生態文明建設理念導向的科學史展開教學研究

史盼

摘? ?要：生態文明建設理念導向的科技創新不僅能體現人們價值理念的變化，還能體現科學技術螺旋式上升、曲折式發展的歷程，電動汽車的發展過程充分體現了這一理念。生態文明建設理念導向的科學史展開教學，可促使學生構建模型，探索不同化學電源的工作原理，并深化其對技術革新意義的理解，同時滲透生態文明建設理念，還能增強學生的社會責任感。

關鍵詞：高中化學;化學電源;生態文明;科學史

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

著名化學家傅鷹曾說：“化學可以給人以知識，化學史可以給人以智慧”?？v觀化學史，每一項科學技術在發展歷程中，都經歷了很多曲折，每一次的技術革新都體現著當代社會的價值取向。生態文明建設理念導向的科技創新不僅能體現人們價值理念的變化，還能體現科學技術螺旋式上升、曲折式發展的歷程。生態文明理念促使人們的追求從實用性，轉變到綠色化，再到人與自然可持續發展。比較科學發展史中不同階段的技術革新，能夠使學生深刻體會到科學技術的進步和創新。

一、科學史探索意義

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，緩解了環境壓力，是集科技、生態和人文于一體的實用技術。從發展的角度挖掘化學電源的更替可以促使學生更深層次地關注化學電源的工作原理及其現實意義?，F筆者以化學史中電動汽車使用的化學電源為例展開研究，然后在探索化學電源為例技術革新的同時，展現生態文明建設理念的導向功能，如此可增強學生的社會責任感。

二、科學史展開教學策略

（一）跟蹤化學史，創設情境，展現技術革新

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

（二）由淺入深，構建模型探析化學電源工作原理

1.以傳統電源鉛蓄電池為例，構建思維模型。

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

A.Pb為電池的負極，發生氧化反應，電極方程式為：Pb-2e-=Pb2+

B.鉛蓄電池放電時，正、負電極質量均增大

C.鉛蓄電池放電時，H+定向移動去PbO2極

D.放電過程中，正極區附近pH減小

題例分析：該題的解題關鍵在于能否準確判斷化學電源的電極。教師可引導學生通過分析電子轉移的方向判斷電源的正負極，并結合電解質寫出電極反應。通過電極反應分析電極質量變化及其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）。鎳氫電池充放電原理如圖3所示：

根據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，教師可以引導學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，由此可推斷汽車上坡或加速時，處于放電狀態，即實線為化學電源的放電過程。此時，學生并不熟悉甲電極的儲氫合金原理，而乙電極的含鎳物質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，開發出石墨烯電池（石墨作為金屬鋰的載體），電池反應式為LixC6+Li1-xCoO2? ? C6+LiCoO2，其工作原理如圖4。下列關于該電池的說法正確的是（? ? ?）

A.該電池若用隔膜可選用質子交換膜

B.放電時，LiCoO2極發生的電極反應為

LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+

C.石墨烯電池的優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：該題的總反應較為復雜，不易進行元素化合價判斷。教師需要引導學生詳細審題，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價變為+1價，故負極反應為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，根據正負極得失電子數相等，結合電解質Li+得到正極反應Li1-xCoO2+xe-+xLi+=LiCoO2.

通過以上題例分析可以看出，化學電源的解題關鍵在于準確分析電極和正確書寫電極反應。此時引導學生結合原電池工作原理，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部結構如圖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.右側的電極反應式為：O2+4e++4H+=2H2O

D.右側電極為電池的負極

題例分析：該題學生可以輕松寫出總反應

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，并判斷出化學電源的正負極，然后根據氧化還原反應得失電子守恒規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，這時關注電解質是關鍵，教師可以通過改變電解質訓練學生書寫電極反應的能力。

（三）綜合原理分析，深化生態文明理念

教師引導學生結合電源結構、（下轉第60頁）（上接第56頁）電極反應及生活經歷再一次分析不同電源作為電動汽車電源的優缺點，重點從電池結構、材料來源、環保性能等方面分析。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性好、輕便、比能量高，是現在電動汽車的主要電源。燃料電池原料清潔，能夠實現零排放，但仍存在原料制備昂貴、儲存難等技術限制?？梢?，開發新能源和環境保護是化學電源技術革新的指導方向，而技術革新又推動著電動汽車的發展，改善了人們的出行方式。

三、結語

（一）構建模型，理清不同電源的共性

證據推理與模型認知是化學學科素養之一，即通過構建模型，認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，進而可理清科學史中不同電源的共性。筆者以題例的形式分析電動汽車發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）生態文明理念導向教學，培養“發展”的視角

新型化學電源，是生態文明建設理念導向科學技術革新的典型代表。不論是新材料的研發、科技的創新，還是生產方式的轉變，每項技術進步都經歷了曲折的歷程。在歷史中探尋科技的發展，既符合生態文明建設理念的價值導向，又符合事物發展由簡單到復雜、由實用性到可持續性的基本規律，同時還符合學生學習知識由易到難、從提出問題到解決問題的基本規律。通過題例的對比探究，深層次挖掘知識的本質，進而探討每一次技術革新的意義，可以充分體現化學的學科魅力及其社會價值，如此可增強學生的社會責任感。

參考文獻：

[1]蔡元博，賀? ?新.基于真實情境培養學生化學學科核心素養——以“電動車的動力電池”教學設計為例[J].高中數理化，2020，（10）：58～61.

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

【責任編輯 韓梁彥】