化学核心素养引领下的教学设计

陶伟桐

摘要：以锂离子电池为素材，设计电化学复习课。在教学中介绍锂电池的发展史，渗透化学核心素养，逐步构建锂离子电池模型，着重培养学生的科学精神。

关键词：化学核心素养;教学设计;锂离子电池

中图分类号：G633.8    文献标识码：A    文章编号：1992-7711（2021）20-0088

2019年诺贝尔化学奖授予了锂离子电池领域的三位科学家，古迪纳夫、惠廷厄姆和吉野彰。锂离子电池广泛应用于电子产品和新能源汽车，也可以储存太阳能和风能，使无化石燃料的绿色未来成为可能。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中，电化学的情景素材建议有铅蓄电池、锂离子电池等生活中常见的电池，化学电池的发展史与新型电池的开发[1]。在高三一轮复习时，以鋰离子电池为素材，设计电化学复习课。教学过程中以时间为轴，引领学生了解锂离子电池的前世今生，展望锂电池的未来，落实核心素养，培养科学精神，巩固电化学知识。

一、导入新课

实物展示：南孚纽扣电池和手机电池。

播放视频：介绍锂离子电池的应用及三位诺奖得主。

设计意图：从生活中找素材，感受诺奖成果带来的便利。通过锂离子电池的应用说明化学在生活中的重要性和对人类文明的贡献。通过视频了解97岁还在努力工作，为科研做贡献的古迪纳夫。倡导学生努力学习科学文化知识，回馈社会。

二、锂想的萌发

教师：提问课前预习内容。什么叫比能量？如何判断电池性能的优劣？

学生1：比能量是单位质量或单位体积输出电能的多少。电池的比能量越大越好。

学生2：充电五分钟，通话两小时。

教师：很成功的手机广告语，抓住了消费者的需求，电池充电速度要快，容量要大，这也是新能源汽车最需要解决的问题。

学生3：电压要高。

教师：1817年，瑞典化学家阿尔费德森发现锂元素。1855年，德国化学家威廉·本生用电解法获得了金属锂，此后半个多世纪，金属锂默默无闻。1913年美国化学家路易斯测得锂的电极电势极低（-3.04V），电化学工作者开始关注锂。

教师：提问，金属锂做负极有什么优点。

学生4：锂是密度最小的金属，ρ=0.53g/cm，可以使电子产品体积小、重量轻。

学生5：电极电势极低，用锂做负极电池电压较大。

学生6：金属锂无污染。

教师：除大家所说的优点外，锂电池比能量也高。展示表1数据。

教师：提问，锂做负极的缺点呢？

学生7：锂是碱金属，比较活泼，易与水和空气中的氧气反应。

设计意图：电子产品和新能源汽车的广泛使用可以让学生通过亲身感受来总结好电池的要求。学生可基于锂的性质进行分析推理，总结锂做负极的优缺点，主动探索知识产生，发展的过程，培养学生学以致用的能力。

三、锂想的兴起——锂一次电池

教师：1958年，哈里斯提出锂非水电解质体系[2]，解决了锂和水与氧气反应的问题。常见的锂一次电池有锂二氧化锰电池、锂碘电池（用于心脏起搏器）、锂亚硫酰氯电池等。

练习1：南孚纽扣电池属于锂二氧化锰电池。价格低，安全性

高，应用于体重秤，电子车钥匙等，总反应：LiMnO=LiMnO。下列说法不正确的是

A.电解质溶液可以是将Li-ClO溶于有机溶剂

B.Li作负极，电极方程式为Li-e=Li

C.正极电极方程式为MnO+e=MnO-

D.钠比锂更活泼，等质量的钠比锂提供的电能多。

设计意图：化学核心素养要求建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律[1]。此前，学生已经建立了原电池的基本模型，在此基础上培养学生运用该模型分析生活中常见电池的能力。此外，了解锂一次电池在生活，医疗等方面的应用。

四、锂想的破灭——锂二次电池

教师：1970年代，惠廷厄姆发现锂离子可以自由地从二硫化钛层状结构中嵌入、脱嵌。他用锂做负极，二硫化钛做正极制成了首个可充电锂二次电池。

教师：放电时，负极：Li-e=Li，正极：Li进入二硫化钛层状结构中，即嵌入。提问，充电时呢？

学生8：充电时，阴极：Li++e=Li阳极：Li离开二硫化钛层状结构进入电解质溶液，即脱嵌。

原电池属于变化过程类研究对象，化学模型中表达的要素有变化条件、变化过程和变化后的产物[3]。

学生活动：在教师的引导下基于以上要求构建锂二次电池模型

设计意图：在学生已有的原电池模型基础上拓展延伸，构建锂二次电池模型，比较正极的区别，帮助学生理解锂离子的嵌入和脱嵌，为学习锂离子电池做准备。

教师：该电池有安全隐患。如图3，在充电时，Li重新被还原成锂，生成的锂会像树枝一样无规则的生长，形成锂枝晶，刺穿SEI膜与正极接触，造成电池短路，爆炸。上世纪八十年代末，加拿大Moli Energy公司开发了商用锂二次电池——锂二硫化钼电池。其凭借优异的性能为公司带来丰厚的利润，但不断出现起火爆炸等安全事故，直接导致公司倒闭。

设计意图：化学核心素养包括科学态度与社会责任，失败的锂二次电池是锂电池发展史上重要的一环，通过这段历史，让学生认识到从理论到商品所需要思考的问题，知道尊重科学的重要性，培养学生的安全意识和严谨求实的科学态度，体会科研的艰辛与不易，引导学生正确地对待科研道路上的挫折。

五、锂想的复兴——锂离子电池

教师：吸取了Moli Energy事故的教训，受到正极材料研究成果的鼓舞，科学家提出正负极都采用可以嵌入、脱嵌Li+的层状结构材料。1980年，古迪纳夫提出用钻酸锂（LiCoO）做正极材料，1985年，吉野彰找到了优异的负极材料石墨。1991年索尼开发出了第一个商用锂离子电池。

教师：放电时，Li从负极石墨中脱嵌，经过电解质溶液嵌入正极LiCoO中，充电时，恰好相反。在充放电过程中，Li在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。

教师：展示实物模型。用黑豆代替锂离子，模拟锂离子在正负极间的嵌入、脱嵌。

设计意图：模型可分为形式模型和实物模型[4]，制作锂离子电池的实物模型，让微观离子“看得见，摸得着”，更直观地呈现锂离子在正负极间的嵌入和脱嵌。

学生活动：在锂二次电池的基础上，构建锂离子电池模型。

设计意图：“模型认知”素养的要求有选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题。在锂二次电池的基础上，将Li在正极的嵌入、脱嵌迁移到负极，进一步形成模型认知思想。能在今后的学习中运用该模型分析LiFePO、LiMnO等体系的锂离子电池。

练习2：新能源汽车更环保。特斯拉电动汽车使用钻酸锂电池，原理如图5，该电池放电时的总反应：LixC6+Li1-xCoO=C6+LiCoO，下列说法错误的是

A.放电时负极质量增大

B.放电时正极锂的化合价未变

C.放电时正极的电极方程式：Li-xCoO+xe+xLi=Li- CoO

D.充电时阴极的电极方程式：6C+xLi+xe=LixC6

案例精选

教师：除了LiCoO体系的锂离子电池，古迪纳夫还提出用LiFePO、LiNiO、LiMnO做正极材料。LiNiO和LiMnO可以掺杂在LiCoO中使用以降低成本。比亚迪电动汽车采用了LiFePO电池，而同学们经常乘坐的珠海公交——格力银隆新能源电动汽车使用钛酸锂电池。以上电池各有优劣，留给同学们课后查閱资料，进行比较。

设计意图：通过锂离子电池在新能源汽车上的应用，深刻认识化学对满足人民日益增长的美好生活需要的重大贡献，培养学生节约资源、保护环境的可持续发展意识和绿色低碳理念。课后作业引导学生关注与化学有关的社会问题，培养学生的社会责任感。

六、锂离子电池的未来

教师：前景之一是金属锂做负极的全固态电池，97岁的古迪纳夫仍然致力于这方面的研究。锂电池的研究就像一个圆，为了安全，放弃了金属锂，为了电池更好地性能，又绕回了金属锂，但这并非回到了起点。

练习3：（2017年全国III卷）全固态锂硫电池能量密度高、成本低，工作原理如图所示，电极a用掺有石墨烯的S材料，电池反应：16LixS=8LiSx（2≤x≤8）。下列说法错误的是

A.放电时，正极可发生反应：2LiS+2Li+2e=3LiS

B.放电时，外电路流过0.02mol电子，负极减重0.14g

C.石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性

D.充电时间越长，电池中LiS的量越多

设计意图：通过高考真题的练习，检验学生在陌生环境下的信息分析能力和运用原电池模型解决问题的能力。通过介绍锂电池的发展方向，培养学生的创新意识，鼓励学生投身科研。

教学反思：高三一轮复习枯燥乏味，教学中要回归生活，多关注与化学有关的热点问题，并以此为切入点设计复习课，让学生认识到学习化学的价值和意义。锂离子电池是学生熟知的素材，是为数不多的高中生能理解一些的诺奖成果，学生对其兴趣很高。在设计时选取了比较符合高三学生学情的内容，复习了电化学基本原理，练习了电极方程式书写，并将原电池认知模型进一步拓展，开阔了学生的视野。

在教学过程中注重化学核心素养的渗透，尤其是培养学生的科学态度与社会责任。富兰克林说过：“我们享受着他人的发明给我们带来的巨大益处，也必须乐于用自己的发明去为他人服务”。只有在课堂上弘扬科学精神，埋下科学的种子，鼓励学生尊重科学，热爱科学，投身科学，我们才能在不远的将来体会到更多新发明带来的益处。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]黄彦瑜.锂电池发展简史[J].物理学史和物理学家，2007（8）：643-645.

[3]陈进前.关注化学模型和模型认知的思考[J].中学化学教学参考，2019（9）：5-9.

[4]陆军.化学教学中引领学生模型认知的思考与探索[J].化学教学，2017（9）：19-23.