沿科技發展，尋化學之美

摘" "要：將國家最新科技發展成果融入化學課程教學，從“三峽氫舟1號”出發創設情境，圍繞氫的發展史開展教學，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展相結合，增強學生的民族自豪感，促進學生化學學科核心素養的發展。

關鍵詞：高中化學；科技發展；氫能；燃料電池；核心素養

1" 科技發展融入中學化學課程的價值

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

將國家科技發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”為本的教學轉化為以“促進學生認識發展”為本的教學，能夠豐富化學教學的內涵，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知識的同時，能夠深入了解國家在科技領域的輝煌成就，增強學生的民族自豪感和自信心，激發學生探索科學的熱情，培養他們的創新思維和實踐能力。這種“促進學生認識發展”的創新教學設計，不僅能促進學生理解和獲得知識、建構學科觀念，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，從而實現能力和素養的發展[ 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，發展學生的科學探究素養。

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

（3）通過推理原電池的構成要素，進一步構建原電池的認識模型，培養“證據推理與模型認知”的學科核心素養。通過宏觀的實驗現象（發光二極管變亮）分析其微觀離子、電子的移動，從宏觀現象分析微觀原理，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。

2.2" 素養目標

從“國之重器——三峽氫舟1號”出發創設教學情境，使學生體會到科技發展之美，這不僅僅是一艘先進的船舶，更是中國科技創新的杰出代表，它承載著綠色、環保、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”的設計理念、技術創新和實際應用，學生能夠深刻感受到科技發展對于社會進步、環境保護和可持續發展的重要性。

3" 教學思路

教學思路如圖1所示。

4" 教學設計

4.1" 創設情境

[新聞導入] 萬里長江迎“氫舟”。

2023年10月11日，國內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在內河船舶應用實現了零的突破。

[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化為電能？

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

4.2" 任務驅動

4.2.1" 任務一：淺析氫氧燃料電池

[小組1]氫氧燃料電池能夠將氫氣和氧氣的化學能直接轉化為電能，過程中不通過燃燒，反應的產物是水，不產生污染的排放。

[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，失去的電子經由外電路流向正極，氧氣在正極得電子生成氫氧根，實現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化為電能。

設計意圖：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——制作氫發展史大事年表

[創設情境] 在三峽工程下游的楊家灣碼頭，建設了國內首個內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、加注等環節，直接供給氫能源船舶。能源科技既面向經濟主戰場，又面向國家重大需求，是科技發展領域的重中之重。在未來可持續發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“發現氫氣→電解水制氫→儲氫技術→氫能的優勢”制作氫發展史大事年表[ 3 ]。

[小組1] 發現氫氣。

中世紀，瑞士冶金學家帕拉塞爾蘇斯發現，當鐵溶解在硫酸中時會產生氣體。后來，卡文迪許發現把一定量的鋅和鐵投入到充足的鹽酸和稀硫酸中，發現所產生的氣體量是固定不變的，說明這種新的氣體的產量與所用酸的種類沒關系，與酸的濃度也沒有關系。卡文迪許用排水法收集了新的氣體，發現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現，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：鋅與硫酸發生化學反應，產生的氫流過含鉑的海綿，與氧自發地反應，產生的熱量會點燃氣態的氫，產生火焰。

1839年，威廉格爾夫發明了第一個燃料電池，它由四個串聯的電解槽組成，使用稀硫酸做電解質，鉑絲做電極，通過電解水產生氫氣和氧氣，氫氣和氧氣通過電化學反應產生電流，產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，第一臺發電機面世，它能夠將任何種類的機械能有效地轉化為電能，燃料電池失去了其作為發電機的重要性。因此，直至20世紀中葉，燃料電池都沒有得到發展。

[小組3] 儲氫技術。

1803年，沃拉斯頓發現金屬鈀之后不久，格雷漢姆發現這種金屬可以通過形成金屬氫化物來吸收大量的氫，這一發現成為金屬氫化物儲氫技術的基礎。1898年5月10日，蘇格蘭人詹姆斯杜瓦使用循環冷卻法首次實現靜態液化氫。他利用液氮在180個大氣壓下對氣態氫進行了預冷卻，然后通過絕緣容器中的節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。膨脹的氫氣產生了約20 cm3的液氫，約為初始氫氣體積的1%。

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

[小組4] 氫能的優勢。

（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，產物是水，是理想的高能和潔凈燃料。

（2）推動能源綠色低碳轉型。

在“雙碳”目標下，我國氫能產業已逐步進入技術攻堅關鍵階段，依托內蒙古烏蘭察布“綠氫制備”項目，石化機械同時開展堿水制氫和PEM制氫裝備的裝配調試，成功實現高純度氫氣的連續穩定產出。綠氫通過運輸管道送至河北、天津等地，用于替代現有部分以天然氣為原料、生產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業化。

目前氫儲技術包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、金屬合金固態儲氫、有機液體儲氫。其中金屬合金固態儲氫、有機液體儲氫相關技術還未成熟，高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫技術相對成熟，有望率先實現產業化應用，降低加氫成本。

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

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] 根據氫氧燃料電池的構成要素及工作原理，選擇合適的材料，完成方案設計。

[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] 連入發光二極管，檢驗自制氫氧燃料電池是否成功（圖5）。

[活動] 根據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，這就實現了溶液中離子的定向移動，因此我們觀察到發光二級管亮了。

[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。

設計意圖：實驗選材自生活中常見的材料，有助于激發學生的學習興趣和實踐能力，還能增強知識的實際應用性，培養學生的環保意識和安全意識，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絡、書籍等方式查閱我國氫氧燃料電池的發展及氫氧燃料電池大規模量產的局限。

設計意圖：學生通過課后查閱資料，了解我國科技發展的新成就、新成果，充實豐富培養學生社會責任感、創新精神、實踐能力。

5" 結語

科技是國之利器，將科技發展新成就融入化學課程的創新教學設計，符合國家發展新質生產力的要求，能夠充分發揮教育培養急需人才的先導性優勢，有效促進學生學科能力和素養發展，實現教育、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，關注科技領域的最新動態，了解新技術在化學領域的應用，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：化學工業出版社，2012：1-4.