沿科技发展，寻化学之美

摘" "要：将国家最新科技发展成果融入化学课程教学，从“三峡氢舟1号”出发创设情境，围绕氢的发展史开展教学，利用生活中常见的材料自制氢氧燃料电池，将化学知识和科技发展相结合，增强学生的民族自豪感，促进学生化学学科核心素养的发展。

关键词：高中化学；科技发展；氢能；燃料电池；核心素养

1" 科技发展融入中学化学课程的价值

习近平总书记指出“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑”“要发展新质生产力要求，畅通教育、科技、人才的良性循环”。以教育之强赋能科技之强，以科技创新推动教育方式创新，方能推动相互促进的良性循环。《普通高中化学课程标准（2017年版）》要求化学课程要根据经济社会发展新变化、科技发展进步新成果，及时更新教学内容和话语体系，反映新时代中国特色社会主义理论和建设新成就[ 1 ]。

将国家科技发展的前沿成果巧妙地融入中学化学课程中，从“以具体知识落实”为本的教学转化为以“促进学生认识发展”为本的教学，能够丰富化学教学的内涵，为学生提供了一个直观感知科学魅力的窗口。这种融合使学生在掌握化学基础知识的同时，能够深入了解国家在科技领域的辉煌成就，增强学生的民族自豪感和自信心，激发学生探索科学的热情，培养他们的创新思维和实践能力。这种“促进学生认识发展”的创新教学设计，不仅能促进学生理解和获得知识、建构学科观念，更能促进学生丰富认识角度、形成认识思路、提升认识方式类型，从而实现能力和素养的发展[ 2 ]。

2" 教学目标

2.1" 教学目标

（1）通过小组合作活动完成任务，锻炼学生独立分析和解决问题的能力，发展学生的科学探究素养。

（2）选择生活中常见的物品作为实验材料，通过实验探究，激发学生的探究兴趣，促进学生个性化发展及“科学探究与创新意识”素养的发展。

（3）通过推理原电池的构成要素，进一步构建原电池的认识模型，培养“证据推理与模型认知”的学科核心素养。通过宏观的实验现象（发光二极管变亮）分析其微观离子、电子的移动，从宏观现象分析微观原理，强化学生对原电池的模型认知，提升“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。

2.2" 素养目标

从“国之重器——三峡氢舟1号”出发创设教学情境，使学生体会到科技发展之美，这不仅仅是一艘先进的船舶，更是中国科技创新的杰出代表，它承载着绿色、环保、高效的能源理念，展示了人类与自然和谐共生的智慧。通过了解“三峡氢舟1号”的设计理念、技术创新和实际应用，学生能够深刻感受到科技发展对于社会进步、环境保护和可持续发展的重要性。

3" 教学思路

教学思路如图1所示。

4" 教学设计

4.1" 创设情境

[新闻导入] 万里长江迎“氢舟”。

2023年10月11日，国内首艘入级中国船级社的氢燃料电池动力船“三峡氢舟1号”在湖北宜昌顺利完成首航，首航成功标志着氢燃料电池技术在内河船舶应用实现了零的突破。

[问题] 氢氧燃料电池的工作原理是什么呢？为什么能够直接将氢气和氧气的化学能转化为电能？

设计意图：从“国之重器——三峡氢舟1号”出发引入主题，让学生从科技发展的角度，体会科学发展之美，激发学生探索兴趣，提升教学效果。

4.2" 任务驱动

4.2.1" 任务一：浅析氢氧燃料电池

[小组1]氢氧燃料电池能够将氢气和氧气的化学能直接转化为电能，过程中不通过燃烧，反应的产物是水，不产生污染的排放。

[小组2] 2H2 + O2 = 2H2O，氢气失电子做还原剂，氧气得电子做氧化剂。

[小组3] 在正极氢气失电子，失去的电子经由外电路流向正极，氧气在正极得电子生成氢氧根，实现了外电路中电子的定向移动；在溶液中，氢离子移向正极，氢氧根移向负极，实现了溶液中粒子的定向移动，因此氢氧燃料电池能够直接将氢气和氧气的化学能转化为电能。

设计意图：通过小组查阅资料，使学生对氢氧燃料电池有初步的认识，加强学生之间的沟通，培养学生信息检索的能力。

4.2.2" 任务二：为什么选择氢——制作氢发展史大事年表

[创设情境] 在三峡工程下游的杨家湾码头，建设了国内首个内河码头型制氢加氢一体站“中国三峡绿电绿氢示范站”，三峡氢舟1号需要在这里完成能源补给。该站利用清洁电能进行电解水制氢，氢气通过过滤、压缩、储存、加注等环节，直接供给氢能源船舶。能源科技既面向经济主战场，又面向国家重大需求，是科技发展领域的重中之重。在未来可持续发展的能源供给体系中，氢能将具有与电能同等重要的地位。

[活动] 4个小组交流讨论，分配任务，从“发现氢气→电解水制氢→储氢技术→氢能的优势”制作氢发展史大事年表[ 3 ]。

[小组1] 发现氢气。

中世纪，瑞士冶金学家帕拉塞尔苏斯发现，当铁溶解在硫酸中时会产生气体。后来，卡文迪许发现把一定量的锌和铁投入到充足的盐酸和稀硫酸中，发现所产生的气体量是固定不变的，说明这种新的气体的产量与所用酸的种类没关系，与酸的浓度也没有关系。卡文迪许用排水法收集了新的气体，发现这种气体不能帮助蜡烛燃烧，也不能帮助动物的呼吸，如果把它和空气混在一起，一遇火星就会爆炸，这种气体燃烧后的产物是水。

在1787年，拉瓦锡正式提出了氢是一种元素，拉瓦锡从希腊语“hybor”扩展，将这种易燃气体命名为“氢”，意思是形成水的元素。

[小组2] 电解水制氢。

1800年，威廉尼克松和克莱尔发现，将两个电极插入连通器的水里，连接电池的正负极通入电流，在两极会分别产生氢气和氧气。

1823年，第一款轻型的“口袋式”打火机出世，这款打火机的工作原理是：锌与硫酸发生化学反应，产生的氢流过含铂的海绵，与氧自发地反应，产生的热量会点燃气态的氢，产生火焰。

1839年，威廉格尔夫发明了第一个燃料电池，它由四个串联的电解槽组成，使用稀硫酸做电解质，铂丝做电极，通过电解水产生氢气和氧气，氢气和氧气通过电化学反应产生电流，产生的电流又就可以用于电解水制氢。然而，燃料电池大电流放电是非常困难的。1866年，第一台发电机面世，它能够将任何种类的机械能有效地转化为电能，燃料电池失去了其作为发电机的重要性。因此，直至20世纪中叶，燃料电池都没有得到发展。

[小组3] 储氢技术。

1803年，沃拉斯顿发现金属钯之后不久，格雷汉姆发现这种金属可以通过形成金属氢化物来吸收大量的氢，这一发现成为金属氢化物储氢技术的基础。1898年5月10日，苏格兰人詹姆斯杜瓦使用循环冷却法首次实现静态液化氢。他利用液氮在180个大气压下对气态氢进行了预冷却，然后通过绝缘容器中的节流阀让氢气体积膨胀，在此期间氢气保持由液氮冷却的状态。膨胀的氢气产生了约20 cm3的液氢，约为初始氢气体积的1%。

目前主要氢储技术包括高压气态储氢、低温液态储氢、金属合金固态储氢、有机液体储氢。

[小组4] 氢能的优势。

（1）理想的高能燃料。

汽油的热值为4.6×107 J/kg，氢的热值为1.4×108 J/kg，氢气燃烧的热值高，产物是水，是理想的高能和洁净燃料。

（2）推动能源绿色低碳转型。

在“双碳”目标下，我国氢能产业已逐步进入技术攻坚关键阶段，依托内蒙古乌兰察布“绿氢制备”项目，石化机械同时开展碱水制氢和PEM制氢装备的装配调试，成功实现高纯度氢气的连续稳定产出。绿氢通过运输管道送至河北、天津等地，用于替代现有部分以天然气为原料、生产过程造成大量碳排放的“灰氢”，每年可减少二氧化碳排放472.8万吨。

（3）满足国家能源安全的需要。

中国能源是富煤、贫油、少气，大力发展氢能，能够减少对国际石油和天然气的依赖，弥补能源短板，缓解能源危机问题。

（4）高压气氢和低温液氢有望率先产业化。

目前氢储技术包括高压气态储氢、低温液态储氢、金属合金固态储氢、有机液体储氢。其中金属合金固态储氢、有机液体储氢相关技术还未成熟，高压气态储氢、低温液态储氢技术相对成熟，有望率先实现产业化应用，降低加氢成本。

设计意图：在能源危机和“双碳”目标的双擎驱动下，世界各国都在大力发展氢能技术及其产业，我国也在积极布局和大力培育发展氢能。学生通过制作氢发展史大事年表，由浅入深的认识氢能的发展，加深对燃料电池的认识，培养学生的科学素养及环境保护意识。

4.2.3" 任务三：“氢舟已过万重山”——利用生活中的材料自制氢氧燃料电池。

[活动] 根据氢氧燃料电池的构成要素及工作原理，选择合适的材料，完成方案设计。

[方案展示] 如图2。

[学生实验1] 自制石墨电极（图3），电解水制备氢气和氧气（图4）。

[微观探析] 阴极：4H+ + 4e- = 2H2↑

阳极：4OH- - 4e- = 2H2O + O2↑

[学生实验2] 连入发光二极管，检验自制氢氧燃料电池是否成功（图5）。

[活动] 根据电极反应式完成氢氧燃料电池的认识模型（图6）。

[归纳] 在负极氢气失电子生成氢离子，失去的电子经由外电路流向电池正极，因此氧气在正极得电子，生成氢氧根，这就实现了外电路电子的定向移动；在溶液中，氢离子移向正极，氢氧根移向负极，这就实现了溶液中离子的定向移动，因此我们观察到发光二级管亮了。

[教师] 今天我们通过自制氢氧燃料电池，完善了对原电池的模型认识，从现代化的角度理解了“氢舟”已过万重山这句话。相信未来一定会有更多像三峡氢舟1号一样的绿色船舶航行长江，中国船舶也将迎来属于自己的绿色革命。

设计意图：实验选材自生活中常见的材料，有助于激发学生的学习兴趣和实践能力，还能增强知识的实际应用性，培养学生的环保意识和安全意识，降低实验成本，使实验更具普及性和可操作性。

4.2.4" 任务四：课后拓展

小组课后通过查阅网络、书籍等方式查阅我国氢氧燃料电池的发展及氢氧燃料电池大规模量产的局限。

设计意图：学生通过课后查阅资料，了解我国科技发展的新成就、新成果，充实丰富培养学生社会责任感、创新精神、实践能力。

5" 结语

科技是国之利器，将科技发展新成就融入化学课程的创新教学设计，符合国家发展新质生产力的要求，能够充分发挥教育培养急需人才的先导性优势，有效促进学生学科能力和素养发展，实现教育、科技、人才的相互促进。同时也对教师提出了更高的要求，教师需要不断更新自己的知识储备，关注科技领域的最新动态，了解新技术在化学领域的应用，探索新的教学方法和手段，具备终身学习的能力，以便将这些新成就有效地融入教学之中。

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2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：3.

［2］ 王磊，支瑶.化学学科能力及其表现研究[J].教育学报，2016，12（4）：46-56.

［3］ 吴朝玲.氢能与燃料电池[M].北京：化学工业出版社，2012：1-4.