化學(xué)核心素養(yǎng)引領(lǐng)下的教學(xué)設(shè)計(jì)

陶偉桐

摘要：以鋰離子電池為素材，設(shè)計(jì)電化學(xué)復(fù)習(xí)課。在教學(xué)中介紹鋰電池的發(fā)展史，滲透化學(xué)核心素養(yǎng)，逐步構(gòu)建鋰離子電池模型，著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞：化學(xué)核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計(jì);鋰離子電池

中圖分類號：G633.8??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? 文章編號：1992-7711（2021）20-0088

2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了鋰離子電池領(lǐng)域的三位科學(xué)家，古迪納夫、惠廷厄姆和吉野彰。鋰離子電池廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品和新能源汽車，也可以儲存太陽能和風(fēng)能，使無化石燃料的綠色未來成為可能。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，電化學(xué)的情景素材建議有鉛蓄電池、鋰離子電池等生活中常見的電池，化學(xué)電池的發(fā)展史與新型電池的開發(fā)[1]。在高三一輪復(fù)習(xí)時(shí)，以鋰離子電池為素材，設(shè)計(jì)電化學(xué)復(fù)習(xí)課。教學(xué)過程中以時(shí)間為軸，引領(lǐng)學(xué)生了解鋰離子電池的前世今生，展望鋰電池的未來，落實(shí)核心素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)精神，鞏固電化學(xué)知識。

一、導(dǎo)入新課

實(shí)物展示：南孚紐扣電池和手機(jī)電池。

播放視頻：介紹鋰離子電池的應(yīng)用及三位諾獎(jiǎng)得主。

設(shè)計(jì)意圖：從生活中找素材，感受諾獎(jiǎng)成果帶來的便利。通過鋰離子電池的應(yīng)用說明化學(xué)在生活中的重要性和對人類文明的貢獻(xiàn)。通過視頻了解97歲還在努力工作，為科研做貢獻(xiàn)的古迪納夫。倡導(dǎo)學(xué)生努力學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識，回饋社會。

二、鋰想的萌發(fā)

教師：提問課前預(yù)習(xí)內(nèi)容。什么叫比能量？如何判斷電池性能的優(yōu)劣？

學(xué)生1：比能量是單位質(zhì)量或單位體積輸出電能的多少。電池的比能量越大越好。

學(xué)生2：充電五分鐘，通話兩小時(shí)。

教師：很成功的手機(jī)廣告語，抓住了消費(fèi)者的需求，電池充電速度要快，容量要大，這也是新能源汽車最需要解決的問題。

學(xué)生3：電壓要高。

教師：1817年，瑞典化學(xué)家阿爾費(fèi)德森發(fā)現(xiàn)鋰元素。1855年，德國化學(xué)家威廉·本生用電解法獲得了金屬鋰，此后半個(gè)多世紀(jì)，金屬鋰默默無聞。1913年美國化學(xué)家路易斯測得鋰的電極電勢極低（-3.04V），電化學(xué)工作者開始關(guān)注鋰。

教師：提問，金屬鋰做負(fù)極有什么優(yōu)點(diǎn)。

學(xué)生4：鋰是密度最小的金屬，ρ=0.53g/cm，可以使電子產(chǎn)品體積小、重量輕。

學(xué)生5：電極電勢極低，用鋰做負(fù)極電池電壓較大。

學(xué)生6：金屬鋰無污染。

教師：除大家所說的優(yōu)點(diǎn)外，鋰電池比能量也高。展示表1數(shù)據(jù)。

教師：提問，鋰做負(fù)極的缺點(diǎn)呢？

學(xué)生7：鋰是堿金屬，比較活潑，易與水和空氣中的氧氣反應(yīng)。

設(shè)計(jì)意圖：電子產(chǎn)品和新能源汽車的廣泛使用可以讓學(xué)生通過親身感受來總結(jié)好電池的要求。學(xué)生可基于鋰的性質(zhì)進(jìn)行分析推理，總結(jié)鋰做負(fù)極的優(yōu)缺點(diǎn)，主動探索知識產(chǎn)生，發(fā)展的過程，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力。

三、鋰想的興起——鋰一次電池

教師：1958年，哈里斯提出鋰非水電解質(zhì)體系[2]，解決了鋰和水與氧氣反應(yīng)的問題。常見的鋰一次電池有鋰二氧化錳電池、鋰碘電池（用于心臟起搏器）、鋰亞硫酰氯電池等。

練習(xí)1：南孚紐扣電池屬于鋰二氧化錳電池。價(jià)格低，安全性

高，應(yīng)用于體重秤，電子車鑰匙等，總反應(yīng)：LiMnO=LiMnO。下列說法不正確的是

A.電解質(zhì)溶液可以是將Li-ClO溶于有機(jī)溶劑

B.Li作負(fù)極，電極方程式為Li-e=Li

C.正極電極方程式為MnO+e=MnO-

D.鈉比鋰更活潑，等質(zhì)量的鈉比鋰提供的電能多。

設(shè)計(jì)意圖：化學(xué)核心素養(yǎng)要求建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[1]。此前，學(xué)生已經(jīng)建立了原電池的基本模型，在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用該模型分析生活中常見電池的能力。此外，了解鋰一次電池在生活，醫(yī)療等方面的應(yīng)用。

四、鋰想的破滅——鋰二次電池

教師：1970年代，惠廷厄姆發(fā)現(xiàn)鋰離子可以自由地從二硫化鈦層狀結(jié)構(gòu)中嵌入、脫嵌。他用鋰做負(fù)極，二硫化鈦?zhàn)稣龢O制成了首個(gè)可充電鋰二次電池。

教師：放電時(shí)，負(fù)極：Li-e=Li，正極：Li進(jìn)入二硫化鈦層狀結(jié)構(gòu)中，即嵌入。提問，充電時(shí)呢？

學(xué)生8：充電時(shí)，陰極：Li++e=Li陽極：Li離開二硫化鈦層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)入電解質(zhì)溶液，即脫嵌。

原電池屬于變化過程類研究對象，化學(xué)模型中表達(dá)的要素有變化條件、變化過程和變化后的產(chǎn)物[3]。

學(xué)生活動：在教師的引導(dǎo)下基于以上要求構(gòu)建鋰二次電池模型

設(shè)計(jì)意圖：在學(xué)生已有的原電池模型基礎(chǔ)上拓展延伸，構(gòu)建鋰二次電池模型，比較正極的區(qū)別，幫助學(xué)生理解鋰離子的嵌入和脫嵌，為學(xué)習(xí)鋰離子電池做準(zhǔn)備。

教師：該電池有安全隱患。如圖3，在充電時(shí)，Li重新被還原成鋰，生成的鋰會像樹枝一樣無規(guī)則的生長，形成鋰枝晶，刺穿SEI膜與正極接觸，造成電池短路，爆炸。上世紀(jì)八十年代末，加拿大Moli Energy公司開發(fā)了商用鋰二次電池——鋰二硫化鉬電池。其憑借優(yōu)異的性能為公司帶來豐厚的利潤，但不斷出現(xiàn)起火爆炸等安全事故，直接導(dǎo)致公司倒閉。

設(shè)計(jì)意圖：化學(xué)核心素養(yǎng)包括科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任，失敗的鋰二次電池是鋰電池發(fā)展史上重要的一環(huán)，通過這段歷史，讓學(xué)生認(rèn)識到從理論到商品所需要思考的問題，知道尊重科學(xué)的重要性，培養(yǎng)學(xué)生的安全意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，體會科研的艱辛與不易，引導(dǎo)學(xué)生正確地對待科研道路上的挫折。

五、鋰想的復(fù)興——鋰離子電池

教師：吸取了Moli Energy事故的教訓(xùn)，受到正極材料研究成果的鼓舞，科學(xué)家提出正負(fù)極都采用可以嵌入、脫嵌Li+的層狀結(jié)構(gòu)材料。1980年，古迪納夫提出用鉆酸鋰（LiCoO）做正極材料，1985年，吉野彰找到了優(yōu)異的負(fù)極材料石墨。1991年索尼開發(fā)出了第一個(gè)商用鋰離子電池。

教師：放電時(shí)，Li從負(fù)極石墨中脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)溶液嵌入正極LiCoO中，充電時(shí)，恰好相反。在充放電過程中，Li在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌。

教師：展示實(shí)物模型。用黑豆代替鋰離子，模擬鋰離子在正負(fù)極間的嵌入、脫嵌。

設(shè)計(jì)意圖：模型可分為形式模型和實(shí)物模型[4]，制作鋰離子電池的實(shí)物模型，讓微觀離子“看得見，摸得著”，更直觀地呈現(xiàn)鋰離子在正負(fù)極間的嵌入和脫嵌。

學(xué)生活動：在鋰二次電池的基礎(chǔ)上，構(gòu)建鋰離子電池模型。

設(shè)計(jì)意圖：“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的要求有選擇不同模型綜合解釋或解決復(fù)雜的化學(xué)問題。在鋰二次電池的基礎(chǔ)上，將Li在正極的嵌入、脫嵌遷移到負(fù)極，進(jìn)一步形成模型認(rèn)知思想。能在今后的學(xué)習(xí)中運(yùn)用該模型分析LiFePO、LiMnO等體系的鋰離子電池。

練習(xí)2：新能源汽車更環(huán)保。特斯拉電動汽車使用鉆酸鋰電池，原理如圖5，該電池放電時(shí)的總反應(yīng)：LixC6+Li1-xCoO=C6+LiCoO，下列說法錯(cuò)誤的是

A.放電時(shí)負(fù)極質(zhì)量增大

B.放電時(shí)正極鋰的化合價(jià)未變

C.放電時(shí)正極的電極方程式：Li-xCoO+xe+xLi=Li- CoO

D.充電時(shí)陰極的電極方程式：6C+xLi+xe=LixC6

案例精選

教師：除了LiCoO體系的鋰離子電池，古迪納夫還提出用LiFePO、LiNiO、LiMnO做正極材料。LiNiO和LiMnO可以摻雜在LiCoO中使用以降低成本。比亞迪電動汽車采用了LiFePO電池，而同學(xué)們經(jīng)常乘坐的珠海公交——格力銀隆新能源電動汽車使用鈦酸鋰電池。以上電池各有優(yōu)劣，留給同學(xué)們課后查閱資料，進(jìn)行比較。

設(shè)計(jì)意圖：通過鋰離子電池在新能源汽車上的應(yīng)用，深刻認(rèn)識化學(xué)對滿足人民日益增長的美好生活需要的重大貢獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識和綠色低碳理念。課后作業(yè)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的社會問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

六、鋰離子電池的未來

教師：前景之一是金屬鋰做負(fù)極的全固態(tài)電池，97歲的古迪納夫仍然致力于這方面的研究。鋰電池的研究就像一個(gè)圓，為了安全，放棄了金屬鋰，為了電池更好地性能，又繞回了金屬鋰，但這并非回到了起點(diǎn)。

練習(xí)3：（2017年全國III卷）全固態(tài)鋰硫電池能量密度高、成本低，工作原理如圖所示，電極a用摻有石墨烯的S材料，電池反應(yīng)：16LixS=8LiSx（2≤x≤8）。下列說法錯(cuò)誤的是

A.放電時(shí)，正極可發(fā)生反應(yīng)：2LiS+2Li+2e=3LiS

B.放電時(shí)，外電路流過0.02mol電子，負(fù)極減重0.14g

C.石墨烯的作用主要是提高電極a的導(dǎo)電性

D.充電時(shí)間越長，電池中LiS的量越多

設(shè)計(jì)意圖：通過高考真題的練習(xí)，檢驗(yàn)學(xué)生在陌生環(huán)境下的信息分析能力和運(yùn)用原電池模型解決問題的能力。通過介紹鋰電池的發(fā)展方向，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，鼓勵(lì)學(xué)生投身科研。

教學(xué)反思：高三一輪復(fù)習(xí)枯燥乏味，教學(xué)中要回歸生活，多關(guān)注與化學(xué)有關(guān)的熱點(diǎn)問題，并以此為切入點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)習(xí)課，讓學(xué)生認(rèn)識到學(xué)習(xí)化學(xué)的價(jià)值和意義。鋰離子電池是學(xué)生熟知的素材，是為數(shù)不多的高中生能理解一些的諾獎(jiǎng)成果，學(xué)生對其興趣很高。在設(shè)計(jì)時(shí)選取了比較符合高三學(xué)生學(xué)情的內(nèi)容，復(fù)習(xí)了電化學(xué)基本原理，練習(xí)了電極方程式書寫，并將原電池認(rèn)知模型進(jìn)一步拓展，開闊了學(xué)生的視野。

在教學(xué)過程中注重化學(xué)核心素養(yǎng)的滲透，尤其是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。富蘭克林說過：“我們享受著他人的發(fā)明給我們帶來的巨大益處，也必須樂于用自己的發(fā)明去為他人服務(wù)”。只有在課堂上弘揚(yáng)科學(xué)精神，埋下科學(xué)的種子，鼓勵(lì)學(xué)生尊重科學(xué)，熱愛科學(xué)，投身科學(xué)，我們才能在不遠(yuǎn)的將來體會到更多新發(fā)明帶來的益處。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]黃彥瑜.鋰電池發(fā)展簡史[J].物理學(xué)史和物理學(xué)家，2007（8）：643-645.

[3]陳進(jìn)前.關(guān)注化學(xué)模型和模型認(rèn)知的思考[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（9）：5-9.

[4]陸軍.化學(xué)教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生模型認(rèn)知的思考與探索[J].化學(xué)教學(xué)，2017（9）：19-23.