基于模型建構(gòu)的高中化學(xué)項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐
——以“天然氣中CO2和H2S 的協(xié)同去除”為例

陳永安

（廈門雙十中學(xué)，福建 廈門 361000）

一、設(shè)計(jì)背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》提到，倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變［1］。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是以某一項(xiàng)目為教學(xué)載體，讓學(xué)生通過(guò)已有的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式解決問(wèn)題，進(jìn)而達(dá)到核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。在開(kāi)展項(xiàng)目式教學(xué)時(shí)，應(yīng)考慮學(xué)習(xí)主題情境的真實(shí)性。真實(shí)情境不僅要能涵蓋學(xué)科知識(shí)，同時(shí)在問(wèn)題解決中能誘發(fā)學(xué)生的內(nèi)心需求。

“模型認(rèn)知”是高中化學(xué)核心素養(yǎng)中的一個(gè)方面?！澳Ｐ驼J(rèn)知”最初來(lái)源于蘇格蘭Kenneth Craik 提出的心智模型，他認(rèn)為通過(guò)將外在事件轉(zhuǎn)化為內(nèi)在模型，思維就可利用內(nèi)在模型進(jìn)行推理、預(yù)測(cè)和解釋事件。模型的建構(gòu)是在模型認(rèn)知的基礎(chǔ)上演變出來(lái)的，中學(xué)教學(xué)更側(cè)重的是知識(shí)模型的建構(gòu)，利用建構(gòu)的知識(shí)模型深化了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，幫助學(xué)生進(jìn)行深層次的思維訓(xùn)練，提升問(wèn)題解決能力，因此知識(shí)模型的建構(gòu)是一種很重要而且很有效的學(xué)習(xí)工具，幫助學(xué)生日后在碰到復(fù)雜且多變的問(wèn)題時(shí)，能夠“有章可循，有法可依”地解決問(wèn)題。

利用真實(shí)情境進(jìn)行模型的建構(gòu)和應(yīng)用能夠幫助學(xué)生將有序的知識(shí)系統(tǒng)化，從點(diǎn)到線再到面進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和探究，進(jìn)而將抽象的問(wèn)題具體化，同時(shí)，改變教師的教學(xué)視角，會(huì)用學(xué)生的視角審視自己的教學(xué)模式，提升自己的基礎(chǔ)教學(xué)。

對(duì)各種科學(xué)雜志的研究成果進(jìn)行搜索，確定“天然氣中CO2和H2S 的協(xié)同去除”為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)主題。

二、設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目以“天然氣中CO2和H2S 協(xié)同去除”為主體，依次從元素價(jià)類二維模型結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)去除理想方案、利用電化學(xué)理論模型設(shè)計(jì)電解裝置、再?gòu)墓こ趟季S、動(dòng)力學(xué)角度設(shè)計(jì)電解裝置的實(shí)際模型，從而引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)完整的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。通過(guò)上述活動(dòng)，學(xué)生在關(guān)鍵問(wèn)題的解決中不斷地建構(gòu)和運(yùn)用模型，同時(shí)深刻體會(huì)科學(xué)家們研究的創(chuàng)造性。教學(xué)流程見(jiàn)圖1。

圖1 “天然氣中CO2和H2S 的協(xié)同去除”課堂教學(xué)流程

三、教學(xué)過(guò)程

（一）應(yīng)用價(jià)類二維模型、熱力學(xué)計(jì)算設(shè)計(jì)理論去除方案

［教師］介紹天然氣中CO2和H2S 除去的必要性，同時(shí)在工業(yè)上兼具經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙重效益的理想策略是將天然氣中CO2和H2S 氣體轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品。

［布置任務(wù)］請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)去除天然氣中CO2和H2S 氣體的方案，填寫(xiě)學(xué)案后進(jìn)行交流。

［學(xué)生1］CO2和H2S 從物質(zhì)類別的角度均屬于酸性氣體，因此使用的試劑是NaOH 溶液。

［學(xué)生2］從經(jīng)濟(jì)成本上考慮，應(yīng)使用Ca(OH)2溶液。

［教師點(diǎn)評(píng)］兩位同學(xué)能從類維角度設(shè)計(jì)除去CO2和H2S 的方案，同時(shí)從經(jīng)濟(jì)成本上考慮更優(yōu)化試劑，但這些方案在工業(yè)是否可行？給大家提供以下資料。

圖2

［學(xué)生3］不可行。通過(guò)資料1 可知CH4中的CO2和H2S 含量高，根據(jù)資料2 可知試劑的消耗量和成本高，且不可再生，不符合綠色化學(xué)思想。

［教師］既然從類維的角度設(shè)計(jì)分案是不行的，那還可以從什么角度入手？

［學(xué)生4］價(jià)維。因?yàn)镃O2中的C 為+4 價(jià)可作為氧化劑，H2S 中的S 為-2 價(jià)可作為還原劑，二者發(fā)生氧化還原反應(yīng)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)去除。

［教師追問(wèn)］反應(yīng)的產(chǎn)物是什么？

［學(xué)生4］CO2不是典型的氧化劑，因此化合價(jià)的變化可能在鄰近價(jià)態(tài)中轉(zhuǎn)變，產(chǎn)物應(yīng)是CO、S 和H2O。

［教師］從氧化還原反應(yīng)的價(jià)態(tài)規(guī)律分析出反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)從工業(yè)生產(chǎn)角度來(lái)說(shuō)也希望生成CO 和S，因?yàn)镃O 可用于氣體燃料和生產(chǎn)醋酸等化工產(chǎn)品，S可用于制造硫酸、殺蟲(chóng)劑等，這是一舉多得的好事。但前提是該反應(yīng)要能發(fā)生，那怎么來(lái)判斷一個(gè)反應(yīng)能發(fā)生？

［學(xué)生5］可根據(jù)△H-T△S進(jìn)行判斷。通過(guò)查表和結(jié)合蓋斯定律可知該反應(yīng)的△H＞0，由反應(yīng)的物質(zhì)狀態(tài)可知△S＜0，因而△H-T△S＞0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行。

［教師］怎么設(shè)計(jì)才能使該反應(yīng)進(jìn)行？

［學(xué)生交流討論］借助電解可使反應(yīng)進(jìn)行。

［點(diǎn)評(píng)分析］此環(huán)節(jié)，學(xué)生從類維角度入手，初步設(shè)計(jì)去除方案，教師引入工程思維后，學(xué)生進(jìn)一步從價(jià)維角度入手，同時(shí)結(jié)合熱力學(xué)計(jì)算分析反應(yīng)可行性，進(jìn)而通過(guò)所學(xué)知識(shí)提出反應(yīng)不可行的解決方案。教師引導(dǎo)學(xué)生逐步建構(gòu)解決真實(shí)情境的思維模型。

（二）初步設(shè)計(jì)電解池理論模型

［教師布置任務(wù)］以電解飽和NaCl 溶液為模型，寫(xiě)出該反應(yīng)的電極反應(yīng)式和畫(huà)出電解裝置。同桌之間相互討論，填寫(xiě)學(xué)案后進(jìn)行交流。

［學(xué)生1］電極反應(yīng)式：陽(yáng)極H2S-2e-=S↓+2H+；陰極CO2+2e-+2H+=CO+H2O。選擇酸性電解質(zhì)溶液，目的是防止CO2和H2S 反應(yīng)，同時(shí)參考電解飽和NaCl 溶液的裝置選擇質(zhì)子交換膜防止陰陽(yáng)極的物質(zhì)相互干擾，具體裝置圖為A。

圖3 學(xué)生對(duì)電解裝置設(shè)計(jì)的結(jié)果實(shí)例

［學(xué)生2］在前組的基礎(chǔ)上，我們組改變電極材料—多孔石墨電極，如圖B，主要是模仿氫氧燃料電池的電極，目的在吸附氣體，提高電解速率。

［教師點(diǎn)評(píng)］同學(xué)們利用之前所學(xué)模型進(jìn)行電解裝置設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮電解物質(zhì)為氣體，應(yīng)選用吸附氣體的電極材料。隨著科技發(fā)展，逐漸地用石墨烯電極代替多孔石墨電極，石墨烯是單層石墨，納米級(jí)別，吸附能力強(qiáng)，導(dǎo)電性能好，是現(xiàn)今優(yōu)良的電極材料［2］。

［點(diǎn)評(píng)分析］結(jié)合之前所學(xué)的電化學(xué)知識(shí)和模型，學(xué)生自主設(shè)計(jì)電解理論裝置。教師將學(xué)生設(shè)計(jì)的電解裝置進(jìn)行對(duì)比，引導(dǎo)他們能取長(zhǎng)補(bǔ)短，進(jìn)行自我論證。

（三）優(yōu)化電解池模型實(shí)現(xiàn)從理論模型到實(shí)際模型的轉(zhuǎn)化

［教師］在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)CO2吸附率高，但是反應(yīng)速率慢。如何提高CO2反應(yīng)速率？

［學(xué)生1］增大CO2濃度（增大壓強(qiáng)），升溫。

［學(xué)生2］CO2的吸附率高，說(shuō)明CO2濃度高（壓強(qiáng)大），增大濃度（增大壓強(qiáng)）方案不可行。

［學(xué)生3］在電解裝置中升溫，現(xiàn)實(shí)操作困難。

［教師點(diǎn)評(píng)］同學(xué)們通過(guò)影響化學(xué)反應(yīng)速率的外界因素結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際篩選提高方法，但是忽略了其中一種因素。（學(xué)生：催化劑。）怎么添加催化劑？

［學(xué)生］最好直接摻雜在電極上，在溶液中添加催化劑使得其與CO2的接觸面積變少，影響催化效果。

［教師］通過(guò)科學(xué)家們的不斷研究，為了兼顧綠色化學(xué)和經(jīng)濟(jì)效益，選擇催化劑ZnO 摻雜在石墨烯電極中。

［教師追問(wèn)］H2S 在吸附性強(qiáng)的石墨烯電極上仍吸附率低，如何提高H2S 的吸附率？請(qǐng)同學(xué)們利用“知識(shí)支持”的提示設(shè)計(jì)出解決方案。

圖4

［學(xué)生］可通過(guò)改變交換膜右側(cè)的電解質(zhì)溶液，從而改變H2S 的去除途徑，提高其去除率，因此在交換膜右側(cè)電解質(zhì)溶液中加入含F(xiàn)e3+的物質(zhì)。

［教師追問(wèn)］具體發(fā)生的反應(yīng)是什么？

［學(xué)生］溶液中發(fā)生2Fe3++H2S=2Fe2++S↓+2H+；陽(yáng)極Fe2+-e-=Fe3+，因而Fe3+可進(jìn)行循環(huán)使用。

［教師點(diǎn)評(píng)］在實(shí)際生產(chǎn)中，使用了Fe3+，則電解質(zhì)溶液應(yīng)為強(qiáng)酸性，實(shí)用性不強(qiáng)，因而使用EDTA-Fe3+，EDTA-Fe3+在弱酸性溶液中可使用，符合生產(chǎn)實(shí)際。

［教師補(bǔ)充］從能量轉(zhuǎn)化的角度上分析，可對(duì)直流電源進(jìn)行優(yōu)化，將其換成太陽(yáng)能電池，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了使CO2和H2S 協(xié)同除去，應(yīng)使CO2和H2S 從天然氣中分離出來(lái)，并在兩極上反應(yīng)，則需設(shè)計(jì)一個(gè)經(jīng)特殊處理的管道，從管道的一端通入天然氣，再分別從管道中逸出CO2和H2S。具體裝置為圖5。

［點(diǎn)評(píng)分析］此環(huán)節(jié)是本節(jié)課的難點(diǎn)，在解決CO2反應(yīng)慢、H2S 吸附率低等問(wèn)題都充分利用化學(xué)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化。H2S 的處理跳脫原體系，引入EDTA-Fe3+進(jìn)行循環(huán)利用從而間接除去H2S。此環(huán)節(jié)有效地提升學(xué)生建構(gòu)模型和應(yīng)用模型的能力。

四、教學(xué)反思

（一）核心素養(yǎng)孕育于真實(shí)情境和模型建構(gòu)

本節(jié)課從天然氣中CO2和H2S 協(xié)同去除的真實(shí)情境入手，提出多個(gè)核心問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)多樣化的教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生在活動(dòng)中進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，同時(shí)利用模型建構(gòu)和運(yùn)用，不斷提升學(xué)生思維能力和解決問(wèn)題的邏輯能力，從而建構(gòu)結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系。

圖5 優(yōu)化的電解裝置

（二）核心素養(yǎng)發(fā)展于學(xué)生需求和問(wèn)題解決

本節(jié)課引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、討論問(wèn)題、解決問(wèn)題，學(xué)生運(yùn)用習(xí)得的知識(shí)和技能解決真實(shí)問(wèn)題，進(jìn)而提升關(guān)鍵能力和必備品格。教學(xué)時(shí)，每一個(gè)問(wèn)題既是獨(dú)立又是關(guān)聯(lián)的，通過(guò)層層推進(jìn)的問(wèn)題幫助學(xué)生形成邏輯推理鏈，學(xué)生利用資料卡、知識(shí)支持等獲取和加工信息，從元素價(jià)類二維、化學(xué)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案，從而促使學(xué)生從學(xué)科知識(shí)向?qū)W科核心素養(yǎng)發(fā)展。

（三）核心素養(yǎng)依托于教師視角轉(zhuǎn)換

模型的建構(gòu)需要教師關(guān)注學(xué)生思維習(xí)慣和問(wèn)問(wèn)題的動(dòng)力來(lái)源，因此對(duì)于教師應(yīng)該時(shí)刻反思本節(jié)課學(xué)生已有的知識(shí)框架是什么？如何在原有的知識(shí)框架及學(xué)生需求上擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)深度和已有模型？因而，教師的課堂出發(fā)點(diǎn)應(yīng)從學(xué)生的視角入手，通過(guò)讓學(xué)生自行繪出思維導(dǎo)圖建構(gòu)知識(shí)模型。