基于真實(shí)情境問(wèn)題解決的STEM項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)

江合佩

[摘 要]

將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活、研究現(xiàn)象或解決問(wèn)題是國(guó)際和國(guó)內(nèi)培育學(xué)生核心素養(yǎng)的共識(shí)。將基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)理念與現(xiàn)行高中化學(xué)課程相結(jié)合，選擇高中化學(xué)中的核心認(rèn)知視角“類價(jià)二維”，設(shè)置真實(shí)的科學(xué)和工程問(wèn)題“工業(yè)脫硝”，將科學(xué)思維與工程思維相整合，系統(tǒng)解決氮氧化物無(wú)害化處理，發(fā)展學(xué)生理性思維和問(wèn)題解決的核心素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]

高中化學(xué);科學(xué)思維;核心素養(yǎng)

一、設(shè)計(jì)背景

美國(guó)2013年頒布的《下一代科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（Next Generation Science Standards）倡導(dǎo)從學(xué)科核心概念、科學(xué)工程實(shí)踐和跨學(xué)科思維來(lái)發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，其中“科學(xué)與工程實(shí)踐是關(guān)于如何將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活、研究現(xiàn)象或解決問(wèn)題”[1]。具體落實(shí)課程理念提倡STEM教育，即以活動(dòng)、項(xiàng)目和問(wèn)題解決為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，應(yīng)用所學(xué)到的跨學(xué)科知識(shí)創(chuàng)造、設(shè)計(jì)、建構(gòu)、發(fā)現(xiàn)、合作并解決問(wèn)題[2]。我國(guó)《普通高中化學(xué)課程方案（2017年版）》指出“注重學(xué)科內(nèi)容選擇、活動(dòng)設(shè)計(jì)與學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)養(yǎng)成的有機(jī)聯(lián)系。關(guān)注學(xué)科間的聯(lián)系與整合。增強(qiáng)課程內(nèi)容與社會(huì)生活的內(nèi)在聯(lián)系”[3]?；瘜W(xué)是一門(mén)與社會(huì)生產(chǎn)生活密切相關(guān)的中心學(xué)科，如何精選情境素材，挖掘其中蘊(yùn)涵的學(xué)科核心問(wèn)題，并同工程思維相結(jié)合，發(fā)展學(xué)生的理性思維、問(wèn)題解決能力是擺在化學(xué)教育工作者面前的重大攻關(guān)課題。本節(jié)課選自魯科版第三章自然界中的元素第二節(jié)氮的循環(huán)（第三課時(shí)）人類活動(dòng)對(duì)氮循環(huán)和環(huán)境的影響，旨在通過(guò)在解決氮氧化物污染過(guò)程中，利用工程理念不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，得出合理解決問(wèn)題的路徑，相關(guān)教學(xué)設(shè)計(jì)流程（見(jiàn)圖1）：

二、設(shè)計(jì)過(guò)程

（一）教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)從類價(jià)二維設(shè)計(jì)工業(yè)脫硝物質(zhì)轉(zhuǎn)化路線，訓(xùn)練學(xué)生思維有序性，培養(yǎng)模型建構(gòu)的學(xué)科核心素養(yǎng);

通過(guò)對(duì)物質(zhì)性質(zhì)分析，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)合理推理的學(xué)科核心素養(yǎng);

通過(guò)對(duì)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)條件的分析，培養(yǎng)學(xué)生變化觀念與平衡思想;

通過(guò)真實(shí)問(wèn)題解決，訓(xùn)練學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，培養(yǎng)科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任。

（二）教學(xué)過(guò)程

[引入]我國(guó)是一個(gè)煤炭消費(fèi)大國(guó)，目前已探明我國(guó)的煤炭?jī)?chǔ)量占世界的33.8%，可采量居世界第三。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主。2010年全年能源消費(fèi)總量32.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長(zhǎng)5.9%。煤炭消費(fèi)量增長(zhǎng)5.3%;原油消費(fèi)量增長(zhǎng)12.9%;天然氣消費(fèi)量增長(zhǎng)18.2%;電力消費(fèi)量增長(zhǎng)13.1%。2011年全年能源消費(fèi)總量34.8億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長(zhǎng)7.0%左右。煤炭消費(fèi)量增長(zhǎng)9.7%;原油消費(fèi)量增長(zhǎng)2.7%;天然氣消費(fèi)量增長(zhǎng)12.0%;電力消費(fèi)量增長(zhǎng)11.7%。雖然在未來(lái)幾十年內(nèi)，煤炭所占能源比例會(huì)有所下降，但其在能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位仍不會(huì)改變。預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)煤炭能源比例仍高達(dá)60%左右。

活動(dòng)一：氮氧化物的危害

[PPT]人類生產(chǎn)生活中氮的轉(zhuǎn)化（見(jiàn)圖2）：

[設(shè)問(wèn)]從圖中分析可知哪些生產(chǎn)生活活動(dòng)會(huì)造成氮氧化物的生成？氮氧化物會(huì)發(fā)生哪些轉(zhuǎn)化造成哪些環(huán)境問(wèn)題？

[小組匯報(bào)]氮氧化物主要來(lái)源于化石燃料燃燒、硝酸工廠廢氣排放、植物體焚燒、土壤和動(dòng)物排泄物中含氮化合物的轉(zhuǎn)化。這些含氮化合物與碳?xì)浠衔锓磻?yīng)造成光化學(xué)煙霧，與水反應(yīng)形成酸雨，污染環(huán)境。

[設(shè)問(wèn)質(zhì)疑]NOx和碳?xì)浠衔镌陉?yáng)光照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二次污染物的現(xiàn)象，稱為“光化學(xué)煙霧”。有學(xué)者對(duì)某城市一天中光化學(xué)煙霧的變化情況進(jìn)行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖3）。

思考：

①二次污染物主要有哪些？

②預(yù)測(cè)醛和O3的峰值出現(xiàn)在14：00左右的主要原因是？

[學(xué)生]（1）醛與臭氧;（2）此時(shí)日光照射較強(qiáng)，光化學(xué)反應(yīng)速率較快。

設(shè)計(jì)意圖：從社會(huì)熱點(diǎn)能源使用概括關(guān)聯(lián)各種物質(zhì)間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，梳理辨識(shí)出涉及宏觀物質(zhì)轉(zhuǎn)化的問(wèn)題，從微觀粒子間重新組成形成新物質(zhì)探析造成的環(huán)境問(wèn)題出發(fā)，分別從數(shù)據(jù)和曲線進(jìn)行定量表征，得出氮氧化物的治理勢(shì)在必行。

活動(dòng)二：氮氧化物的防治

[交流研討]請(qǐng)從物質(zhì)轉(zhuǎn)化的角度思考，如何實(shí)現(xiàn)氮氧化物的無(wú)害化處理。

任務(wù)1：完成氮及其化合物類價(jià)二維圖（見(jiàn)圖4、圖5、圖6）。

[小組匯報(bào)]

[追問(wèn)]根據(jù)類價(jià)二維圖，可加入什么性質(zhì)的化學(xué)試劑實(shí)現(xiàn)無(wú)害化處理？

[小組匯報(bào)]

任務(wù)2：利用還原劑干法脫硝探究

[追問(wèn)]對(duì)于加入還原劑，同學(xué)們思考下目前學(xué)習(xí)當(dāng)中常見(jiàn)的還原劑，試著寫(xiě)出涉及相關(guān)轉(zhuǎn)化的化學(xué)方程式。

[小組匯報(bào)]NO可用H2、CO還原，有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)為：

2NO+2H2=N2+2H2O? ? 2NO+2CO=N2+2CO2

[引導(dǎo)]日常生活中，還有一種更為常見(jiàn)的還原劑天然氣，主要成分是甲烷，請(qǐng)寫(xiě)出相關(guān)化學(xué)方程式。

[小組匯報(bào)]NO可用CH4還原，有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)為：4NO+CH4=2N2+CO2+2H2O

[小結(jié)]這種利用常見(jiàn)還原劑H2、CO、CH4還原處理的方法稱為非選擇性催化還原法（NSCR），該方法需要反應(yīng)的溫度較高，條件相對(duì)比較苛刻，反應(yīng)產(chǎn)物較復(fù)雜，且還原劑會(huì)與體系中的氧氣發(fā)生副反應(yīng)，造成處理效率的進(jìn)一步降低。

[設(shè)問(wèn)]還有沒(méi)有更好的還原劑，還有沒(méi)有什么方法增強(qiáng)還原劑還原的專一性，且反應(yīng)所需的溫度較溫和？

[學(xué)生匯報(bào)]（1）使用氨氣作為還原劑，歸中反應(yīng)簡(jiǎn)單易行;（2）使用催化劑增強(qiáng)還原的專一性，使得反應(yīng)條件溫和易行。

[追問(wèn)]請(qǐng)同學(xué)們?cè)囍鴮⒃撧D(zhuǎn)化的化學(xué)方程式寫(xiě)出來(lái)。

[小組匯報(bào)]NO可用NH3還原，有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)為：4NO+6NH3[催化劑]5N2+6H2O

[設(shè)問(wèn)]使用催化劑可以使得反應(yīng)的溫度降低到200℃-400℃左右，且不會(huì)發(fā)生氨氣與氧氣的副反應(yīng)，但是在運(yùn)輸氨氣的過(guò)程中會(huì)存在一定的安全隱患，在不影響還原效率的情況下，有沒(méi)有更好的還原劑代替氨氣？

[小組匯報(bào)]NO可用CO（NH2）2還原，有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)為：

6NO+CO（NH2）2[催化劑]7N2+4CO2+8H2O

[小結(jié)]這種利用還原劑NH3、CO（NH2）2且加入催化劑還原處理的方法稱為選擇性催化還原法（SCR）。兩種方法都是在氣相中進(jìn)行，統(tǒng)稱干法脫硝。

[遷移應(yīng)用]目前，科學(xué)家正在研究一種以乙烯作為還原劑的脫硝（NO）原理，其脫硝機(jī)理示意圖（見(jiàn)圖7），脫硝率與溫度、負(fù)載率（分子篩中催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的關(guān)系（見(jiàn)圖8）。

思考：

①寫(xiě)出該脫硝原理總反應(yīng)的化學(xué)方程式。

②為達(dá)到最佳脫硝效果，應(yīng)采取的條件是？

[小組匯報(bào)]（1）6NO+3O2+2C2H4[催化劑]3N2+4CO2+4H2O （2）350℃，負(fù)載率3.0%

任務(wù)3：利用氧化劑濕法脫硝探究

[設(shè)問(wèn)]NOX中的氮元素化合價(jià)為+2（+4），中間價(jià)態(tài)，除了可以使用還原劑將其還原為無(wú)污染的氮?dú)庵?，還可以使用氧化劑脫硝。工業(yè)上常使用綠色高效的氧化劑ClO2將NO氧化為NO2，然后再使用堿液吸收，該法稱為氣相氧化液相吸收法。請(qǐng)寫(xiě)出該反應(yīng)涉及的化學(xué)方程式。

[小組匯報(bào)]NO可用ClO2氧化，有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)為：5NO+2ClO2+H2O=5NO2+2Cl-+ 2H+

NOx可用NaOH溶液吸收，有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)為：2NaOH+2NO2=NaNO2+NaNO3+H2O;? ?2NaOH+NO+NO2=2NaNO2+H2O。

[設(shè)問(wèn)]工業(yè)上制備NaOH采用的方法是什么？該法從能量消耗角度分析有什么缺點(diǎn)？

[學(xué)生匯報(bào)]電解飽和食鹽水;高耗能，成本高。

[追問(wèn)]有沒(méi)有更好的堿液吸收劑替代？

[學(xué)生匯報(bào)]侯氏制堿法生產(chǎn)出的純堿（Na2CO3），低耗能，節(jié)約成本。

[追問(wèn)]請(qǐng)寫(xiě)出該法涉及到的化學(xué)方程式。

[學(xué)生匯報(bào)]NOx可用純堿溶液吸收，有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)為：

2NO2+Na2CO3[? ? ? ? ? ? ]NaNO2+NaNO3+CO2

NO+NO2+Na2CO3[? ? ? ? ? ? ]2NaNO2+CO2

[設(shè)問(wèn)]除了氣相氧化液吸收法，還有液相氧化吸收法，常用KMnO4/KOH溶液氧化NO，KMnO4被還原為MnO2，請(qǐng)寫(xiě)出該反應(yīng)的離子方程式。

[學(xué)生匯報(bào)]3NO+2MnO4-+H2O=2MnO2↓+3NO2+2OH-

[追問(wèn)]反應(yīng)生成的副產(chǎn)物MnO2如何處理才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化？

[學(xué)生匯報(bào)]選擇合適的氧化劑將MnO2氧化成KMnO4，然后循環(huán)利用。

[教師]沒(méi)錯(cuò)，工業(yè)常用K2S2O8、PbO2等氧化劑實(shí)現(xiàn)Mn由+4→+7價(jià)轉(zhuǎn)化。

[板書(shū)]建構(gòu)工業(yè)脫硝認(rèn)識(shí)模型（見(jiàn)圖9）。

設(shè)計(jì)意圖：利用類價(jià)二維視角選擇合適的還原劑和氧化劑，實(shí)現(xiàn)氮氧化物的無(wú)害化處理，同時(shí)在處理過(guò)程中從工程視角考慮盡量提升生產(chǎn)效率，提升學(xué)生簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的能力，發(fā)展學(xué)生變化觀念和平衡思想核心素養(yǎng)。

活動(dòng)三：應(yīng)用模型解決實(shí)際問(wèn)題

[設(shè)問(wèn)]在鼓泡反應(yīng)器中通入含有SO2和NO的煙氣，反應(yīng)溫度為323K，NaClO2溶液濃度為5×10-3mol·L-1。反應(yīng)一段時(shí)間后溶液中離子濃度的分析結(jié)果如表1。

思考：

①寫(xiě)出NaClO2溶液脫硝過(guò)程中主要反應(yīng)的離子方程式。

②隨著吸收反應(yīng)的進(jìn)行，吸收劑溶液的pH變化趨勢(shì)是？

③由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，脫硫反應(yīng)速率大于脫硝反應(yīng)速率的原因有哪些？

[小組匯報(bào)]①4OH-+3ClO2-+4NO=4NO3-+3Cl-+2H2O;②逐漸減小;③SO2和NO在煙氣中的初始濃度不同;NO溶解度較低。

[追問(wèn)]在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，利用類價(jià)二維實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化還應(yīng)考慮哪些因素？

[學(xué)生匯報(bào)]濃度、溶解度、溫度……

[教師總結(jié)]還應(yīng)考慮綠色化學(xué)思想（原料、產(chǎn)品、反應(yīng)條件、催化劑無(wú)污染，原子利用率盡量高）、原料和副產(chǎn)物的循環(huán)利用、能耗問(wèn)題、生產(chǎn)成本、環(huán)保等問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：以真實(shí)的工業(yè)脫硝過(guò)程為背景，融入微觀離子濃度分析、單一控制變量等多種視角進(jìn)行系統(tǒng)探究，進(jìn)一步將模型的構(gòu)建從具象的事實(shí)抽象為可供發(fā)展學(xué)生認(rèn)識(shí)功能的思維模型，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)理想轉(zhuǎn)化的視角，進(jìn)一步提升為從系統(tǒng)建構(gòu)的視角來(lái)發(fā)展學(xué)生的思維，發(fā)展學(xué)生科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任核心素養(yǎng)。

三、教學(xué)反思

本節(jié)課從真實(shí)生活情境出發(fā)，將具體社會(huì)問(wèn)題從宏觀辨識(shí)出涉及到的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，然后從微觀視角設(shè)計(jì)其無(wú)害化轉(zhuǎn)化，滲透工程思維，進(jìn)一步完善工業(yè)脫硝模型。通過(guò)本節(jié)課的教學(xué)，反思如下：

基于真實(shí)情境的項(xiàng)目式教學(xué)，需圍繞課程標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵知識(shí)和理解要求設(shè)計(jì)和教學(xué)，設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，利用核心認(rèn)知視角展開(kāi)科學(xué)探究，以真實(shí)生活為背景進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)自主、合作探究得出可以物化的公共產(chǎn)品。其中，問(wèn)題的設(shè)計(jì)顯得格外重要。首先，問(wèn)題的選擇一定要關(guān)注社會(huì)熱點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，體現(xiàn)化學(xué)在解決疑難問(wèn)題中獨(dú)特的價(jià)值和功能;其次，問(wèn)題的選擇一定要有一定的挑戰(zhàn)性，要求學(xué)生通過(guò)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，主動(dòng)意義建構(gòu)，從已有認(rèn)知通過(guò)活動(dòng)的設(shè)計(jì)進(jìn)階到較高水平，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí);再次，問(wèn)題的設(shè)計(jì)要指向?qū)W科核心認(rèn)知視角，通過(guò)學(xué)科核心認(rèn)知視角可以辨識(shí)出學(xué)科核心問(wèn)題，利用核心認(rèn)知視角發(fā)展學(xué)生的認(rèn)識(shí)，建構(gòu)解決類似問(wèn)題的一般思路;最后，問(wèn)題的設(shè)計(jì)需要具有一定的復(fù)雜性，問(wèn)題需要學(xué)生系統(tǒng)關(guān)聯(lián)多學(xué)科知識(shí)，利用多個(gè)學(xué)科的核心視角系統(tǒng)解決陌生復(fù)雜的社會(huì)問(wèn)題，體現(xiàn)問(wèn)題解決的意義和價(jià)值。

通過(guò)系統(tǒng)思維培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。在設(shè)計(jì)無(wú)害化處理氮氧化物教學(xué)環(huán)節(jié)，不斷設(shè)置認(rèn)知沖突，推進(jìn)教學(xué)環(huán)節(jié)的開(kāi)展。任務(wù)開(kāi)始引導(dǎo)學(xué)生從類價(jià)二維視角來(lái)設(shè)計(jì)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，要求學(xué)生從靜態(tài)的類價(jià)二維發(fā)展進(jìn)階到動(dòng)態(tài)的類價(jià)二維，發(fā)揮類價(jià)二維的認(rèn)識(shí)功能。在對(duì)氮氧化物類別分析以后，排除類屬通性后，分析氮元素化合價(jià)，分別從加入還原劑和氧化劑兩個(gè)視角開(kāi)展轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中遇到了因?yàn)檫€原劑會(huì)與體系中氧氣發(fā)生副反應(yīng)，因此需要加入選擇性催化劑提高主反應(yīng)的選擇性，同時(shí)還要考慮反應(yīng)條件容易調(diào)控及反應(yīng)物運(yùn)輸?shù)陌踩缘榷嘀匾蛩?，得出選擇尿素還原法這個(gè)相對(duì)最優(yōu)方案。在加入氧化劑堿液吸收這個(gè)環(huán)節(jié)，從加入氧化劑KMnO4發(fā)生反應(yīng)被還原為MnO2，引導(dǎo)學(xué)生從產(chǎn)物循環(huán)利用角度進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化思路;從反應(yīng)物原料易得成本控制角度引導(dǎo)學(xué)生使用純堿代替NaOH。這些教學(xué)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，有條不紊地推進(jìn)，在理想轉(zhuǎn)化與實(shí)際流程設(shè)計(jì)中不斷完善設(shè)計(jì)方案，不斷在解決問(wèn)題中梳理出物質(zhì)轉(zhuǎn)化中涉及到的系統(tǒng)思維，將知識(shí)的習(xí)得置于問(wèn)題的解決之中，充分體現(xiàn)了知識(shí)的認(rèn)識(shí)和遷移應(yīng)用的功能和價(jià)值。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]陸如平，李佩寧.美國(guó)STEM課例設(shè)計(jì)[M]教育科學(xué)出版社，2018.

[2][美]美羅伯特·M.卡普拉羅.基于項(xiàng)目的STEM學(xué)習(xí)——一種整合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)方式[M]上海科技教育出版社，2018.

[3]中華人民共和國(guó)教育部制定.普通高中課程方案（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（責(zé)任編輯：張華偉）