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《5.2 能源的利用与开发——太阳能、风能与氢能开发》教学设计
课程名称 5.2 能源的利用与开发——太阳能、风能与氢能开发 课程类型 新授课
教学目标 1.科学观念：了解我国可再生能源的分布规律及太阳能、风能资源的优势地区；理解太阳能光热发电与光伏发电的能量转化路径；知道氢能的特点、制取与应用及发展挑战；了解煤炭的清洁利用技术。 2.科学思维：通过分析太阳能发电系统的组成与优化（最佳倾角、朝向、自动跟踪），建立系统分析与工程设计思维；通过设计风力发电机输出功率与风速关系的实验方案，强化变量控制思想。 3.探究实践：经历校园路灯太阳能发电系统的设计、制作与测试全过程；能用简易材料制作风力发电机并探究输出功率与风速的关系；能对“可再生能源取代不可再生能源”的可行性进行资料查证和决策辩论。 4.态度责任：通过能源决策辩论和“节约能源，从我做起”活动，形成理性看待能源发展的态度和节约用电的行为习惯；辨析“加水就能跑的神车”等热点事件，培养遵从科学原理、不盲从不传谣的媒介素养。
教学重难点 （一）教学重点： 1.太阳能光热发电（太阳能→内能→机械能→电能）和光伏发电（太阳能→电能）的原理与应用。 2.氢能的特点（来源丰富、绿色低碳、使用仅产生水）与氢燃料电池（化学能→电能）。 （二）教学难点： 太阳能发电系统设计中的工程分析（倾角、朝向、跟踪控制、蓄电池配置）；理解“可再生能源并非零污染”及氢能发展的现实挑战（储存不易、成本高）。
教学过程 【环节一】情景导入 提出问题：化石能源越用越少，环境压力越来越大，未来能源向哪里去？太阳能、风能、氢能如何转化为我们能用的电能？展示我国可再生能源分布图，引出本课主题。 【环节二】新知探究 一、太阳能的开发与利用 （1）核心知识点： 我国积极推行可再生能源的开发，将太阳能发电和风力发电作为主要发展方向。探索活动：从我国太阳能分布图可看出其分布规律，找出具有太阳能资源优势的地区（如青藏高原、西北地区），讨论家乡人们是怎样利用太阳能的。 太阳能供热：太阳能集热器（集热面积可达32175m ）收集太阳的热能后储存在蓄热钢罐里，给县城供热采暖。 太阳能光热发电：利用大规模阵列反射镜收集太阳热能，通过换热装置产生水蒸气，推动汽轮发电机发电。能量转化：太阳能→内能→机械能→电能。实例：我国甘肃敦煌100兆瓦光热电站，由1.2万多面反射镜（定日镜）以同心圆状围绕吸热塔排列，把太阳光聚集在吸热塔上，加热熔盐。 太阳能光伏发电：利用太阳能电池将太阳能直接转变为电能（中国空间站靠太阳能帆板供电，将太阳能直接转化为电能）。缺点：夜间或阴雨天无法发电。应用：路灯、人造卫星、航标灯、交通信号灯。 科学阅读——空间太阳能电站：我国空间技术研究院的科学家提出了建设“多旋转关节空间太阳能电站”的设想：一颗重达10 t、宽约12km的卫星，在距地球约3.6×10 km的地球同步轨道上运行，由太阳能电池板收集太阳光并转化为微波，通过中央发射器发射到地球；光伏板可相对于微波发射器不断旋转，始终面向太阳。 （2）学生活动：分析太阳能分布图，回答分布规律与优势地区问题；梳理两种发电方式的能量转化流程。 （3）教师指导：对比光热发电与光伏发电的能量转化路径差异；纠正“太阳能发电不消耗任何资源、绝对零影响”的绝对化认识。 二、工程实践：设计和制作校园路灯太阳能发电系统 （1）核心环节： 明确问题：化石能源的大量消耗会引发环境污染，太阳能光伏发电越来越受到重视，科技小组决定为学校设计校园路灯太阳能发电系统。 设计分析：查阅资料了解太阳能发电系统的组成；分析太阳能电池面板的最佳倾角和最佳朝向；绘制设计草图；根据电功率要求计算需要多少块太阳能电池；配备合适的蓄电池；预估投资预算（材料：太阳能电池、支架、蓄电池、导线等辅材；安装调试约占总投资2%；日常维护等）。 系统设计：基于设计要求分析现有条件（太阳能电池安放位置与地理条件、气候的关系，阵列尺寸与校园有效空间的关系，资金投入与效益的关系），画出系统图示。 系统优化：分析制约发电效率的因素；为保持太阳光始终直射在太阳能电池上，设计太阳能自动跟踪控制系统（机械结构与自动跟踪控制设计），画出优化后的设计方案图示。 制作与测试：制作给10盏“12V 5W”的LED灯供电的、有太阳能自动跟踪功能的校园路灯太阳能发电系统模型；组装系统，制作并安装跟踪控制系统；根据功能要求制订测试方案，实施测试、记录数据、总结结论，形成测试报告（测试目的、测试准备、测试过程、测试记录、测试结论）。 （2）学生活动：分组完成设计分析、绘制草图、预算估算、模型制作与测试，形成测试报告并进行组间交流。 （3）教师指导：强调工程设计的基本流程（明确问题→分析→设计→优化→制作→测试）；指导跟踪控制的机械结构与控制思路。 三、风能与氢能 （1）核心知识点： 风电：风能是宝贵的清洁、可再生能源，无污染物排放。我国风能资源丰富，集中在西北、西南、华北、华东等地区；在陆上风电基础上大力发展海上风电——海面开阔、风力更强，可搭载更大容量机组，我国风电装机容量居全球第一。 氢能：来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，使用过程中仅产生水，无任何污染物排放。可通过分解水等方式制取氢气。氢燃料电池是将氢气与氧气通入电池设备中进行化学变化，将化学能转化为电能，有望取代化石能源作为交通运输工具的动力来源。发展挑战：氢气储存不易（密度极低，需高压、低温、固态存储），制造氢燃料的成本较高，基础设施尚不完善。 煤炭净化：我国煤炭储量大、运输方便、发电成本低，是基础能源主力；但煤炭燃烧会产生硫化物、氮氧化物、粉尘和二氧化碳，造成环境污染（如酸雨、雾霾）。我国科研人员研发清洁高效燃烧技术，通过脱硫、脱硝、除尘等装置实现常规污染物超低排放，已建成1000多座现代化燃煤电厂，排放水平达世界先进。 （2）学生活动： 工程实践——设计和制作风力发电机：用漆包线、磁铁（或小电动机）、小风扇、灵敏电流表、发光二极管、小灯泡等材料制作简易风力发电机；将输出端连接到灵敏电流表或发光二极管测试；设法以不同方式转动风叶，记录使用的方式、能的形式的转换、适合发电的时机、可否长时间发电，比较并选择转动风叶的方式；探究风力发电机输出功率与风速的关系，明确主要变量（风速）和需控制不变的因素，设计实验方案并记录结果与结论。 探索活动：讨论可再生能源取代不可再生能源的可行性——若以太阳能发电完全取代一座核电厂需要多大面积的太阳能电池板？开发如此规模的太阳能电厂可能对环境造成怎样的影响？可再生能源真的是零污染吗？ 能源决策辩论：全班分组，每组提出一种主张（如“我国的能源须往风力发电方向发展”“往太阳能发电方向发展”等），就我国应如何决策不同能源的使用比例或发展方向展开辩论，最后总结大家都认同的最佳能源使用建议。 完成“小试牛刀”练习：应对气候危机应大力开发太阳能、潮汐能、核能；中国空间站太阳能帆板将太阳能直接转化为电能；“加水就能跑的神车”事件辨析（“该车行驶的能量最终来源于水，水是一种能源”错误——水解制氢需消耗其他能量）。 （3）教师指导：指导实验方案中的变量控制（只改变风速，控制叶片面积、发电装置等不变）；通过“神车”事件渗透科学辟谣的媒介素养教育。 【环节三】课堂小结 引导学生回顾本课核心内容： 太阳能的两种发电方式及能量转化路径是什么？ 氢能有什么优点？发展面临哪些挑战？ 工程设计的基本流程是什么？如何理性看待各种能源的发展？ 学生梳理知识框架，教师总结各类能源的定位与能源决策的基本原则。 【环节四】作业设计 完成课件“小试牛刀”中的3道选择题；完善小组的太阳能发电系统设计草图与测试报告；完成“节约能源，从我做起”行动卡：写出生活、学习中浪费电能的可能行为和节约电能的具体行动方案，并践行一周。
板书设计 5.2 能源的利用与开发 一、太阳能 1.光热发电：反射镜聚热→水蒸气→汽轮机→电能（太阳能→内能→机械能→电能） 2.光伏发电：太阳能电池直接转化（太阳能→电能）；缺点：夜间阴雨天不能发电 二、工程实践：校园路灯太阳能发电系统（明确问题→分析→设计→优化→制作→测试；自动跟踪提高效率） 三、风电：清洁可再生；我国风电装机容量居全球第一（陆上+海上） 四、氢能：二次能源；氢燃料电池化学能→电能，产物只有水；挑战：储存难、成本高 五、煤炭净化：脱硫、脱硝、除尘→超低排放 六、理性用能：能源决策要权衡利弊；节约能源从我做起
教学反思 1. 效果评估： （1）知识掌握：多数学生能区分光热发电与光伏发电的能量转化路径，能说出氢能的优缺点；对工程设计中倾角、跟踪控制等技术细节理解较浅，重在体验过程。 （2）工程实践：太阳能发电系统设计与风力发电机制作活动工作量较大，采用分组合作、分课时推进，学生工程思维和动手能力得到真实锻炼。 （3）思维培养：能源决策辩论使学生学会多角度权衡能源利弊，辩证思维得到发展。 （4）态度责任：“加水就能跑”事件的辨析效果好，学生的科学辟谣意识和媒介素养明显增强；节电行动卡让节能意识落实为行动。 2. 改进方向： （1）工程实践项目可提前一个单元布置，保证制作与测试时间充足。 （2）辩论活动可增加资料准备环节，让论据更有科学依据。 （3）氢燃料电池可增加演示实验（如氢燃料电池小车），增强直观体验。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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