沿科技發(fā)展，尋化學之美

摘" "要：將國家最新科技發(fā)展成果融入化學課程教學，從“三峽氫舟1號”出發(fā)創(chuàng)設(shè)情境，圍繞氫的發(fā)展史開展教學，利用生活中常見的材料自制氫氧燃料電池，將化學知識和科技發(fā)展相結(jié)合，增強學生的民族自豪感，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高中化學；科技發(fā)展；氫能；燃料電池；核心素養(yǎng)

1" 科技發(fā)展融入中學化學課程的價值

習近平總書記指出“教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐”“要發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力要求，暢通教育、科技、人才的良性循環(huán)”。以教育之強賦能科技之強，以科技創(chuàng)新推動教育方式創(chuàng)新，方能推動相互促進的良性循環(huán)?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》要求化學課程要根據(jù)經(jīng)濟社會發(fā)展新變化、科技發(fā)展進步新成果，及時更新教學內(nèi)容和話語體系，反映新時代中國特色社會主義理論和建設(shè)新成就[ 1 ]。

將國家科技發(fā)展的前沿成果巧妙地融入中學化學課程中，從“以具體知識落實”為本的教學轉(zhuǎn)化為以“促進學生認識發(fā)展”為本的教學，能夠豐富化學教學的內(nèi)涵，為學生提供了一個直觀感知科學魅力的窗口。這種融合使學生在掌握化學基礎(chǔ)知識的同時，能夠深入了解國家在科技領(lǐng)域的輝煌成就，增強學生的民族自豪感和自信心，激發(fā)學生探索科學的熱情，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和實踐能力。這種“促進學生認識發(fā)展”的創(chuàng)新教學設(shè)計，不僅能促進學生理解和獲得知識、建構(gòu)學科觀念，更能促進學生豐富認識角度、形成認識思路、提升認識方式類型，從而實現(xiàn)能力和素養(yǎng)的發(fā)展[ 2 ]。

2" 教學目標

2.1" 教學目標

（1）通過小組合作活動完成任務，鍛煉學生獨立分析和解決問題的能力，發(fā)展學生的科學探究素養(yǎng)。

（2）選擇生活中常見的物品作為實驗材料，通過實驗探究，激發(fā)學生的探究興趣，促進學生個性化發(fā)展及“科學探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)的發(fā)展。

（3）通過推理原電池的構(gòu)成要素，進一步構(gòu)建原電池的認識模型，培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認知”的學科核心素養(yǎng)。通過宏觀的實驗現(xiàn)象（發(fā)光二極管變亮）分析其微觀離子、電子的移動，從宏觀現(xiàn)象分析微觀原理，強化學生對原電池的模型認知，提升“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養(yǎng)。

2.2" 素養(yǎng)目標

從“國之重器——三峽氫舟1號”出發(fā)創(chuàng)設(shè)教學情境，使學生體會到科技發(fā)展之美，這不僅僅是一艘先進的船舶，更是中國科技創(chuàng)新的杰出代表，它承載著綠色、環(huán)保、高效的能源理念，展示了人類與自然和諧共生的智慧。通過了解“三峽氫舟1號”的設(shè)計理念、技術(shù)創(chuàng)新和實際應用，學生能夠深刻感受到科技發(fā)展對于社會進步、環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重要性。

3" 教學思路

教學思路如圖1所示。

4" 教學設(shè)計

4.1" 創(chuàng)設(shè)情境

[新聞導入] 萬里長江迎“氫舟”。

2023年10月11日，國內(nèi)首艘入級中國船級社的氫燃料電池動力船“三峽氫舟1號”在湖北宜昌順利完成首航，首航成功標志著氫燃料電池技術(shù)在內(nèi)河船舶應用實現(xiàn)了零的突破。

[問題] 氫氧燃料電池的工作原理是什么呢？為什么能夠直接將氫氣和氧氣的化學能轉(zhuǎn)化為電能？

設(shè)計意圖：從“國之重器——三峽氫舟1號”出發(fā)引入主題，讓學生從科技發(fā)展的角度，體會科學發(fā)展之美，激發(fā)學生探索興趣，提升教學效果。

4.2" 任務驅(qū)動

4.2.1" 任務一：淺析氫氧燃料電池

[小組1]氫氧燃料電池能夠?qū)錃夂脱鯕獾幕瘜W能直接轉(zhuǎn)化為電能，過程中不通過燃燒，反應的產(chǎn)物是水，不產(chǎn)生污染的排放。

[小組2] 2H2 + O2 = 2H2O，氫氣失電子做還原劑，氧氣得電子做氧化劑。

[小組3] 在正極氫氣失電子，失去的電子經(jīng)由外電路流向正極，氧氣在正極得電子生成氫氧根，實現(xiàn)了外電路中電子的定向移動；在溶液中，氫離子移向正極，氫氧根移向負極，實現(xiàn)了溶液中粒子的定向移動，因此氫氧燃料電池能夠直接將氫氣和氧氣的化學能轉(zhuǎn)化為電能。

設(shè)計意圖：通過小組查閱資料，使學生對氫氧燃料電池有初步的認識，加強學生之間的溝通，培養(yǎng)學生信息檢索的能力。

4.2.2" 任務二：為什么選擇氫——制作氫發(fā)展史大事年表

[創(chuàng)設(shè)情境] 在三峽工程下游的楊家灣碼頭，建設(shè)了國內(nèi)首個內(nèi)河碼頭型制氫加氫一體站“中國三峽綠電綠氫示范站”，三峽氫舟1號需要在這里完成能源補給。該站利用清潔電能進行電解水制氫，氫氣通過過濾、壓縮、儲存、加注等環(huán)節(jié)，直接供給氫能源船舶。能源科技既面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場，又面向國家重大需求，是科技發(fā)展領(lǐng)域的重中之重。在未來可持續(xù)發(fā)展的能源供給體系中，氫能將具有與電能同等重要的地位。

[活動] 4個小組交流討論，分配任務，從“發(fā)現(xiàn)氫氣→電解水制氫→儲氫技術(shù)→氫能的優(yōu)勢”制作氫發(fā)展史大事年表[ 3 ]。

[小組1] 發(fā)現(xiàn)氫氣。

中世紀，瑞士冶金學家帕拉塞爾蘇斯發(fā)現(xiàn)，當鐵溶解在硫酸中時會產(chǎn)生氣體。后來，卡文迪許發(fā)現(xiàn)把一定量的鋅和鐵投入到充足的鹽酸和稀硫酸中，發(fā)現(xiàn)所產(chǎn)生的氣體量是固定不變的，說明這種新的氣體的產(chǎn)量與所用酸的種類沒關(guān)系，與酸的濃度也沒有關(guān)系。卡文迪許用排水法收集了新的氣體，發(fā)現(xiàn)這種氣體不能幫助蠟燭燃燒，也不能幫助動物的呼吸，如果把它和空氣混在一起，一遇火星就會爆炸，這種氣體燃燒后的產(chǎn)物是水。

在1787年，拉瓦錫正式提出了氫是一種元素，拉瓦錫從希臘語“hybor”擴展，將這種易燃氣體命名為“氫”，意思是形成水的元素。

[小組2] 電解水制氫。

1800年，威廉尼克松和克萊爾發(fā)現(xiàn)，將兩個電極插入連通器的水里，連接電池的正負極通入電流，在兩極會分別產(chǎn)生氫氣和氧氣。

1823年，第一款輕型的“口袋式”打火機出世，這款打火機的工作原理是：鋅與硫酸發(fā)生化學反應，產(chǎn)生的氫流過含鉑的海綿，與氧自發(fā)地反應，產(chǎn)生的熱量會點燃氣態(tài)的氫，產(chǎn)生火焰。

1839年，威廉格爾夫發(fā)明了第一個燃料電池，它由四個串聯(lián)的電解槽組成，使用稀硫酸做電解質(zhì)，鉑絲做電極，通過電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，氫氣和氧氣通過電化學反應產(chǎn)生電流，產(chǎn)生的電流又就可以用于電解水制氫。然而，燃料電池大電流放電是非常困難的。1866年，第一臺發(fā)電機面世，它能夠?qū)⑷魏畏N類的機械能有效地轉(zhuǎn)化為電能，燃料電池失去了其作為發(fā)電機的重要性。因此，直至20世紀中葉，燃料電池都沒有得到發(fā)展。

[小組3] 儲氫技術(shù)。

1803年，沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)金屬鈀之后不久，格雷漢姆發(fā)現(xiàn)這種金屬可以通過形成金屬氫化物來吸收大量的氫，這一發(fā)現(xiàn)成為金屬氫化物儲氫技術(shù)的基礎(chǔ)。1898年5月10日，蘇格蘭人詹姆斯杜瓦使用循環(huán)冷卻法首次實現(xiàn)靜態(tài)液化氫。他利用液氮在180個大氣壓下對氣態(tài)氫進行了預冷卻，然后通過絕緣容器中的節(jié)流閥讓氫氣體積膨脹，在此期間氫氣保持由液氮冷卻的狀態(tài)。膨脹的氫氣產(chǎn)生了約20 cm3的液氫，約為初始氫氣體積的1%。

目前主要氫儲技術(shù)包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、金屬合金固態(tài)儲氫、有機液體儲氫。

[小組4] 氫能的優(yōu)勢。

（1）理想的高能燃料。

汽油的熱值為4.6×107 J/kg，氫的熱值為1.4×108 J/kg，氫氣燃燒的熱值高，產(chǎn)物是水，是理想的高能和潔凈燃料。

（2）推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型。

在“雙碳”目標下，我國氫能產(chǎn)業(yè)已逐步進入技術(shù)攻堅關(guān)鍵階段，依托內(nèi)蒙古烏蘭察布“綠氫制備”項目，石化機械同時開展堿水制氫和PEM制氫裝備的裝配調(diào)試，成功實現(xiàn)高純度氫氣的連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)出。綠氫通過運輸管道送至河北、天津等地，用于替代現(xiàn)有部分以天然氣為原料、生產(chǎn)過程造成大量碳排放的“灰氫”，每年可減少二氧化碳排放472.8萬噸。

（3）滿足國家能源安全的需要。

中國能源是富煤、貧油、少氣，大力發(fā)展氫能，能夠減少對國際石油和天然氣的依賴，彌補能源短板，緩解能源危機問題。

（4）高壓氣氫和低溫液氫有望率先產(chǎn)業(yè)化。

目前氫儲技術(shù)包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、金屬合金固態(tài)儲氫、有機液體儲氫。其中金屬合金固態(tài)儲氫、有機液體儲氫相關(guān)技術(shù)還未成熟，高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫技術(shù)相對成熟，有望率先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用，降低加氫成本。

設(shè)計意圖：在能源危機和“雙碳”目標的雙擎驅(qū)動下，世界各國都在大力發(fā)展氫能技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，我國也在積極布局和大力培育發(fā)展氫能。學生通過制作氫發(fā)展史大事年表，由淺入深的認識氫能的發(fā)展，加深對燃料電池的認識，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)及環(huán)境保護意識。

4.2.3" 任務三：“氫舟已過萬重山”——利用生活中的材料自制氫氧燃料電池。

[活動] 根據(jù)氫氧燃料電池的構(gòu)成要素及工作原理，選擇合適的材料，完成方案設(shè)計。

[方案展示] 如圖2。

[學生實驗1] 自制石墨電極（圖3），電解水制備氫氣和氧氣（圖4）。

[微觀探析] 陰極：4H+ + 4e- = 2H2↑

陽極：4OH- - 4e- = 2H2O + O2↑

[學生實驗2] 連入發(fā)光二極管，檢驗自制氫氧燃料電池是否成功（圖5）。

[活動] 根據(jù)電極反應式完成氫氧燃料電池的認識模型（圖6）。

[歸納] 在負極氫氣失電子生成氫離子，失去的電子經(jīng)由外電路流向電池正極，因此氧氣在正極得電子，生成氫氧根，這就實現(xiàn)了外電路電子的定向移動；在溶液中，氫離子移向正極，氫氧根移向負極，這就實現(xiàn)了溶液中離子的定向移動，因此我們觀察到發(fā)光二級管亮了。

[教師] 今天我們通過自制氫氧燃料電池，完善了對原電池的模型認識，從現(xiàn)代化的角度理解了“氫舟”已過萬重山這句話。相信未來一定會有更多像三峽氫舟1號一樣的綠色船舶航行長江，中國船舶也將迎來屬于自己的綠色革命。

設(shè)計意圖：實驗選材自生活中常見的材料，有助于激發(fā)學生的學習興趣和實踐能力，還能增強知識的實際應用性，培養(yǎng)學生的環(huán)保意識和安全意識，降低實驗成本，使實驗更具普及性和可操作性。

4.2.4" 任務四：課后拓展

小組課后通過查閱網(wǎng)絡(luò)、書籍等方式查閱我國氫氧燃料電池的發(fā)展及氫氧燃料電池大規(guī)模量產(chǎn)的局限。

設(shè)計意圖：學生通過課后查閱資料，了解我國科技發(fā)展的新成就、新成果，充實豐富培養(yǎng)學生社會責任感、創(chuàng)新精神、實踐能力。

5" 結(jié)語

科技是國之利器，將科技發(fā)展新成就融入化學課程的創(chuàng)新教學設(shè)計，符合國家發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的要求，能夠充分發(fā)揮教育培養(yǎng)急需人才的先導性優(yōu)勢，有效促進學生學科能力和素養(yǎng)發(fā)展，實現(xiàn)教育、科技、人才的相互促進。同時也對教師提出了更高的要求，教師需要不斷更新自己的知識儲備，關(guān)注科技領(lǐng)域的最新動態(tài)，了解新技術(shù)在化學領(lǐng)域的應用，探索新的教學方法和手段，具備終身學習的能力，以便將這些新成就有效地融入教學之中。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：3.

［2］ 王磊，支瑤.化學學科能力及其表現(xiàn)研究[J].教育學報，2016，12（4）：46-56.

［3］ 吳朝玲.氫能與燃料電池[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012：1-4.