能量转化及应用中的跨学科实践与思考

摘 要：本文基于社会可持续发展的要求，开展能量转化及应用的跨学科教学，以汽车能源的变迁为切入点，带领学生了解氢能源、化石燃料、储能电池的利弊和展望，旨在引导学生关注能源领域的发展趋势，直面能源问题，敢于迎接挑战，树立使命感和责任感。

关键词：能量转化；跨学科教学；新能源汽车

文章编号：1008-0546（2024）11-0062-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

化石燃料的使用导致环境污染和全球变暖等问题，影响了人类的可持续发展。中国提出“双碳”战略，倡导绿色环保和低碳生活方式，风能和太阳能等清洁能源代替化石能源是贯穿落实“双碳”战略的重要途径。在“双碳”战略的指导下，以新能源为主体的新型电力系统与新能源汽车协同发展成为必然趋势。［1］

一、教学主题内容及教学现状分析

1. 教学主题内容分析

在沪教版化学九年级下册第9章第1节“能源的综合利用”中，教材编排了化石燃料、电池、新能源等知识。本节旨在引导学生知道化石燃料是重要的自然资源，了解化石燃料对环境的污染，知道几种常见的能源，了解太阳能、氢能及目前使用的困难，知道几种常见的电池，认识电池是一种化学能转化为电能的装置，认识开发新能源、节约能源、提高能源利用率等措施在解决能源危机的重要性，体会化学在解决能源危机中的重大意义。《义务教育化学课程标准（2022年版）》中提出的十大跨学科社会实践活动，其中调查家用燃料的变迁与合理使用和调查我国新型能源的应用［2］，不仅呼应了本节教学内容，也凸显了跨学科学习的必然性。

跨学科的必然性在于，世界由物质构成，而物质转化的推手是能量。能量守恒定律是物理学科的核心，能量观是化学观念中的核心观念，太阳能是人类的能源之母，能量的转化和应用是世界上万事万物运行的根本。因此，物理、化学、生物等学科的学习，离不开能量的转化和应用。

2. 教学现状分析

我国在“碳达峰”“碳中和”目标指引下，逐步减少、替代化石能源，新能源将进入加速发展期，成为推动能源向清洁低碳转型的主力军。［3］教师在讲授能源这一节时，多采用划重点、学生背知识点的方式，形式简单，缺少深入的探究，不利于激发学生探究能源的兴趣。因此，笔者以汽车能源的变迁为情境，引导学生了解能源的形式、转化与应用，树立开发新能源并为社会可持续发展做贡献的意识。

二、教学思想和创新点

本研究的教学思想和创新点如下。

（1）任务驱动。以汽车能源为教学情境，寻找汽车能源的发展变迁为任务驱动，实验验证氢能源小汽车的运行时长。在教师的引领下，师生合作互动，知识和技能得以提升。

（2）问题设计。教师通过系列问题，引导学生思考，交流反馈。

（3）融合贯通。学生查阅文献资料、动手实验，融合物理、化学、生物、信息技术等多学科知识。

（4）价值导向。引导学生关注新能源的发展，树立科技强国的责任意识。

三、教学目标

笔者基于对教学主题内容和教学现状的分析，确立了以下教学目标。

（1）通过制作电动小汽车的电池，了解电解水制氢气获得氢能源的方法，探讨氢能源的优点和局限。

（2）通过探讨新能源汽车的发展趋势，分析新能源汽车使用中存在的问题。

（3）通过探讨电动汽车的储能电池，了解储能电池的发展趋势，以及锂电池的优缺点。

（4）通过探讨新能源汽车发展趋势，展望新能源的发展方向，感知化学的学科功能。

四、教学流程

本节课的教学流程如表1所示。首先，通过动手制作氢能源小汽车模型，激发学生对新能源的兴趣，直观感受氢能作为清洁能源的潜力。随后，引导学生深入探讨传统燃油汽车的优点与不足，培养批判性思维。接着，介绍新能源汽车的技术优势，拓宽学生视野。鼓励学生讨论新能源汽车当前面临的挑战，培养问题解决能力。最后，引导学生展望新能源汽车的未来发展趋势，激发创新思维，为可持续发展贡献力量。

五、 教学实录

1. 环节一：自制氢能源小汽车

［教师］人类的生命活动离不开能量，你的能量来源是什么？

［学生］食物，比如米饭、面包等。

［教师］碳水化合物的能量来自哪里？

［学生］植物的光合作用，将光能转化为化学能。

［教师］所有生物的自主性必然包含着对环境的依赖性。植物依靠叶绿体中的叶绿素捕获并转化太阳能。动物世界没有找到汲取太阳能的手段，而被迫去进食植物，这一过程促使动物发挥出了高度的活动性。动物在直接利用太阳能方面的不足，却变成了它们在地面、水中或空中运动的能力。因此，人类作为生物自然界的一部分，既有自主性也表现出对环境的依赖性。［4］人除了吃、喝需要能量，玩、乐也离不开能量，如电动汽车，电池没电了，汽车就无法正常运作，怎样能让汽车继续运作？

［学生］电解水制氢气，氢能让汽车运作。

［教师］设计思路是什么？

［学生］制作氢能小汽车，通过给电池充电来储存能量，再驱动汽车跑起来。因此，首先要制作电池。

［教师］如何设计电池？

［学生活动］查阅资料，并制作“锡纸—纸巾—活性炭—铜片”电池。操作过程如下：①配制碳酸钠溶液，将纸巾浸湿。②在纸巾上放活性炭、铜片，用锡纸包裹，制成“锡纸—纸巾—活性炭—铜片”电池。③正极接铜片，负极接锡纸，可将电压适配器调成6V，充电15秒，用万用表测试电压。④将充电后的电池安装在自制小车上，经过测试，小车跑起来了。

［教师］自制电池的原理是什么？

［学生］电解水通过电解产生氢气和氧气，存储在锡纸的电池内部，获得制备、储存、使用一体化的氢能电池。

［教师］该电池的能量最根本的来源是什么？

［学生］电能，来自电压适配器充的电。

［教师］氢能源的优点是什么？

［学生］来源广、热值高且无污染。

［教师］氢能源的优势明显，却没有普遍使用，为什么？

［学生］氢气的安全运输和储存存在问题，并且制氢成本高。

［教师］请查阅资料，了解氢能源。

［学生］各国清洁能源转型与“碳中和”的重要路径都是清洁氢。根据碳排放量和制取方式的不同，将氢能主要分为灰氢、蓝氢和绿氢三种：①以化石燃料为原料制氢以及工业副业制氢，会产生碳排放，技术最成熟，称为灰氢。②在灰氢制取的过程中辅以碳捕捉技术，得到蓝氢，可减少碳排放，但无法完全解决。③电解水制得绿氢，制取技术不如化石燃料制氢技术成熟，成本较高，但优点是不产生碳排放。［5］随着新能源（尤其光伏、风电等）电力成本的降低，电解水制氢成为将来低碳经济的主流方向。

2. 环节二：了解燃油车的利弊

［教师］你家里的汽车是燃油车还是新能源汽车？

［学生1］燃油车。

［学生2］新能源汽车。

［学生3］油电混合车。

［教师］说说燃油车的利与弊？

［学生1］燃油车的优点是其已发展百年，技术纯熟。

［学生2］燃油车的缺点是含碳化石燃料燃烧产生二氧化碳，不利于“碳中和”，并且传统化石燃料资源有限，开采困难。

3. 环节三：了解新能源汽车的优势

［教师］新能源包括哪些？

［学生］太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。

［教师］新能源汽车用的主要是锂电池，是否属于新能源？

［学生］不是。

［教师］锂电池属于什么能源？

［学生］锂电池是储能电池。

［教师］什么是储能？

［学生］储能是用不掉，先存起来，储能技术目前有抽水储能、压缩空气储能、超级电容储能、锂离子储能电池等形式。

［教师］储能电池有哪些？

［学生］铅蓄电池、镉镍电池和锂电池。

［教师］目前主流技术采用磷酸铁锂，用来存储太阳能或者风力发电的电能。在新能源车企，主要是充电储能给电动汽车提供动力电池。［6］为什么不直接用新能源（如光能和风能），而要用储能电池？

［学生］由于新能源生产对外部条件的高度敏感性，其内在的波动性和不稳定性已成为限制其广泛应用的瓶颈。为了有效地应对这些技术挑战，引入储能电池已变得至关重要。通过支持先进的储能电池，发电的波动性能得到了显著改善，从而提高了整体稳定性和可靠性。

4. 环节四：了解新能源汽车存在的问题

［教师］新能源汽车优势明显，燃油车是不是可以淘汰了？

［学生］短时间不可以淘汰燃油车，新能源汽车技术上还需要更新。电能汽车的安全事故经常出现，影响人身安全。

［教师］查阅资料，了解新能源汽车发生安全事故的原因？以及如何改进？

［学生］在我国电动汽车安全事故中，出现概率最高的是电池起火。动力电池着火分为动力电池自燃、充放电过程中起火燃烧及碰撞起火燃烧三种不同类型。电池本身自燃大多由短路引起，充放电起火涉及内容较多，包括过度充电、过度放电及非正常充电。［7］在分析电池安全的许多潜在危险时，机械和环境因素起着决定性的作用。从机械的角度来看，电池的安全性能可能会受到一系列机械问题的挑战。其中，振动、挤压和碰撞等物理效应可能会对电池产生负面影响。环境因素也对电池的安全构成严重挑战，盐雾、淋雨、水等环境因素会影响电池的正常运行。

［教师］随着安全事故的发生，相关工作人员从问题的源头着手 ，对动力电池性能进行全方位的检测和分析，明确电池性能是否达标，确保锂电池的检测技术完善。我国自然环境复杂多样，不同地区有不同的用车需求，比如在寒冷的北方，燃油车不用担心续航问题，在偏远山区，燃油车免除了寻找充电桩的问题。

5. 环节五：展望新能源汽车的发展方向

［教师］请预估汽车能源的发展方向是什么？

［学生1］新能源汽车存在冬天掉电快、充电难等技术短板，因此燃油车不能马上取消。

［学生2］氢气主要研究用于二氧化碳重整为有机物，作为燃料，存储介质还需进一步研究。燃油车暂时不会全面禁止。

［学生3］未来，燃油车辆可能会继续以不同程度、不同时间和不同比例存在于特定领域，如救护车、野外作业、军事、警察和消防工业。

［学生4］新能源汽车最终将全面取代燃油车。

［教师］未来燃料的发动机和电驱动的电动机会并存，还原性燃料（氢气、氨气、甲醇等）汽车和智能汽车都需要发展。油电混合车是一个过渡，电动汽车是最终方向，但实现这一方向还需要解决储能问题。

六、教学效果与反思

1. 基于教学基点，拓展思维深度和广度

汽车能源的探究，教学基点有三个方面：①电解水制氢气，氢能源的优缺点。②燃油汽车的利与弊。③新能源的种类。学生在已有知识的基础上，查阅资料，展开联想，解决真实问题，进一步拓展知识和思维的广度和深度。

2. 基于真实问题，培养责任担当意识

以探究汽车能源为线索，设计系列问题引导学生探究并思考问题，让学生形成独立自主的思维方式，体会化学的学科价值。同时，激发学生挑战难题的决心，提升勇于担当的责任意识。

参考文献

［1］于建国，孙庆，裘晟波，等.支撑国家新能源战略发展的锂资源开发［J］.无机盐工业，2023（1）：1-14．

［2］中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022．

［3］刘永奇，陈龙翔，韩小琪.能源转型下我国新能源替代的关键问题分析［J］.中国电机工程学报，2022（2）：515-524．

［4］埃德加·莫兰.整体性思维：人类及其世界［M］.北京：中国人民大学出版社，2020．

［5］王明华.新能源电解水制氢技术经济性分析［J］.现代化工，2023（5）：1-5．

［6］王锐.EN公司储能电池市场营销策略优化研究［D］.上海：华东师范大学，2021．

［7］赵岩岩，刘定宏，李召阳，等.新能源汽车锂离子动力电池安全性分析［J］.汽车与新动力，2023（1）：43-45．