涵育科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任的學(xué)科育人實踐

張靈麗

摘要： 以“碳中和”為例運用項目化學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生了解什么是碳中和以及實現(xiàn)碳中和的四種主要途徑： 碳捕集、碳循環(huán)、碳替代、碳封存。探討碳循環(huán)及二氧化碳為核心的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程以及氣候、環(huán)境和碳循環(huán)的關(guān)系。引導(dǎo)學(xué)生從個人做起，制定低碳行動方案;了解碳中和的技術(shù)展望，提高認識化學(xué)學(xué)科價值，培育科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

關(guān)鍵詞： 碳中和; 項目化學(xué)習(xí); 科學(xué)態(tài)度; 社會責(zé)任; 教學(xué)設(shè)計

文章編號： 10056629（2022）06006005

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

2020年9月22日，中國國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上首次宣布中國將努力爭取到2060年實現(xiàn)碳中和的氣候目標(biāo)。化學(xué)教師有責(zé)任引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)的視角來認識碳中和這一社會熱點問題。為此，筆者以項目化學(xué)習(xí)的方式設(shè)計碳中和課例，引導(dǎo)學(xué)生了解什么是碳中和、如何實現(xiàn)碳中和、碳中和的技術(shù)展望以及碳中和的重要意義。

1 設(shè)計思路

“碳中和”是科學(xué)技術(shù)社會環(huán)境相互關(guān)系及可持續(xù)發(fā)展大概念的具體表現(xiàn)，是二氧化碳溫室氣體過量排放導(dǎo)致氣候變暖等環(huán)境問題引發(fā)的社會性議題和人類共同面對的挑戰(zhàn)，具有重要的現(xiàn)實意義。通過“碳中和”項目化學(xué)習(xí)的設(shè)計，讓學(xué)生從個人、國家、國際不同層面制定碳中和方案，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會熱點問題，學(xué)會用化學(xué)知識解決實際問題，彰顯化學(xué)學(xué)科價值，發(fā)展學(xué)生的社會責(zé)任意識。

項目化學(xué)習(xí)通過真實和具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，使學(xué)生逐步獲得知識、技能和關(guān)鍵品格[1]。通過創(chuàng)設(shè)真實情景，對知識加以遷移應(yīng)用，進而解決問題，體現(xiàn)化學(xué)知識的應(yīng)用價值，使學(xué)生能力和化學(xué)思維均得到不同程度的提升[2]。本文以項目化學(xué)習(xí)的方式，設(shè)計碳中和教學(xué)案例，通過探究碳循環(huán)和二氧化碳的性質(zhì)與變化等知識，學(xué)生逐漸養(yǎng)成變化觀念來解決化學(xué)問題;通過查閱文獻資料和實驗探究，學(xué)生形成化學(xué)思維，發(fā)展創(chuàng)新意識;通過感受二氧化碳對人類的生活、生產(chǎn)、環(huán)境的重要作用以及影響，學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度及社會責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識，發(fā)揮化學(xué)課程的全面育人功能。

2 教學(xué)流程

“碳中和”復(fù)習(xí)課是滬教版九年級《化學(xué)》（上冊）第2章和（下冊）第7章的內(nèi)容?！疤贾泻汀睆?fù)習(xí)圍繞“二氧化碳”展開，課程形式是校本課程。

項目流程設(shè)計如圖1所示。

3 教學(xué)過程

3.1 任務(wù)一： 什么是碳中和？

[情境1]播放視頻： 習(xí)近平承諾中國實現(xiàn)碳達峰到碳中和的時間。

[問題1]你們知道什么是“碳中和”嗎？

[學(xué)生]碳中和是指在規(guī)定時間內(nèi)，二氧化碳的人為移除與人為排放相抵消。

[問題2]為什么要實現(xiàn)碳中和？什么是溫室效應(yīng)的危害？

[資料]人類進入工業(yè)化以來，二氧化碳排放量不斷增加，導(dǎo)致全球氣溫升高，冰川融化、海平面上升等諸多環(huán)境問題，人類賴以生存的環(huán)境面臨著前所未有的威脅與挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，自1850年以來大氣中二氧化碳濃度持續(xù)上升，全球氣溫上升了

0.9～1.2℃，海平面升高了20cm。特別是近30年來，全球海平面上升速度達到0.32cm/a，到本世紀(jì)末，如果全球氣候升溫達到2℃，海平面升高將達到36～87cm，99%的珊瑚礁將消失，陸地上約13%的生態(tài)系統(tǒng)將遭到破壞，許多植物和動物面臨著滅絕的風(fēng)險。下圖是主要國家二氧化碳排放量統(tǒng)計，如圖2所示[3]。

[問題3]二氧化碳的來源？

[學(xué)生]化石燃料的燃燒、動植物的呼吸、碳酸鹽礦石的分解等等。

[教師]關(guān)于溫室效應(yīng)，你需要知道兩個數(shù)字，第一個是510億，第二個是0。510億是全球每年向大氣中排放的溫室氣體的大致噸數(shù)。0是我們需要達成的目標(biāo)。源于人類活動的溫室氣體排放量的占比如表1所示[4]。

設(shè)計意圖： 關(guān)注可持續(xù)發(fā)展的熱點問題，初步形成“低碳行動”的價值認同;提升閱讀理解和信息獲取的能力，提高交流表達的能力，促進社會責(zé)任、國際理解的素養(yǎng)發(fā)展。

3.2 任務(wù)二： 設(shè)計碳中和方案

3.2.1 碳捕集

[問題1]你知道二氧化碳的消耗途徑嗎？

[學(xué)生]光合作用、二氧化碳的溶解、用堿性溶液吸收。

[問題2]根據(jù)已學(xué)過的二氧化碳的制備和二氧化碳的性質(zhì)，請你設(shè)計二氧化碳的捕集方案，并驗證二氧化碳被成功捕捉。

[儀器和藥品]錐形瓶、長頸漏斗、試管、雙孔橡皮塞、玻璃導(dǎo)管;大理石、稀鹽酸、氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液、石灰水、碳酸鈉溶液、碳酸鉀溶液、酚酞試液、紫色石蕊試液。

[學(xué)生分組實驗]學(xué)生設(shè)計如下幾種實驗方案： 用大理石和稀鹽酸制備二氧化碳，將二氧化碳通入試管中，觀察現(xiàn)象（試管里的液體有： ①澄清石灰水;②氫氧化鈉溶液/氫氧化鉀溶液;③滴有酚酞的碳酸鉀溶液/碳酸鈉溶液）。向試管②中滴入稀鹽酸，觀察現(xiàn)象。

[展示]學(xué)生設(shè)計的實驗方案及裝置，如圖3所示。

[問題3]從經(jīng)濟成本的角度分析： 你設(shè)計的捕集二氧化碳的方案在工業(yè)生產(chǎn)上的可行性。

[學(xué)生]經(jīng)濟成本高。

[資料]化學(xué)吸收法是利用弱堿性吸收劑與CO2反應(yīng)生成不穩(wěn)定的鹽類，然后鹽類在一定的條件下（如加熱）又逆向分解釋放出CO2，從而達到捕集和利用CO2的目的?；瘜W(xué)吸收法吸收量大、吸收效果好、吸收劑能循環(huán)利用并能得到高純度的CO2?；瘜W(xué)吸收劑分為液體吸收劑和固體吸收劑，其中采用液體吸收劑的熱鉀堿法、有機胺吸收法和氨水法等發(fā)展比較成熟，應(yīng)用比較廣泛。

[例題]CO2是最主要的溫室氣體，也是巨大的碳資源，CO2的低能耗捕集、轉(zhuǎn)化和利用正受到世界各國的廣泛關(guān)注。

利用NaOH溶液吸收CO2，部分轉(zhuǎn)化關(guān)系見圖4。反應(yīng)①的化學(xué)方程式為??? ，該轉(zhuǎn)化中循環(huán)使用的物質(zhì)是??? 。利用Na2CO3溶液或K2CO3溶液吸收低濃度的CO2，將其轉(zhuǎn)化為NaHCO3或KHCO3，NaHCO3或KHCO3受熱分解生成高濃度的CO2儲存利用，生成的Na2CO3或K2CO3循環(huán)使用以降低生產(chǎn)成本。0C08243A-51F4-437F-B86D-3F38A0BE4A02

設(shè)計意圖： 發(fā)展學(xué)生以實驗為主的科學(xué)探究能力，能根據(jù)所學(xué)的化學(xué)知識設(shè)計實驗方案，并進行實驗驗證;對探究實驗進行反思和評價，會用科學(xué)語言描述過程與結(jié)論，培養(yǎng)合作交流、信息提取、自主學(xué)習(xí)等能力。

[問題4]除了碳捕集之外，你還能設(shè)計出其他方案來減少二氧化碳的排放嗎？

[學(xué)生]從源頭上減少二氧化碳的排放，如減少化石燃料的燃燒;發(fā)展新能源，如氫能、太陽能、風(fēng)能、核能、地?zé)崮?植樹造林等。

[教師]減少碳排放、實現(xiàn)碳中和的對策目前還有碳循環(huán)、碳替代、碳封存等主要途徑。

3.2.2 碳循環(huán)

[教師]你知道什么是碳循環(huán)嗎？

[例題]為降低溫室氣體含量，科學(xué)家正在研究一種新型的“人造樹葉”。假設(shè)每1升“人造樹葉”每天可從空氣中吸收二氧化碳880g并轉(zhuǎn)化為乙醇（C2H5OH），對應(yīng)化學(xué)方程式為2CO2+3H2O一定條件C2H5OH+3O2。若每天一棵樹平均可吸收44g CO2，則一升“人造樹葉”一天吸收的CO2相當(dāng)于幾棵樹吸收的CO2。

[學(xué)生]20棵。

設(shè)計意圖： 學(xué)會用數(shù)據(jù)和事實說話。從定量計算角度，分析碳中和方案的可行性和設(shè)想。將二氧化碳轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，初步建立物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀和守恒觀，發(fā)展定性和定量相結(jié)合的研究視角。解謎探尋“人造樹葉”這一科學(xué)前沿資料，激發(fā)學(xué)生熱愛、鉆研化學(xué)的好奇心，形成科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識。

3.2.3 碳替代

[教師]你了解的碳替代方案有哪些？目前最理想的綠色能源是什么？存在的問題是什么？

[學(xué)生]開發(fā)新能源。目前最理想的新能源是氫能源，最大的問題是技術(shù)問題，如何廉價制氫、安全儲存及運輸問題。

[資料]氫能是公認的高熱值清潔能源。目前，氫氣的來源如圖5所示?；Y源制氫最為成熟。水煤氣變換反應(yīng)： CO+H2O催化劑△CO2+H2，是化石資源制氫過程中的重要反應(yīng)之一。北京大學(xué)團隊研究了在不同溫度下，多種催化劑對水煤氣變換反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖6所示。電解水制氫過程簡便，但造價高昂，利用太陽能制氫是未來的發(fā)展方向，“人造太陽”的探索也就應(yīng)運而生。我囯“人造太陽”大科學(xué)裝置“東方超環(huán)”利用的是核聚變，當(dāng)氘、氚核聚變溫度達到1億攝氏度、持續(xù)時間超過1000秒，就能形成持續(xù)反應(yīng)，為水分解提供能量。2020年4月，“東方超環(huán)”實現(xiàn)了1億攝氏度運行近10秒，取得重大突破。

設(shè)計意圖： 關(guān)注科技動態(tài)，進一步體會和感受科學(xué)原理在解釋自然現(xiàn)象、解決實際問題方案中的重要作用，發(fā)展科學(xué)價值觀。將科學(xué)技術(shù)和社會生活相聯(lián)系，形成科學(xué)技術(shù)工程環(huán)境與可持續(xù)續(xù)發(fā)展的核心觀念，強化科學(xué)價值觀，發(fā)展社會責(zé)任、國家認同、國際理解的素養(yǎng)。

3.2.4 碳封存

[教師]你了解過火力發(fā)電廠產(chǎn)生的二氧化碳的后續(xù)處理嗎？

[學(xué)生]將二氧化碳加壓降溫制成液態(tài)二氧化碳或干冰，運輸?shù)接蜌馓锓獯妗?/p>

[資料]碳封存是指將大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放源產(chǎn)生的二氧化碳收集起來，并用各種方法儲存以避免其排放到大氣中的一種技術(shù)。主要的封存技術(shù)有三種： 含鹽堿水層封存、油氣層封存和煤氣層封存。利用現(xiàn)有油氣田封存二氧化碳，將二氧化碳注入油氣層起到驅(qū)油作用，既提高采收率，又實現(xiàn)了碳封存，被認為是未來的主流方向，也是我國的主流發(fā)展方向[5]。

[教師演示]模擬二氧化碳油氣田封存實驗： 將大理石和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳通入裝有油的廣口瓶中，廣口瓶中的油被壓入燒杯中，如圖7所示。

[問題]請課下查閱資料，了解油氣田封存液態(tài)二氧化碳的原理和條件。

設(shè)計意圖： 提高閱讀理解和信息加工處理能力，能對化學(xué)有關(guān)的熱點問題做出正確的價值判斷，能參與有關(guān)化學(xué)問題的社會實踐活動。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實際，能設(shè)計模擬實驗方案，對模擬實驗做出合理的分析和判斷，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。了解我國碳中和的具體行動，關(guān)注社會生活生產(chǎn)實際，強化社會責(zé)任感。

3.3 任務(wù)三： 低碳行動和碳中和的技術(shù)展望

[資料1]中國的節(jié)能減排行動取得了顯著成效。2019年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳的排放，較2005年降低了48.1%，其中非化石能源占比為15.3%，已經(jīng)提前和超額完成2020年氣候行動目標(biāo)[6]。

[資料2]汽車、卡車、飛機、輪船等交通運輸工具的溫室氣體排放量所占百分比情況，如圖8所示[7]。

[問題1]低碳行動從我做起，說說日常生活中你的做法？

[學(xué)生]綠色出行（步行或騎行或公共交通）、控制白色污染，少用塑料制品（購物用環(huán)保袋）、種植綠色植物（植樹造林）、垃圾分類回收再利用、紙張雙面使用、建造冬暖夏涼的綠色建筑、節(jié)約食物杜絕浪費、少吃肉、減少使用一次性餐具等。

[教師]請設(shè)計一張海報宣傳低碳行動。

[問題2]實現(xiàn)碳中和，你認為最重要的是什么？

[學(xué)生]實現(xiàn)技術(shù)突破，減少化石燃料的使用，發(fā)展新能源。

[資料3]碳替代是實現(xiàn)碳中和的中堅力量。未來中國向世界能源消費結(jié)構(gòu)的新趨勢靠攏發(fā)展，實現(xiàn)從現(xiàn)階段的四分天下轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙淮笕　毙赂窬郑ā耙淮蟆睘樾履茉矗叭　睘槊?、石油、天然氣），加快氫能、新材料儲能、可控核聚變等顛覆性技術(shù)攻關(guān)及其工業(yè)化，為宜居地球、綠色地球做貢獻。圖9是2019～2050年全球能源結(jié)構(gòu)的變化趨勢[8]。

設(shè)計意圖： 培養(yǎng)學(xué)生形成節(jié)約資源、保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識和價值追求，從自身做起，形成簡約適度、綠色低碳的生活方式。激發(fā)學(xué)生的社會責(zé)任感，熱愛科學(xué)，樹立用科學(xué)技術(shù)改變能源結(jié)構(gòu)和人類生存環(huán)境的決心，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)視角認識物質(zhì)世界，初步形成物質(zhì)及其變化的基本觀念，啟迪科學(xué)思維，加深認識化學(xué)的社會價值。

4 教學(xué)反思

化學(xué)教學(xué)的意義在于培養(yǎng)學(xué)生嚴謹而理性的思維方式、崇尚真理和樹立綠色發(fā)展的意識，具有科學(xué)的全面的價值判斷能力。而科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任素養(yǎng)不僅僅體現(xiàn)在對學(xué)生的價值觀與理想以及可持續(xù)發(fā)展理念的形成，同時也表達了化學(xué)學(xué)科教學(xué)的最終歸宿點是為了培養(yǎng)能擔(dān)當(dāng)民族復(fù)興大任的時代新人所必須具有的現(xiàn)代科學(xué)意識[9]。本節(jié)課以“碳中和”為例，運用項目化的學(xué)習(xí)方式，以二氧化碳的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化知識為核心，設(shè)計碳捕集的開放型實驗，通過碳循環(huán)的定量計算、科學(xué)文獻資料的介紹，了解碳封存和碳替代技術(shù)，幫助學(xué)生建立從科學(xué)原理到低碳行動的方案，再具體到社會生活實踐的認知模型，學(xué)會以理性、綜合、創(chuàng)新的思維來分析和解決環(huán)境問題，將綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展觀念轉(zhuǎn)化為具體的行動，激發(fā)學(xué)生發(fā)自內(nèi)心的愛國情懷和社會責(zé)任感、嚴謹求實的學(xué)習(xí)態(tài)度與報效祖國的理想追求，形成理性的情感認同與實證性的行為習(xí)慣相融合，實現(xiàn)“知、情、行”的統(tǒng)一。

參考文獻：

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