任，激励青少年树立生态文明建设理念。

该项目参与了第36 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科教创新成果线上交流活动