生態(tài)文明建設(shè)理念導(dǎo)向的科學(xué)史展開教學(xué)研究

史盼

摘? ?要：生態(tài)文明建設(shè)理念導(dǎo)向的科技創(chuàng)新不僅能體現(xiàn)人們價值理念的變化，還能體現(xiàn)科學(xué)技術(shù)螺旋式上升、曲折式發(fā)展的歷程，電動汽車的發(fā)展過程充分體現(xiàn)了這一理念。生態(tài)文明建設(shè)理念導(dǎo)向的科學(xué)史展開教學(xué)，可促使學(xué)生構(gòu)建模型，探索不同化學(xué)電源的工作原理，并深化其對技術(shù)革新意義的理解，同時滲透生態(tài)文明建設(shè)理念，還能增強學(xué)生的社會責任感。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué);化學(xué)電源;生態(tài)文明;科學(xué)史

中圖分類號：G633.8? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2023）32-0054-04

著名化學(xué)家傅鷹曾說：“化學(xué)可以給人以知識，化學(xué)史可以給人以智慧”?？v觀化學(xué)史，每一項科學(xué)技術(shù)在發(fā)展歷程中，都經(jīng)歷了很多曲折，每一次的技術(shù)革新都體現(xiàn)著當代社會的價值取向。生態(tài)文明建設(shè)理念導(dǎo)向的科技創(chuàng)新不僅能體現(xiàn)人們價值理念的變化，還能體現(xiàn)科學(xué)技術(shù)螺旋式上升、曲折式發(fā)展的歷程。生態(tài)文明理念促使人們的追求從實用性，轉(zhuǎn)變到綠色化，再到人與自然可持續(xù)發(fā)展。比較科學(xué)發(fā)展史中不同階段的技術(shù)革新，能夠使學(xué)生深刻體會到科學(xué)技術(shù)的進步和創(chuàng)新。

一、科學(xué)史探索意義

電動汽車主要使用清潔能源，如電能、太陽能、氫能等，能源利用率高，同時減少了二氧化碳氣體的排放，緩解了環(huán)境壓力，是集科技、生態(tài)和人文于一體的實用技術(shù)。從發(fā)展的角度挖掘化學(xué)電源的更替可以促使學(xué)生更深層次地關(guān)注化學(xué)電源的工作原理及其現(xiàn)實意義?，F(xiàn)筆者以化學(xué)史中電動汽車使用的化學(xué)電源為例展開研究，然后在探索化學(xué)電源為例技術(shù)革新的同時，展現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)理念的導(dǎo)向功能，如此可增強學(xué)生的社會責任感。

二、科學(xué)史展開教學(xué)策略

（一）跟蹤化學(xué)史，創(chuàng)設(shè)情境，展現(xiàn)技術(shù)革新

電動汽車在100多年前經(jīng)歷了一次興盛，但由于燃油汽車的發(fā)展，很快退出歷史舞臺。20世紀末出現(xiàn)的能源危機和環(huán)境問題，促使人們又一次轉(zhuǎn)向新能源的開發(fā)?；瘜W(xué)電源相較于化石燃料，因其污染小、能量轉(zhuǎn)化率高而備受關(guān)注。電動汽車的化學(xué)電源經(jīng)歷鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰系電池和燃料電池等，其電池性能從持續(xù)時間短、笨重、材料有污染，逐漸向節(jié)能、環(huán)保、高效、可再生等方向轉(zhuǎn)變。教師創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生探索在電動汽車不斷發(fā)展的歷史中，化學(xué)電源經(jīng)歷的技術(shù)革新，進而總結(jié)出化學(xué)電源的優(yōu)缺點及其在整個電動汽車發(fā)展史中的作用，如上表所示。由此可以看出，技術(shù)革新是推動科技發(fā)展的原動力，100多年前電動汽車的衰敗是由于技術(shù)發(fā)展不能滿足人們的需要造成的。20世紀末由于環(huán)境問題和能源危機的出現(xiàn)，促使人類又一次轉(zhuǎn)向新能源的開發(fā)，電動汽車重新走進人們的視野。

（二）由淺入深，構(gòu)建模型探析化學(xué)電源工作原理

1.以傳統(tǒng)電源鉛蓄電池為例，構(gòu)建思維模型。

例題1? 鉛蓄電池因其電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價格低康，應(yīng)用廣泛，電池反應(yīng)式為：PbO2+Pb+2H2SO4? ? ?2PbSO4+2H2O，下列有關(guān)說法正確的是_____。（雙選）

A.Pb為電池的負極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極方程式為：Pb-2e-=Pb2+

B.鉛蓄電池放電時，正、負電極質(zhì)量均增大

C.鉛蓄電池放電時，H+定向移動去PbO2極

D.放電過程中，正極區(qū)附近pH減小

題例分析：該題的解題關(guān)鍵在于能否準確判斷化學(xué)電源的電極。教師可引導(dǎo)學(xué)生通過分析電子轉(zhuǎn)移的方向判斷電源的正負極，并結(jié)合電解質(zhì)寫出電極反應(yīng)。通過電極反應(yīng)分析電極質(zhì)量變化及其pH變化，進而初步建立解題思維模型：

2.以汽車現(xiàn)用鎳氫電池和鋰離子電池為突破口，整合思維模型。

例題2? 三代混合動力車目前一般使用鎳氫電池（M表示儲氫合金;汽車在下坡或剎車時，電池處于充電狀態(tài)）。鎳氫電池充放電原理如圖3所示：

根據(jù)所給信息判斷正確的是

A.此汽車上坡或加速時，乙電極周圍溶液pH減小

B.此汽車上坡或加速時，電解液中OH-向甲電極移動

C.此汽車下坡或剎車時，H2O中的氫元素被氧化

D.此汽車下坡或剎車時，乙電極反應(yīng)式為：Ni（OH）2+OH--e-=H2O+NiOOH

題例分析：該題并沒有直接給出總反應(yīng)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生直接通過化合價變化判斷電源的電極。已知汽車下坡或剎車時，電池處于充電狀態(tài)，由此可推斷汽車上坡或加速時，處于放電狀態(tài)，即實線為化學(xué)電源的放電過程。此時，學(xué)生并不熟悉甲電極的儲氫合金原理，而乙電極的含鎳物質(zhì)化合價判斷較為簡單，可作為該題的切入點，鎳元素化合價由+3價降低到+2價，得電子，乙電極為電源的正極，然后再進行下一步的分析。

例題3 某鋰離子電池原理如圖4，利用鋰離子能在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出石墨烯電池（石墨作為金屬鋰的載體），電池反應(yīng)式為LixC6+Li1-xCoO2? ? C6+LiCoO2，其工作原理如圖4。下列關(guān)于該電池的說法正確的是（? ? ?）

A.該電池若用隔膜可選用質(zhì)子交換膜

B.放電時，LiCoO2極發(fā)生的電極反應(yīng)為

LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+

C.石墨烯電池的優(yōu)點是提高電池的儲鋰容量進而提高能量密度

D.對廢舊的該電池進行“放電處理”讓Li+嵌入石墨烯中而有利于回收

題例分析：該題的總反應(yīng)較為復(fù)雜，不易進行元素化合價判斷。教師需要引導(dǎo)學(xué)生詳細審題，然后由圖中Li+的移動方向判斷出石墨烯為電源的負極，然后結(jié)合題中信息“石墨作為金屬鋰的載體”可知，放電過程中鋰元素化合價由0價變?yōu)?1價，故負極反應(yīng)為LixC6-xe-=xLi++C6。正極分析仍為難點，中心元素化合價分析較為困難，此時可將正極材料作為整體進行分析，根據(jù)正負極得失電子數(shù)相等，結(jié)合電解質(zhì)Li+得到正極反應(yīng)Li1-xCoO2+xe-+xLi+=LiCoO2.

通過以上題例分析可以看出，化學(xué)電源的解題關(guān)鍵在于準確分析電極和正確書寫電極反應(yīng)。此時引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合原電池工作原理，從不同角度判斷電源的電極，可進一步完善思維模型如圖5所示：

3.以作氫燃料電池為代表，深化思維模型。

例題4 氫燃料電池被譽為氫能源汽車心臟。某種氫燃料電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，下列說法不正確的是（? ? ?）

A.a處通入氫氣

B.電池每消耗11.2L氫氣，電路中通過的電子為NA

C.右側(cè)的電極反應(yīng)式為：O2+4e++4H+=2H2O

D.右側(cè)電極為電池的負極

題例分析：該題學(xué)生可以輕松寫出總反應(yīng)

2H2+O2=2H2O。分析圖中信息，可快速找出電子移動方向、離子移動方向，并判斷出化學(xué)電源的正負極，然后根據(jù)氧化還原反應(yīng)得失電子守恒規(guī)律可判斷出氫氣和氧氣的通入電極，并進行定量計算。然而燃料電池的難點還在于如何正確書寫電極反應(yīng)，這時關(guān)注電解質(zhì)是關(guān)鍵，教師可以通過改變電解質(zhì)訓(xùn)練學(xué)生書寫電極反應(yīng)的能力。

（三）綜合原理分析，深化生態(tài)文明理念

教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合電源結(jié)構(gòu)、（下轉(zhuǎn)第60頁）（上接第56頁）電極反應(yīng)及生活經(jīng)歷再一次分析不同電源作為電動汽車電源的優(yōu)缺點，重點從電池結(jié)構(gòu)、材料來源、環(huán)保性能等方面分析。由此可以看出，鉛蓄電池具有笨重、廢舊電池處理污染環(huán)境等缺點，并不是很好的電動汽車用電源。鎳氫電池和鋰離子電池循環(huán)性好、輕便、比能量高，是現(xiàn)在電動汽車的主要電源。燃料電池原料清潔，能夠?qū)崿F(xiàn)零排放，但仍存在原料制備昂貴、儲存難等技術(shù)限制?？梢姡_發(fā)新能源和環(huán)境保護是化學(xué)電源技術(shù)革新的指導(dǎo)方向，而技術(shù)革新又推動著電動汽車的發(fā)展，改善了人們的出行方式。

三、結(jié)語

（一）構(gòu)建模型，理清不同電源的共性

證據(jù)推理與模型認知是化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)之一，即通過構(gòu)建模型，認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，進而可理清科學(xué)史中不同電源的共性。筆者以題例的形式分析電動汽車發(fā)展史中不同電池的工作原理，然后以電極判斷為核心，建立思維模型。

（二）生態(tài)文明理念導(dǎo)向教學(xué)，培養(yǎng)“發(fā)展”的視角

新型化學(xué)電源，是生態(tài)文明建設(shè)理念導(dǎo)向科學(xué)技術(shù)革新的典型代表。不論是新材料的研發(fā)、科技的創(chuàng)新，還是生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，每項技術(shù)進步都經(jīng)歷了曲折的歷程。在歷史中探尋科技的發(fā)展，既符合生態(tài)文明建設(shè)理念的價值導(dǎo)向，又符合事物發(fā)展由簡單到復(fù)雜、由實用性到可持續(xù)性的基本規(guī)律，同時還符合學(xué)生學(xué)習(xí)知識由易到難、從提出問題到解決問題的基本規(guī)律。通過題例的對比探究，深層次挖掘知識的本質(zhì)，進而探討每一次技術(shù)革新的意義，可以充分體現(xiàn)化學(xué)的學(xué)科魅力及其社會價值，如此可增強學(xué)生的社會責任感。

參考文獻：

[1]蔡元博，賀? ?新.基于真實情境培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)——以“電動車的動力電池”教學(xué)設(shè)計為例[J].高中數(shù)理化，2020，（10）：58～61.

[2]何? ?泳.“以史為鑒”——從汽車能源技術(shù)發(fā)展史看我國電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略[J].科技管理研究，2014，34（14）：31～36.

【責任編輯 韓梁彥】