生态文明建设理念导向的科学史展开教学研究

史盼

摘   要：生态文明建设理念导向的科技创新不仅能体现人们价值理念的变化，还能体现科学技术螺旋式上升、曲折式发展的历程，电动汽车的发展过程充分体现了这一理念。生态文明建设理念导向的科学史展开教学，可促使学生构建模型，探索不同化学电源的工作原理，并深化其对技术革新意义的理解，同时渗透生态文明建设理念，还能增强学生的社会责任感。

关键词：高中化学;化学电源;生态文明;科学史

中图分类号：G633.8    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2023）32-0054-04

著名化学家傅鹰曾说：“化学可以给人以知识，化学史可以给人以智慧”。纵观化学史，每一项科学技术在发展历程中，都经历了很多曲折，每一次的技术革新都体现着当代社会的价值取向。生态文明建设理念导向的科技创新不仅能体现人们价值理念的变化，还能体现科学技术螺旋式上升、曲折式发展的历程。生态文明理念促使人们的追求从实用性，转变到绿色化，再到人与自然可持续发展。比较科学发展史中不同阶段的技术革新，能够使学生深刻体会到科学技术的进步和创新。

一、科学史探索意义

电动汽车主要使用清洁能源，如电能、太阳能、氢能等，能源利用率高，同时减少了二氧化碳气体的排放，缓解了环境压力，是集科技、生态和人文于一体的实用技术。从发展的角度挖掘化学电源的更替可以促使学生更深层次地关注化学电源的工作原理及其现实意义。现笔者以化学史中电动汽车使用的化学电源为例展开研究，然后在探索化学电源为例技术革新的同时，展现生态文明建设理念的导向功能，如此可增强学生的社会责任感。

二、科学史展开教学策略

（一）跟踪化学史，创设情境，展现技术革新

电动汽车在100多年前经历了一次兴盛，但由于燃油汽车的发展，很快退出历史舞台。20世纪末出现的能源危机和环境问题，促使人们又一次转向新能源的开发。化学电源相较于化石燃料，因其污染小、能量转化率高而备受关注。电动汽车的化学电源经历铅蓄电池、镍氢电池、锂系电池和燃料电池等，其电池性能从持续时间短、笨重、材料有污染，逐渐向节能、环保、高效、可再生等方向转变。教师创设情境，引导学生探索在电动汽车不断发展的历史中，化学电源经历的技术革新，进而总结出化学电源的优缺点及其在整个电动汽车发展史中的作用，如上表所示。由此可以看出，技术革新是推动科技发展的原动力，100多年前电动汽车的衰败是由于技术发展不能满足人们的需要造成的。20世纪末由于环境问题和能源危机的出现，促使人类又一次转向新能源的开发，电动汽车重新走进人们的视野。

（二）由浅入深，构建模型探析化学电源工作原理

1.以传统电源铅蓄电池为例，构建思维模型。

例题1  铅蓄电池因其电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低康，应用广泛，电池反应式为：PbO2+Pb+2H2SO4     2PbSO4+2H2O，下列有关说法正确的是_____。（双选）

A.Pb为电池的负极，发生氧化反应，电极方程式为：Pb-2e-=Pb2+

B.铅蓄电池放电时，正、负电极质量均增大

C.铅蓄电池放电时，H+定向移动去PbO2极

D.放电过程中，正极区附近pH减小

题例分析：该题的解题关键在于能否准确判断化学电源的电极。教师可引导学生通过分析电子转移的方向判断电源的正负极，并结合电解质写出电极反应。通过电极反应分析电极质量变化及其pH變化，进而初步建立解题思维模型：

2.以汽车现用镍氢电池和锂离子电池为突破口，整合思维模型。

例题2  三代混合动力车目前一般使用镍氢电池（M表示储氢合金;汽车在下坡或刹车时，电池处于充电状态）。镍氢电池充放电原理如图3所示：

根据所给信息判断正确的是

A.此汽车上坡或加速时，乙电极周围溶液pH减小

B.此汽车上坡或加速时，电解液中OH-向甲电极移动

C.此汽车下坡或刹车时，H2O中的氢元素被氧化

D.此汽车下坡或刹车时，乙电极反应式为：Ni（OH）2+OH--e-=H2O+NiOOH

题例分析：该题并没有直接给出总反应，教师可以引导学生直接通过化合价变化判断电源的电极。已知汽车下坡或刹车时，电池处于充电状态，由此可推断汽车上坡或加速时，处于放电状态，即实线为化学电源的放电过程。此时，学生并不熟悉甲电极的储氢合金原理，而乙电极的含镍物质化合价判断较为简单，可作为该题的切入点，镍元素化合价由+3价降低到+2价，得电子，乙电极为电源的正极，然后再进行下一步的分析。

例题3 某锂离子电池原理如图4，利用锂离子能在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出石墨烯电池（石墨作为金属锂的载体），电池反应式为LixC6+Li1-xCoO2    C6+LiCoO2，其工作原理如图4。下列关于该电池的说法正确的是（     ）

A.该电池若用隔膜可选用质子交换膜

B.放电时，LiCoO2极发生的电极反应为

LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+

C.石墨烯电池的优点是提高电池的储锂容量进而提高能量密度

D.对废旧的该电池进行“放电处理”让Li+嵌入石墨烯中而有利于回收

题例分析：该题的总反应较为复杂，不易进行元素化合价判断。教师需要引导学生详细审题，然后由图中Li+的移动方向判断出石墨烯为电源的负极，然后结合题中信息“石墨作为金属锂的载体”可知，放电过程中锂元素化合价由0价变为+1价，故负极反应为LixC6-xe-=xLi++C6。正极分析仍为难点，中心元素化合价分析较为困难，此时可将正极材料作为整体进行分析，根据正负极得失电子数相等，结合电解质Li+得到正极反应Li1-xCoO2+xe-+xLi+=LiCoO2.

通过以上题例分析可以看出，化学电源的解题关键在于准确分析电极和正确书写电极反应。此时引导学生结合原电池工作原理，从不同角度判断电源的电极，可进一步完善思维模型如图5所示：

3.以作氢燃料电池为代表，深化思维模型。

例题4 氢燃料电池被誉为氢能源汽车心脏。某种氢燃料电池的内部结构如图6所示，下列说法不正确的是（     ）

A.a处通入氢气

B.电池每消耗11.2L氢气，电路中通过的电子为NA

C.右侧的电极反应式为：O2+4e++4H+=2H2O

D.右侧电极为电池的负极

题例分析：该题学生可以轻松写出总反应

2H2+O2=2H2O。分析图中信息，可快速找出电子移动方向、离子移动方向，并判断出化学电源的正负极，然后根据氧化还原反应得失电子守恒规律可判断出氢气和氧气的通入电极，并进行定量计算。然而燃料电池的难点还在于如何正确书写电极反应，这时关注电解质是关键，教师可以通过改变电解质训练学生书写电极反应的能力。

（三）综合原理分析，深化生态文明理念

教师引导学生结合电源结构、（下转第60页）（上接第56页）电极反应及生活经历再一次分析不同电源作为电动汽车电源的优缺点，重点从电池结构、材料来源、环保性能等方面分析。由此可以看出，铅蓄电池具有笨重、废旧电池处理污染环境等缺点，并不是很好的电动汽车用电源。镍氢电池和锂离子电池循环性好、轻便、比能量高，是现在电动汽车的主要电源。燃料电池原料清洁，能够实现零排放，但仍存在原料制备昂贵、储存难等技术限制。可见，开发新能源和环境保护是化学电源技术革新的指导方向，而技术革新又推动着电动汽车的发展，改善了人们的出行方式。

三、结语

（一）构建模型，理清不同电源的共性

证据推理与模型认知是化學学科素养之一，即通过构建模型，认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，进而可理清科学史中不同电源的共性。笔者以题例的形式分析电动汽车发展史中不同电池的工作原理，然后以电极判断为核心，建立思维模型。

（二）生态文明理念导向教学，培养“发展”的视角

新型化学电源，是生态文明建设理念导向科学技术革新的典型代表。不论是新材料的研发、科技的创新，还是生产方式的转变，每项技术进步都经历了曲折的历程。在历史中探寻科技的发展，既符合生态文明建设理念的价值导向，又符合事物发展由简单到复杂、由实用性到可持续性的基本规律，同时还符合学生学习知识由易到难、从提出问题到解决问题的基本规律。通过题例的对比探究，深层次挖掘知识的本质，进而探讨每一次技术革新的意义，可以充分体现化学的学科魅力及其社会价值，如此可增强学生的社会责任感。

参考文献：

[1]蔡元博，贺   新.基于真实情境培养学生化学学科核心素养——以“电动车的动力电池”教学设计为例[J].高中数理化，2020，（10）：58～61.

[2]何   泳.“以史为鉴”——从汽车能源技术发展史看我国电动汽车发展战略[J].科技管理研究，2014，34（14）：31～36.

【责任编辑 韩梁彦】