能量轉化及應用中的跨學科實踐與思考

摘 要：本文基于社會可持續發展的要求，開展能量轉化及應用的跨學科教學，以汽車能源的變遷為切入點，帶領學生了解氫能源、化石燃料、儲能電池的利弊和展望，旨在引導學生關注能源領域的發展趨勢，直面能源問題，敢于迎接挑戰，樹立使命感和責任感。

關鍵詞：能量轉化；跨學科教學；新能源汽車

文章編號：1008-0546（2024）11-0062-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

化石燃料的使用導致環境污染和全球變暖等問題，影響了人類的可持續發展。中國提出“雙碳”戰略，倡導綠色環保和低碳生活方式，風能和太陽能等清潔能源代替化石能源是貫穿落實“雙碳”戰略的重要途徑。在“雙碳”戰略的指導下，以新能源為主體的新型電力系統與新能源汽車協同發展成為必然趨勢。［1］

一、教學主題內容及教學現狀分析

1. 教學主題內容分析

在滬教版化學九年級下冊第9章第1節“能源的綜合利用”中，教材編排了化石燃料、電池、新能源等知識。本節旨在引導學生知道化石燃料是重要的自然資源，了解化石燃料對環境的污染，知道幾種常見的能源，了解太陽能、氫能及目前使用的困難，知道幾種常見的電池，認識電池是一種化學能轉化為電能的裝置，認識開發新能源、節約能源、提高能源利用率等措施在解決能源危機的重要性，體會化學在解決能源危機中的重大意義。《義務教育化學課程標準（2022年版）》中提出的十大跨學科社會實踐活動，其中調查家用燃料的變遷與合理使用和調查我國新型能源的應用［2］，不僅呼應了本節教學內容，也凸顯了跨學科學習的必然性。

跨學科的必然性在于，世界由物質構成，而物質轉化的推手是能量。能量守恒定律是物理學科的核心，能量觀是化學觀念中的核心觀念，太陽能是人類的能源之母，能量的轉化和應用是世界上萬事萬物運行的根本。因此，物理、化學、生物等學科的學習，離不開能量的轉化和應用。

2. 教學現狀分析

我國在“碳達峰”“碳中和”目標指引下，逐步減少、替代化石能源，新能源將進入加速發展期，成為推動能源向清潔低碳轉型的主力軍。［3］教師在講授能源這一節時，多采用劃重點、學生背知識點的方式，形式簡單，缺少深入的探究，不利于激發學生探究能源的興趣。因此，筆者以汽車能源的變遷為情境，引導學生了解能源的形式、轉化與應用，樹立開發新能源并為社會可持續發展做貢獻的意識。

二、教學思想和創新點

本研究的教學思想和創新點如下。

（1）任務驅動。以汽車能源為教學情境，尋找汽車能源的發展變遷為任務驅動，實驗驗證氫能源小汽車的運行時長。在教師的引領下，師生合作互動，知識和技能得以提升。

（2）問題設計。教師通過系列問題，引導學生思考，交流反饋。

（3）融合貫通。學生查閱文獻資料、動手實驗，融合物理、化學、生物、信息技術等多學科知識。

（4）價值導向。引導學生關注新能源的發展，樹立科技強國的責任意識。

三、教學目標

筆者基于對教學主題內容和教學現狀的分析，確立了以下教學目標。

（1）通過制作電動小汽車的電池，了解電解水制氫氣獲得氫能源的方法，探討氫能源的優點和局限。

（2）通過探討新能源汽車的發展趨勢，分析新能源汽車使用中存在的問題。

（3）通過探討電動汽車的儲能電池，了解儲能電池的發展趨勢，以及鋰電池的優缺點。

（4）通過探討新能源汽車發展趨勢，展望新能源的發展方向，感知化學的學科功能。

四、教學流程

本節課的教學流程如表1所示。首先，通過動手制作氫能源小汽車模型，激發學生對新能源的興趣，直觀感受氫能作為清潔能源的潛力。隨后，引導學生深入探討傳統燃油汽車的優點與不足，培養批判性思維。接著，介紹新能源汽車的技術優勢，拓寬學生視野。鼓勵學生討論新能源汽車當前面臨的挑戰，培養問題解決能力。最后，引導學生展望新能源汽車的未來發展趨勢，激發創新思維，為可持續發展貢獻力量。

五、 教學實錄

1. 環節一：自制氫能源小汽車

［教師］人類的生命活動離不開能量，你的能量來源是什么？

［學生］食物，比如米飯、面包等。

［教師］碳水化合物的能量來自哪里？

［學生］植物的光合作用，將光能轉化為化學能。

［教師］所有生物的自主性必然包含著對環境的依賴性。植物依靠葉綠體中的葉綠素捕獲并轉化太陽能。動物世界沒有找到汲取太陽能的手段，而被迫去進食植物，這一過程促使動物發揮出了高度的活動性。動物在直接利用太陽能方面的不足，卻變成了它們在地面、水中或空中運動的能力。因此，人類作為生物自然界的一部分，既有自主性也表現出對環境的依賴性。［4］人除了吃、喝需要能量，玩、樂也離不開能量，如電動汽車，電池沒電了，汽車就無法正常運作，怎樣能讓汽車繼續運作？

［學生］電解水制氫氣，氫能讓汽車運作。

［教師］設計思路是什么？

［學生］制作氫能小汽車，通過給電池充電來儲存能量，再驅動汽車跑起來。因此，首先要制作電池。

［教師］如何設計電池？

［學生活動］查閱資料，并制作“錫紙—紙巾—活性炭—銅片”電池。操作過程如下：①配制碳酸鈉溶液，將紙巾浸濕。②在紙巾上放活性炭、銅片，用錫紙包裹，制成“錫紙—紙巾—活性炭—銅片”電池。③正極接銅片，負極接錫紙，可將電壓適配器調成6V，充電15秒，用萬用表測試電壓。④將充電后的電池安裝在自制小車上，經過測試，小車跑起來了。

［教師］自制電池的原理是什么？

［學生］電解水通過電解產生氫氣和氧氣，存儲在錫紙的電池內部，獲得制備、儲存、使用一體化的氫能電池。

［教師］該電池的能量最根本的來源是什么？

［學生］電能，來自電壓適配器充的電。

［教師］氫能源的優點是什么？

［學生］來源廣、熱值高且無污染。

［教師］氫能源的優勢明顯，卻沒有普遍使用，為什么？

［學生］氫氣的安全運輸和儲存存在問題，并且制氫成本高。

［教師］請查閱資料，了解氫能源。

［學生］各國清潔能源轉型與“碳中和”的重要路徑都是清潔氫。根據碳排放量和制取方式的不同，將氫能主要分為灰氫、藍氫和綠氫三種：①以化石燃料為原料制氫以及工業副業制氫，會產生碳排放，技術最成熟，稱為灰氫。②在灰氫制取的過程中輔以碳捕捉技術，得到藍氫，可減少碳排放，但無法完全解決。③電解水制得綠氫，制取技術不如化石燃料制氫技術成熟，成本較高，但優點是不產生碳排放。［5］隨著新能源（尤其光伏、風電等）電力成本的降低，電解水制氫成為將來低碳經濟的主流方向。

2. 環節二：了解燃油車的利弊

［教師］你家里的汽車是燃油車還是新能源汽車？

［學生1］燃油車。

［學生2］新能源汽車。

［學生3］油電混合車。

［教師］說說燃油車的利與弊？

［學生1］燃油車的優點是其已發展百年，技術純熟。

［學生2］燃油車的缺點是含碳化石燃料燃燒產生二氧化碳，不利于“碳中和”，并且傳統化石燃料資源有限，開采困難。

3. 環節三：了解新能源汽車的優勢

［教師］新能源包括哪些？

［學生］太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核聚變能等。

［教師］新能源汽車用的主要是鋰電池，是否屬于新能源？

［學生］不是。

［教師］鋰電池屬于什么能源？

［學生］鋰電池是儲能電池。

［教師］什么是儲能？

［學生］儲能是用不掉，先存起來，儲能技術目前有抽水儲能、壓縮空氣儲能、超級電容儲能、鋰離子儲能電池等形式。

［教師］儲能電池有哪些？

［學生］鉛蓄電池、鎘鎳電池和鋰電池。

［教師］目前主流技術采用磷酸鐵鋰，用來存儲太陽能或者風力發電的電能。在新能源車企，主要是充電儲能給電動汽車提供動力電池。［6］為什么不直接用新能源（如光能和風能），而要用儲能電池？

［學生］由于新能源生產對外部條件的高度敏感性，其內在的波動性和不穩定性已成為限制其廣泛應用的瓶頸。為了有效地應對這些技術挑戰，引入儲能電池已變得至關重要。通過支持先進的儲能電池，發電的波動性能得到了顯著改善，從而提高了整體穩定性和可靠性。

4. 環節四：了解新能源汽車存在的問題

［教師］新能源汽車優勢明顯，燃油車是不是可以淘汰了？

［學生］短時間不可以淘汰燃油車，新能源汽車技術上還需要更新。電能汽車的安全事故經常出現，影響人身安全。

［教師］查閱資料，了解新能源汽車發生安全事故的原因？以及如何改進？

［學生］在我國電動汽車安全事故中，出現概率最高的是電池起火。動力電池著火分為動力電池自燃、充放電過程中起火燃燒及碰撞起火燃燒三種不同類型。電池本身自燃大多由短路引起，充放電起火涉及內容較多，包括過度充電、過度放電及非正常充電。［7］在分析電池安全的許多潛在危險時，機械和環境因素起著決定性的作用。從機械的角度來看，電池的安全性能可能會受到一系列機械問題的挑戰。其中，振動、擠壓和碰撞等物理效應可能會對電池產生負面影響。環境因素也對電池的安全構成嚴重挑戰，鹽霧、淋雨、水等環境因素會影響電池的正常運行。

［教師］隨著安全事故的發生，相關工作人員從問題的源頭著手 ，對動力電池性能進行全方位的檢測和分析，明確電池性能是否達標，確保鋰電池的檢測技術完善。我國自然環境復雜多樣，不同地區有不同的用車需求，比如在寒冷的北方，燃油車不用擔心續航問題，在偏遠山區，燃油車免除了尋找充電樁的問題。

5. 環節五：展望新能源汽車的發展方向

［教師］請預估汽車能源的發展方向是什么？

［學生1］新能源汽車存在冬天掉電快、充電難等技術短板，因此燃油車不能馬上取消。

［學生2］氫氣主要研究用于二氧化碳重整為有機物，作為燃料，存儲介質還需進一步研究。燃油車暫時不會全面禁止。

［學生3］未來，燃油車輛可能會繼續以不同程度、不同時間和不同比例存在于特定領域，如救護車、野外作業、軍事、警察和消防工業。

［學生4］新能源汽車最終將全面取代燃油車。

［教師］未來燃料的發動機和電驅動的電動機會并存，還原性燃料（氫氣、氨氣、甲醇等）汽車和智能汽車都需要發展。油電混合車是一個過渡，電動汽車是最終方向，但實現這一方向還需要解決儲能問題。

六、教學效果與反思

1. 基于教學基點，拓展思維深度和廣度

汽車能源的探究，教學基點有三個方面：①電解水制氫氣，氫能源的優缺點。②燃油汽車的利與弊。③新能源的種類。學生在已有知識的基礎上，查閱資料，展開聯想，解決真實問題，進一步拓展知識和思維的廣度和深度。

2. 基于真實問題，培養責任擔當意識

以探究汽車能源為線索，設計系列問題引導學生探究并思考問題，讓學生形成獨立自主的思維方式，體會化學的學科價值。同時，激發學生挑戰難題的決心，提升勇于擔當的責任意識。

參考文獻

［1］于建國，孫慶，裘晟波，等.支撐國家新能源戰略發展的鋰資源開發［J］.無機鹽工業，2023（1）：1-14．

［2］中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022．

［3］劉永奇，陳龍翔，韓小琪.能源轉型下我國新能源替代的關鍵問題分析［J］.中國電機工程學報，2022（2）：515-524．

［4］埃德加·莫蘭.整體性思維：人類及其世界［M］.北京：中國人民大學出版社，2020．

［5］王明華.新能源電解水制氫技術經濟性分析［J］.現代化工，2023（5）：1-5．

［6］王銳.EN公司儲能電池市場營銷策略優化研究［D］.上海：華東師范大學，2021．

［7］趙巖巖，劉定宏，李召陽，等.新能源汽車鋰離子動力電池安全性分析［J］.汽車與新動力，2023（1）：43-45．