能量轉(zhuǎn)化及應(yīng)用中的跨學(xué)科實(shí)踐與思考

摘 要：本文基于社會可持續(xù)發(fā)展的要求，開展能量轉(zhuǎn)化及應(yīng)用的跨學(xué)科教學(xué)，以汽車能源的變遷為切入點(diǎn)，帶領(lǐng)學(xué)生了解氫能源、化石燃料、儲能電池的利弊和展望，旨在引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注能源領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，直面能源問題，敢于迎接挑戰(zhàn)，樹立使命感和責(zé)任感。

關(guān)鍵詞：能量轉(zhuǎn)化；跨學(xué)科教學(xué)；新能源汽車

文章編號：1008-0546（2024）11-0062-04

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

化石燃料的使用導(dǎo)致環(huán)境污染和全球變暖等問題，影響了人類的可持續(xù)發(fā)展。中國提出“雙碳”戰(zhàn)略，倡導(dǎo)綠色環(huán)保和低碳生活方式，風(fēng)能和太陽能等清潔能源代替化石能源是貫穿落實(shí)“雙碳”戰(zhàn)略的重要途徑。在“雙碳”戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)與新能源汽車協(xié)同發(fā)展成為必然趨勢。［1］

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

1. 教學(xué)主題內(nèi)容分析

在滬教版化學(xué)九年級下冊第9章第1節(jié)“能源的綜合利用”中，教材編排了化石燃料、電池、新能源等知識。本節(jié)旨在引導(dǎo)學(xué)生知道化石燃料是重要的自然資源，了解化石燃料對環(huán)境的污染，知道幾種常見的能源，了解太陽能、氫能及目前使用的困難，知道幾種常見的電池，認(rèn)識電池是一種化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，認(rèn)識開發(fā)新能源、節(jié)約能源、提高能源利用率等措施在解決能源危機(jī)的重要性，體會化學(xué)在解決能源危機(jī)中的重大意義。《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提出的十大跨學(xué)科社會實(shí)踐活動，其中調(diào)查家用燃料的變遷與合理使用和調(diào)查我國新型能源的應(yīng)用［2］，不僅呼應(yīng)了本節(jié)教學(xué)內(nèi)容，也凸顯了跨學(xué)科學(xué)習(xí)的必然性。

跨學(xué)科的必然性在于，世界由物質(zhì)構(gòu)成，而物質(zhì)轉(zhuǎn)化的推手是能量。能量守恒定律是物理學(xué)科的核心，能量觀是化學(xué)觀念中的核心觀念，太陽能是人類的能源之母，能量的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用是世界上萬事萬物運(yùn)行的根本。因此，物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的學(xué)習(xí)，離不開能量的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。

2. 教學(xué)現(xiàn)狀分析

我國在“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)指引下，逐步減少、替代化石能源，新能源將進(jìn)入加速發(fā)展期，成為推動能源向清潔低碳轉(zhuǎn)型的主力軍。［3］教師在講授能源這一節(jié)時，多采用劃重點(diǎn)、學(xué)生背知識點(diǎn)的方式，形式簡單，缺少深入的探究，不利于激發(fā)學(xué)生探究能源的興趣。因此，筆者以汽車能源的變遷為情境，引導(dǎo)學(xué)生了解能源的形式、轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，樹立開發(fā)新能源并為社會可持續(xù)發(fā)展做貢獻(xiàn)的意識。

二、教學(xué)思想和創(chuàng)新點(diǎn)

本研究的教學(xué)思想和創(chuàng)新點(diǎn)如下。

（1）任務(wù)驅(qū)動。以汽車能源為教學(xué)情境，尋找汽車能源的發(fā)展變遷為任務(wù)驅(qū)動，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證氫能源小汽車的運(yùn)行時長。在教師的引領(lǐng)下，師生合作互動，知識和技能得以提升。

（2）問題設(shè)計。教師通過系列問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，交流反饋。

（3）融合貫通。學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料、動手實(shí)驗(yàn)，融合物理、化學(xué)、生物、信息技術(shù)等多學(xué)科知識。

（4）價值導(dǎo)向。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注新能源的發(fā)展，樹立科技強(qiáng)國的責(zé)任意識。

三、教學(xué)目標(biāo)

筆者基于對教學(xué)主題內(nèi)容和教學(xué)現(xiàn)狀的分析，確立了以下教學(xué)目標(biāo)。

（1）通過制作電動小汽車的電池，了解電解水制氫氣獲得氫能源的方法，探討氫能源的優(yōu)點(diǎn)和局限。

（2）通過探討新能源汽車的發(fā)展趨勢，分析新能源汽車使用中存在的問題。

（3）通過探討電動汽車的儲能電池，了解儲能電池的發(fā)展趨勢，以及鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)。

（4）通過探討新能源汽車發(fā)展趨勢，展望新能源的發(fā)展方向，感知化學(xué)的學(xué)科功能。

四、教學(xué)流程

本節(jié)課的教學(xué)流程如表1所示。首先，通過動手制作氫能源小汽車模型，激發(fā)學(xué)生對新能源的興趣，直觀感受氫能作為清潔能源的潛力。隨后，引導(dǎo)學(xué)生深入探討傳統(tǒng)燃油汽車的優(yōu)點(diǎn)與不足，培養(yǎng)批判性思維。接著，介紹新能源汽車的技術(shù)優(yōu)勢，拓寬學(xué)生視野。鼓勵學(xué)生討論新能源汽車當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，培養(yǎng)問題解決能力。最后，引導(dǎo)學(xué)生展望新能源汽車的未來發(fā)展趨勢，激發(fā)創(chuàng)新思維，為可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

五、 教學(xué)實(shí)錄

1. 環(huán)節(jié)一：自制氫能源小汽車

［教師］人類的生命活動離不開能量，你的能量來源是什么？

［學(xué)生］食物，比如米飯、面包等。

［教師］碳水化合物的能量來自哪里？

［學(xué)生］植物的光合作用，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

［教師］所有生物的自主性必然包含著對環(huán)境的依賴性。植物依靠葉綠體中的葉綠素捕獲并轉(zhuǎn)化太陽能。動物世界沒有找到汲取太陽能的手段，而被迫去進(jìn)食植物，這一過程促使動物發(fā)揮出了高度的活動性。動物在直接利用太陽能方面的不足，卻變成了它們在地面、水中或空中運(yùn)動的能力。因此，人類作為生物自然界的一部分，既有自主性也表現(xiàn)出對環(huán)境的依賴性。［4］人除了吃、喝需要能量，玩、樂也離不開能量，如電動汽車，電池沒電了，汽車就無法正常運(yùn)作，怎樣能讓汽車?yán)^續(xù)運(yùn)作？

［學(xué)生］電解水制氫氣，氫能讓汽車運(yùn)作。

［教師］設(shè)計思路是什么？

［學(xué)生］制作氫能小汽車，通過給電池充電來儲存能量，再驅(qū)動汽車跑起來。因此，首先要制作電池。

［教師］如何設(shè)計電池？

［學(xué)生活動］查閱資料，并制作“錫紙—紙巾—活性炭—銅片”電池。操作過程如下：①配制碳酸鈉溶液，將紙巾浸濕。②在紙巾上放活性炭、銅片，用錫紙包裹，制成“錫紙—紙巾—活性炭—銅片”電池。③正極接銅片，負(fù)極接錫紙，可將電壓適配器調(diào)成6V，充電15秒，用萬用表測試電壓。④將充電后的電池安裝在自制小車上，經(jīng)過測試，小車跑起來了。

［教師］自制電池的原理是什么？

［學(xué)生］電解水通過電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，存儲在錫紙的電池內(nèi)部，獲得制備、儲存、使用一體化的氫能電池。

［教師］該電池的能量最根本的來源是什么？

［學(xué)生］電能，來自電壓適配器充的電。

［教師］氫能源的優(yōu)點(diǎn)是什么？

［學(xué)生］來源廣、熱值高且無污染。

［教師］氫能源的優(yōu)勢明顯，卻沒有普遍使用，為什么？

［學(xué)生］氫氣的安全運(yùn)輸和儲存存在問題，并且制氫成本高。

［教師］請查閱資料，了解氫能源。

［學(xué)生］各國清潔能源轉(zhuǎn)型與“碳中和”的重要路徑都是清潔氫。根據(jù)碳排放量和制取方式的不同，將氫能主要分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫三種：①以化石燃料為原料制氫以及工業(yè)副業(yè)制氫，會產(chǎn)生碳排放，技術(shù)最成熟，稱為灰氫。②在灰氫制取的過程中輔以碳捕捉技術(shù)，得到藍(lán)氫，可減少碳排放，但無法完全解決。③電解水制得綠氫，制取技術(shù)不如化石燃料制氫技術(shù)成熟，成本較高，但優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生碳排放。［5］隨著新能源（尤其光伏、風(fēng)電等）電力成本的降低，電解水制氫成為將來低碳經(jīng)濟(jì)的主流方向。

2. 環(huán)節(jié)二：了解燃油車的利弊

［教師］你家里的汽車是燃油車還是新能源汽車？

［學(xué)生1］燃油車。

［學(xué)生2］新能源汽車。

［學(xué)生3］油電混合車。

［教師］說說燃油車的利與弊？

［學(xué)生1］燃油車的優(yōu)點(diǎn)是其已發(fā)展百年，技術(shù)純熟。

［學(xué)生2］燃油車的缺點(diǎn)是含碳化石燃料燃燒產(chǎn)生二氧化碳，不利于“碳中和”，并且傳統(tǒng)化石燃料資源有限，開采困難。

3. 環(huán)節(jié)三：了解新能源汽車的優(yōu)勢

［教師］新能源包括哪些？

［學(xué)生］太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。

［教師］新能源汽車用的主要是鋰電池，是否屬于新能源？

［學(xué)生］不是。

［教師］鋰電池屬于什么能源？

［學(xué)生］鋰電池是儲能電池。

［教師］什么是儲能？

［學(xué)生］儲能是用不掉，先存起來，儲能技術(shù)目前有抽水儲能、壓縮空氣儲能、超級電容儲能、鋰離子儲能電池等形式。

［教師］儲能電池有哪些？

［學(xué)生］鉛蓄電池、鎘鎳電池和鋰電池。

［教師］目前主流技術(shù)采用磷酸鐵鋰，用來存儲太陽能或者風(fēng)力發(fā)電的電能。在新能源車企，主要是充電儲能給電動汽車提供動力電池。［6］為什么不直接用新能源（如光能和風(fēng)能），而要用儲能電池？

［學(xué)生］由于新能源生產(chǎn)對外部條件的高度敏感性，其內(nèi)在的波動性和不穩(wěn)定性已成為限制其廣泛應(yīng)用的瓶頸。為了有效地應(yīng)對這些技術(shù)挑戰(zhàn)，引入儲能電池已變得至關(guān)重要。通過支持先進(jìn)的儲能電池，發(fā)電的波動性能得到了顯著改善，從而提高了整體穩(wěn)定性和可靠性。

4. 環(huán)節(jié)四：了解新能源汽車存在的問題

［教師］新能源汽車優(yōu)勢明顯，燃油車是不是可以淘汰了？

［學(xué)生］短時間不可以淘汰燃油車，新能源汽車技術(shù)上還需要更新。電能汽車的安全事故經(jīng)常出現(xiàn)，影響人身安全。

［教師］查閱資料，了解新能源汽車發(fā)生安全事故的原因？以及如何改進(jìn)？

［學(xué)生］在我國電動汽車安全事故中，出現(xiàn)概率最高的是電池起火。動力電池著火分為動力電池自燃、充放電過程中起火燃燒及碰撞起火燃燒三種不同類型。電池本身自燃大多由短路引起，充放電起火涉及內(nèi)容較多，包括過度充電、過度放電及非正常充電。［7］在分析電池安全的許多潛在危險時，機(jī)械和環(huán)境因素起著決定性的作用。從機(jī)械的角度來看，電池的安全性能可能會受到一系列機(jī)械問題的挑戰(zhàn)。其中，振動、擠壓和碰撞等物理效應(yīng)可能會對電池產(chǎn)生負(fù)面影響。環(huán)境因素也對電池的安全構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn)，鹽霧、淋雨、水等環(huán)境因素會影響電池的正常運(yùn)行。

［教師］隨著安全事故的發(fā)生，相關(guān)工作人員從問題的源頭著手 ，對動力電池性能進(jìn)行全方位的檢測和分析，明確電池性能是否達(dá)標(biāo)，確保鋰電池的檢測技術(shù)完善。我國自然環(huán)境復(fù)雜多樣，不同地區(qū)有不同的用車需求，比如在寒冷的北方，燃油車不用擔(dān)心續(xù)航問題，在偏遠(yuǎn)山區(qū)，燃油車免除了尋找充電樁的問題。

5. 環(huán)節(jié)五：展望新能源汽車的發(fā)展方向

［教師］請預(yù)估汽車能源的發(fā)展方向是什么？

［學(xué)生1］新能源汽車存在冬天掉電快、充電難等技術(shù)短板，因此燃油車不能馬上取消。

［學(xué)生2］氫氣主要研究用于二氧化碳重整為有機(jī)物，作為燃料，存儲介質(zhì)還需進(jìn)一步研究。燃油車暫時不會全面禁止。

［學(xué)生3］未來，燃油車輛可能會繼續(xù)以不同程度、不同時間和不同比例存在于特定領(lǐng)域，如救護(hù)車、野外作業(yè)、軍事、警察和消防工業(yè)。

［學(xué)生4］新能源汽車最終將全面取代燃油車。

［教師］未來燃料的發(fā)動機(jī)和電驅(qū)動的電動機(jī)會并存，還原性燃料（氫氣、氨氣、甲醇等）汽車和智能汽車都需要發(fā)展。油電混合車是一個過渡，電動汽車是最終方向，但實(shí)現(xiàn)這一方向還需要解決儲能問題。

六、教學(xué)效果與反思

1. 基于教學(xué)基點(diǎn)，拓展思維深度和廣度

汽車能源的探究，教學(xué)基點(diǎn)有三個方面：①電解水制氫氣，氫能源的優(yōu)缺點(diǎn)。②燃油汽車的利與弊。③新能源的種類。學(xué)生在已有知識的基礎(chǔ)上，查閱資料，展開聯(lián)想，解決真實(shí)問題，進(jìn)一步拓展知識和思維的廣度和深度。

2. 基于真實(shí)問題，培養(yǎng)責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識

以探究汽車能源為線索，設(shè)計系列問題引導(dǎo)學(xué)生探究并思考問題，讓學(xué)生形成獨(dú)立自主的思維方式，體會化學(xué)的學(xué)科價值。同時，激發(fā)學(xué)生挑戰(zhàn)難題的決心，提升勇于擔(dān)當(dāng)?shù)呢?zé)任意識。

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