以佛山氢能源汽车为主题的教学设计实践研究

1. 佛山的社会热点事件——第四届中国（佛山）国际氢能与燃料电池技术及产品展览会

第四届中国国际氢能与燃料电池技术及产品展览会（CHFE2020）将于2020 年10 月19-22 日在佛山南海樵山文化中心举办，将涵盖氢能基础设施、燃料电池、核心零部件、材料、燃料电池整车制造、产业合作，以及制氢、储存、运输、氢气利用等，为氢能人奉上一场更具内涵、创意、高质量的行业年度盛会。 （活动详情请关注官网：http：//www.chfc.org.cn/）

佛山是全国引入“氢能源汽车”时间最早、数量最多的城市之一。其中，南海投入7.4 亿元购置386 辆氢能公交投运。高明氢能有轨电车、

今年 5 月 19 日动工的南海丹灶仙湖“氢谷”，建成后面积将达 48平方公里的；并引进了一批氢能龙头企业，并逐步形成涵盖从加氢设备研制、加氢站设计与建设，到氢燃料电池、核心部件、动力总成、氢燃料电池汽车生产等氢能产业链。

2. 基于佛山市氢能源汽车的“氧化还原反应”教学设计背景和理论支持

2.1 保护环境的社会需求

汽车尾气带来的环境问题日益严重，给人类环境带来恶劣的影响。习近平书记的“绿水青山就是金山银山”告诉我们，中国要发展，一定要保护好环境。

2.2 氧化还原反应的知识地位及特点分析

氧化还原反应是新的反应类型，在高中学习中占据非常重要的地位，从初中“得氧失氧”的角度，上升为“元素化合价变化”的角度，并要从原子的电子层结构去理解微观上的本质——电子转移，而这对学生来说比较抽象。

2.3 氧化还原反应的社会背景和传统教学模式

氧化还原反应属于概念性的知识，而在社会、生活、科学、技术等（STSE）领域都有涉及。但所涉及的反应比较分散，多数只停留在“化合价升降”的分析上，很难直接体现其本质——电子转移。

在传统教学中，学生也是被动地由“得氧失氧”转移到“化合价升降”，知识缺乏衔接和过渡，较难激发学生的学习动机。由于无法直观体验电子转移，学生很渴望能够“观察到”电子的转移。

2.4 新课标对氧化还原反应的要求

《普通高中化学课程标准 （2017 年版 ）》 ^[1] 对《氧化还原反应》一节的要求是： “认识有化合价变化的反应是氧化还原反应，了解氧化还原反应的本质是电子转移”，建议实施“氧化还原反应的本质探究”，结合“日常生活的氧化还原反应”，“能从物质类别、元素价态的角度，根据氧化还原反应原理，预测物质的性质和变化”，“能有意识运用所学知识或寻求相关证据参与社会性议题的讨论”。

2.5 化学学科核心素养的培养目标

（1）“宏观辨识与微观探析”的素养目标：宏观上，能够从“元素化合价升降”认识氧化还原反应，并能从微观角度探究元素为什么出现化合价升降——电子转移。而通过电流计，实测到氢气、氧气确实能形成燃料电池，产生了电流，能够把微观的电子转移直观的呈现给学生。

（2）“证据推理与模型认知”的素养目标：氧化反应——化合价升高——失去电子（共用电子对偏离）、还原反应——化合价降低—得到电子（共用电子对偏向）是氧化还原反应的基本概念框架。学生能够通过概念的特征和本质，推测“制备氢气通常需要发生什么反应，电子转移情况如何”等，则使课堂实现了升华。

（3）“科学精神与社会责任”的素养目标：带领学生参观氢能展，可以激发学生学习的热情，点燃其奋发学习、报效祖国的斗志。

2.6 学生学情分析

（1）认知基础：学生初中已经学习过化合价的概念和计算，也从得氧失氧角度初步接触了氧化反应和还原反应，还有元素原子结构示意图，知道 Na 和 Cl 结合时的电子转移情况。这些基础对氧化还原反应这个抽象的新概念有很大帮助。但学生对化合价变化的本质——电子转移很陌生。

（2）情感基础：学生对佛山发展抱着很大的期望，对佛山的科技发展有强烈的关注。氢能源作为绿色能源，学生对其也充满兴趣。

2.7 结合当地社会热点等“社会性议题”进行教学设计

真实的情境，就是来自生活的知识载体。来自真实情境的知识，也能让知识更有乐趣。而来自本地、来自身边的热点科技事件，更能触动学生的学习神经，引起学生的浓厚兴趣，并增强学生的自豪感。王怀文 [2] 等老师也认为，采取“社会性议题”主题教学，是知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的“聚集器”。

3 基于佛山市氢能源汽车的教学实施

在真实情境教学的理论指导下，本节课以“氢能源汽车的工作原理及氢能源的生产”为主题进行教学。

【视频引入】全国氢能周在佛山举办，全国首条氢能有轨列车示范线项目在高明动工，佛山、云浮两地开通氢能公交示范线。

学生得知氢能源汽车已经进入佛山，全班顿时沸腾了，说明学生对于氢能汽车的渴望，也是学生关注环境的一个体现。

环节一、氧化还原反应的概念

【活动 1】了解制备氢能源的反应。氢能源是绿色环保的能源，生产氢气是其中重要的一环。

任务一：请列举制备氢气的反应，写出对应的化学方程式。判断这些反应属于什么反应类型。

方法一：________________ 反应类型：________________

方法二：________________ 反应类型：________________

方法三： ________________反应类型：________________

方法四： ________________反应类型：________________

【设计意图】此处的问题保持开放的形式，制备氢气的方法确实有多种。学生可以罗列尽可能多的制氢气的反应方程式，并进行分类。

【学生】学生根据初中所学知识、自己了解的课外知识进行解答。学生会根据四大基本反应类型进行划分，此时发现反应②无法按此方法进行分类。因此，学生再从“得氧失氧”的角度，划分氧化反应和还原反应，但发现反应 ③ 和 ④ 均不能按此种方法顺利划分，因此产生了认知冲突。

【教师】先肯定学生的划分方法，先总结“得氧——发生氧化反应”和“失氧——发生还原反应”均在同一反应中发生。此时先引出一个初级版的“氧化还原反应”的概念：氧化反应和还原反应发生在同一反应中，这种反应称为氧化还原反应。此时，再引导学生对比四个方程式，氢元素都发生了什么变化

【学生】发现氢元素都是由化合物的状态生成单质 H_2∘ 那他们有没有共同的变化特点呢？经过进一步的观察，发现其化合价都是 +1 价降为 0 价。再观察每个反应的其他元素，发现均有化合价升高的元素。

从而总结出几个制氢气的反应的共同特点：“氢元素化合价降低，其他元素化合价升高”。

既然四个反应都在化合价上存在着共同特点，那我们氧化还原反应就不能仅局限于得氧失氧。还有一部分没有涉及得氧失氧的反应，也有类似的变化——化合价升降。因此，得出了氧化还原反应的概念：凡是有元素化合价升降的化学反应。

同时，我们还可以用“是否含有元素化合价升降”将化学反应划分为：氧化还原反应和非氧化还原反应。再次体现分类观在化学学习中的应用。

任务二：制备氢能源的反应中，哪些物质发生氧化反应，哪些物质发生还原反应？

通过反应 ① ， o（Π_V） ，分析 C 发生氧化反应——化合价升高，水蒸气发生还原反应——化合价降低。进而归纳化合价的变化。

任务三：四大基本反应类型和氧化还原反应的关系。观察以上制氢能源的反应，思考四大基本反应类型中，哪些反应一定属于氧化还原反应，哪些反应一定不属于氧化还原反应。

【教师】那四大基本反应类型和氧化还原反应有什么联系？

【学生】对照四个反应方程式，归纳其规律。并进行分享。学生发现，置换反应也反应一定是氧化还原反应，如反应 ① 和 ④ ；化合反应、分解反应有可能是氧化还原反应； 复分解反应反应一定不是氧化还原反应。再通过进一步的限定，让学生举例什么样的化合反应和分解反应一定是氧化还原反应，经过思考后，基本都能答出“有单质参加的化合反应和有单质生成的分解反应一定是氧化还原反应”。说明学生能够留意到，某元素在化合物和单质之间转换，一定有化合价升降，也体现了学生能从概念判断氧化还原反应。

≈eq 环节二、氧化还原反应中化合价变化的本质原因【活动2】探索：氧化还原反应为什么有元素化合价升降？

【教师】氢能源是清洁的能源，反应后生成物只有水，对环境非常友好。那氢能源汽车的具体工作原理如何？像汽油车一样，能源氢气直接燃烧产生动力吗？

【资料卡片】 目前的氢能源汽车具体应该称为“氢能源燃料电池汽车”，其工作原理如图，采用的不是燃烧氢气的方式，而是氢气和氧气通过特殊的装置，产生电流，通过所产生的电能驱动发动机。

【学生】能够直接判断，氢气和氧气的反应： 2H₂+O₂=2H₂O 是氧化还原反应。那这个过程为什么会产生电流？

【体验】氢气和氧气通过这种特殊装置后，反应产生电流。是真的吗？将氢气和氧气分别通过碳棒、导线连接到电流表，感受电能的产生。

【学生】观察实验，发现电流表指针发生偏转。说明氢气和氧气通过该装置确实产生了电流。

学生进而思考，产生电流的实质是什么？学生通过初中物理知识进行分析，得出结论：反应过程中有电子的定向移动。

学生继续思考，为什么氢气和氧气反应产生了电子的定向移动呢？

【阅读教材】通过阅读教材，通过对比 Na 与 Cl₂ 、 H₂ 与 Cl₂ 反应过程中，原子的最外层电子所发生的变化，总结发生电子移动的两种原因：电子得失和共用电子对的偏移，统称为电子转移。

【学以致用】请同学们分析氢气和氧气反应过程中，电子是如何转移的？

【学生】对比氢气和氧气的反应，由于都属于非金属原子之间的结合，应该参考 H₂ 与 Cl₂ 的反应，理解了是 H 的电子转移给了O.

环节三、氧化还原反应的符号表征

【活动 3】如何形象地表示氧化还原反应中的电子转移方向和数目呢？

步骤1：标价态，明升降步骤2：画箭头，知方向步骤3：标电子，得数目

【学生】请用电子跟踪法（单线桥法）表示出氢能源汽车工作时的电子转移情况

至此，学生就理解了氢能源汽车中，电子产生的原因，并能够用电子跟踪法对其进行符号表征。

环节四、氧化还原反应的符号表征

任务一：从本质、特征、反应结果、符号表示方法等方面，对这节课所学知识进行总结

任务二：从理论上总结制氢的方法

【活动 4】制氢气依然是目前的技术难题之一。但在氧化还原反应的知识理论指导下，制备氢气就有了大概的方向。请根据氧化还原反应的理论，从所需原料、发生什么的反应等角度，分析、总结制氢气的方法。

【知识应用】工业制氢气通常还可以用天然气与水蒸气反应：

反应 ⑤ ， 请判断，哪些物质发生氧化反应，哪些物质发生还原反应。

【总结提升】通过对比反应 ① ＼～ ⑤ ，工业上需要制备氢气，氢元素一般需要发生什么反应？学生通过对比，含氢的原料为 H₂ 或酸，H元素化合价降低，一般需要发生还原反应，使 H 得到电子，形成 H_2∘ 而其他原料，则一般需要加入其他发生氧化反应的物质，通常能够提供电子，或者直接电解水。

此处应用氧化还原反应知识，对制氢的反应进行归纳，将知识升华。

任务三：感受制氢的难度以及人类克服困难的精神

【资料卡片】自从 1965 年美国开始研制液氢发动机以来，相继研制成功了各种类型的喷气式和火箭式发动机。美国的航天飞机已成功使用液氢做燃料。我国长征 2 号、3 号也使用液氢做燃料。利用液氢代替柴油，用于铁路机车或一般汽车的研制也十分活跃。氢汽车靠氢燃料、氢燃料电池运行也是沟通电力系统和氢能体系的重要手段。直至今天，氢能才刚好进入市场，迈开为人类服务的第一步。

【学生】分享你的对该资料的理解。学生从“氢能源的开发与研究经历了很长的时间”、“氢能是清洁能源，坚信我们通过努力一定可以找到更科学有效的制氢方法，实现全民用氢”…

最后，氢能源的路还很长，需要同学们的继续努力环节五、课后实地实践

【设计意图】仅仅是课堂上的体验是不够的。能够到现场参观、体验，对学生的触动才会更大，也能提高他们学习化学的热情，激发他们为祖国而扎实学习科学知识的奋斗之心。活动之后，还可以通过微信朋友圈、公众号、微博进行分享自己的体验。

【活动5】让我们相约南海，相约氢能源基地时间：2020 年 10 月 18-22 日地点：中国·佛山·南海樵山文化中心

第四届中国（佛山）国际氢能与燃料电池技术及产品展览会（CHFE2020）是 2020 联合国开发计划署氢能产业大会重要组成部分，暂定于 10 月 18-22 日在佛山南海樵山文化中心举办。 CHFE2020 将涵盖氢能基础设施、燃料电池、核心零部件、材料、燃料电池整车制造、产业合作，以及制氢、储存、运输、氢气利用等，为氢能人奉上一场更具内涵、创意、高质量的行业年度盛会。

详情请了解官网：http：//www.chfc.org.cn/。或关注微信公众号：“华南新能源汽车产业促进中心”

【任务】请同学们参观氢能源基地后，作为一个中国人、佛山人的你，作为一名正在学习化学的你，会有什么感想？展览的物品涉及哪些化学原理？请你大家分享（也可在微信朋友圈、微博等社交平台分享）。

4 教后总结反思

经过对氢能源汽车工作原理的的初步了解，以及氢气制法的对比，认识了氧化还原反应的特征。而通过氢氧燃料电池的电流检测，初步感受到氧化还原反应中有电子的转移，进而导致化合价的变化。课堂最后能够运用所学知识解决制氢气的问题，实现了知识的应用。而课后继续延伸，把学生的情感点燃，让其亲临氢能会展现场，更有利于学生“触景生情”，为其“科学精神和社会责任”的素养培养尽一份绵力。

参考文献

[1] 《普通高中化学课程标准 （2017 年版 ）》

[2] 王怀文 ， 张春艳 ， 雷范军 ， 张道年 . 高中化学主题教学的模型方法研究。中学化学教学参考，2019（5）：6- 10