基于項(xiàng)目式教學(xué)的高中化學(xué)元素化合物復(fù)習(xí)
——以“利用類(lèi)價(jià)二維處理煙氣脫硫脫硝問(wèn)題”為例

劉炯明 竇 卓

（廈門(mén)雙十中學(xué)，福建 廈門(mén) 361000）

元素化合物知識(shí)考查在近幾年高考中占比逐年遞增，如何在教學(xué)中更好地滲透元素觀、分類(lèi)觀、轉(zhuǎn)化觀，從而實(shí)現(xiàn)元素化合物知識(shí)的結(jié)構(gòu)化及核心素養(yǎng)的培育呢？2017 版新課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，提倡基于綜合問(wèn)題解決的主題式教學(xué)。［1］項(xiàng)目式教學(xué)以真實(shí)的情境將學(xué)生帶入環(huán)境之中，通過(guò)設(shè)計(jì)任務(wù)、活動(dòng)，讓學(xué)生參與真實(shí)問(wèn)題的解決，并在過(guò)程中實(shí)現(xiàn)核心知識(shí)的落地、學(xué)科思想方法的養(yǎng)成、學(xué)科核心素養(yǎng)的培育。

一、項(xiàng)目的設(shè)計(jì)分析

（一）情境選擇注重生活性、承載性

人類(lèi)的生活情境中蘊(yùn)含著豐富的化學(xué)知識(shí)、方法和思想。從真實(shí)情境中提取問(wèn)題作為研究對(duì)象，可以和學(xué)生的生活經(jīng)歷或情感產(chǎn)生交織、碰撞，利于提高學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的投入感。［2］“工業(yè)煙氣脫硫脫硝”是社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題，其中所蘊(yùn)含的物質(zhì)轉(zhuǎn)化知識(shí)極為豐富，能夠有效承載元素化合物的教學(xué)重難點(diǎn)，利于核心知識(shí)的提取，也便于任務(wù)的拆解與問(wèn)題的設(shè)計(jì)。

（二）教學(xué)聚焦注重階段性、延伸性

我們可以從“工業(yè)煙氣脫硫脫硝”中抽提出多個(gè)教學(xué)角度：理論轉(zhuǎn)化、實(shí)際轉(zhuǎn)化、工程思維、綠色化學(xué)等，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展具有階段性并基于此合理設(shè)計(jì)項(xiàng)目。例如，在高一階段應(yīng)聚焦于理論轉(zhuǎn)化（類(lèi)價(jià)二維、位構(gòu)性），適當(dāng)回避動(dòng)力學(xué)熱力學(xué)問(wèn)題，而在高三一輪復(fù)習(xí)階段除了注重理論轉(zhuǎn)化分析以外，還要凸顯實(shí)際轉(zhuǎn)化（熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、分離提純、綠色化學(xué)）、工程思維（設(shè)備、成本、生產(chǎn)調(diào)控）等，這樣才利于學(xué)生在真實(shí)情境中重整相對(duì)孤立、碎片化的知識(shí)，形成一個(gè)認(rèn)知的有機(jī)整體。

二、項(xiàng)目的實(shí)施

項(xiàng)目從社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題中遴選出“工業(yè)煙氣脫硫脫硝”作為真實(shí)情境，從情境中抽提出具體的學(xué)科核心問(wèn)題，基于建構(gòu)主義理論合理設(shè)置三個(gè)遞進(jìn)式任務(wù)，并將每個(gè)任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)，由學(xué)生根據(jù)任務(wù)目標(biāo)設(shè)計(jì)方案、實(shí)施方案、交流展示和評(píng)價(jià)改進(jìn)，形成解決一類(lèi)問(wèn)題的思路和模型。［3］（具體教學(xué)流程見(jiàn)圖1）

（一）創(chuàng)設(shè)情境，建構(gòu)模型

［引入］全球范圍內(nèi)，環(huán)境的保護(hù)與治理都是熱門(mén)話題，SO2和NOx是大氣主要污染物，大量SO2和NOx的排放對(duì)環(huán)境造成了不可逆的破壞，因此對(duì)工業(yè)煙氣進(jìn)行脫硫脫硝是工業(yè)生產(chǎn)中重要的一環(huán)。

［展示］近年來(lái)全國(guó)工業(yè)SO2和NOx的排放量

任務(wù)一：工業(yè)煙氣脫硫、脫硝

［活動(dòng)1］結(jié)合已學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)脫除SO2的方案，書(shū)寫(xiě)對(duì)應(yīng)化學(xué)反應(yīng)方程式。

［匯報(bào)］展示所書(shū)寫(xiě)的化學(xué)反應(yīng)方程式

［交流研討］對(duì)上述反應(yīng)進(jìn)行歸納，抽提出認(rèn)識(shí)SO2性質(zhì)的角度。

［匯報(bào)］物質(zhì)類(lèi)別維度：SO2屬于酸性氧化物，具備酸性氧化物的通性，能與堿反應(yīng)，例如反應(yīng)①。

化合價(jià)升降維度：SO2中S 的價(jià)態(tài)為+4，處于中間價(jià)態(tài)，故SO2具有一定的氧化性與還原性，例如反應(yīng)②④是利用SO2的還原性進(jìn)行脫除；反應(yīng)③是利用SO2的氧化性進(jìn)行脫除。

［構(gòu)建模型］元素化合物的知識(shí)承載了我們對(duì)于物質(zhì)性質(zhì)及物質(zhì)間相互轉(zhuǎn)化的理解，脫除SO2的化學(xué)反應(yīng)多樣，可以從物質(zhì)類(lèi)別和化合價(jià)升降的維度分析其轉(zhuǎn)化，并構(gòu)建認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)與物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的認(rèn)知模型：類(lèi)價(jià)二維圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 S 元素的類(lèi)價(jià)二維圖

［活動(dòng)2］繪制N 元素的類(lèi)價(jià)二維圖，書(shū)寫(xiě)脫除NOx（NO 與NO2）的化學(xué)反應(yīng)方程式。

［展示］展示類(lèi)價(jià)二維圖與化學(xué)反應(yīng)方程式

［交流研討］反應(yīng)①屬于從哪個(gè)維度脫硝？能否從類(lèi)維的角度脫硝？

［匯報(bào)］反應(yīng)①涉及元素化合價(jià)變化，故屬于價(jià)維脫硝。NOx不屬于酸性氧化物，無(wú)法從類(lèi)維脫硝。

［追問(wèn)］一定條件下，能否利用NH3脫除工業(yè)煙氣中的NOx?

［匯報(bào)］結(jié)合類(lèi)價(jià)二維圖可知，NH3與NOx中間還存在其他價(jià)態(tài)的N 元素，理論上可以利用NH3還原NOx。

［結(jié)論］類(lèi)價(jià)二維圖是我們分析物質(zhì)理論轉(zhuǎn)化的模型，依據(jù)該模型我們不僅可以找到角度理解物質(zhì)轉(zhuǎn)化，也可以對(duì)某些反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。但該模型僅適用于理論預(yù)測(cè)，實(shí)際情況還要結(jié)合熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)進(jìn)一步分析。

（二）問(wèn)題升華，理解模型

任務(wù)二：工業(yè)煙氣同時(shí)脫硫脫硝

［活動(dòng)1］討論能同時(shí)脫除SO2與NOx的方法，并分析該方法從哪個(gè)維度同時(shí)脫硫脫硝。

［匯報(bào)］可以選擇合適的氧化劑或還原劑從價(jià)維同時(shí)脫除SO2與NOx。

［匯報(bào)］直接加入堿液同時(shí)吸收SO2與NOx，其中NOx是從價(jià)維脫除的，SO2是從類(lèi)維脫除的。

［追問(wèn)］已知煙氣中95%的NOx為NO，脫硝時(shí)對(duì)加入的氧化劑氧化性有何要求？

［匯報(bào)］氧化劑氧化性要足夠強(qiáng)，防止只將NO 氧化成NO2。

［拓展］NaClO2氧化吸收法中（反應(yīng)方程式如下），NaClO2雖然對(duì)SO2進(jìn)行了脫除，但是并未完成脫硝，對(duì)于生成的NO2還要用堿液進(jìn)一步吸收。

［小組討論］利用NH3還原NO 完成脫硝的同時(shí)，能否有效脫硫？

［匯報(bào)］NH3是堿性氣體，SO2是酸性氣體，若脫硝后往體系中加入水，結(jié)合SO2的類(lèi)屬通性分析，SO2可以從類(lèi)維脫除。

［交流研討］煙氣的組成會(huì)不會(huì)影響堿液吸收法的脫硫脫硝效果？若煙氣組成（除SO2外）有如下四個(gè)情況，是否均能實(shí)現(xiàn)完全脫除？

①只含NO2②只含NO

③n(NO)∶n(NO2)>1∶1 ④n(NO)∶n(NO2)<1∶1

［匯報(bào)］結(jié)合NO 與NO2的性質(zhì)可知情況①能完全脫除，情況②NO 不能脫除。當(dāng)NO 與NO2同時(shí)存在時(shí)，其比例為1∶1 時(shí)才能完全被堿液吸收，故情況③會(huì)剩余NO，情況④剩余的NO2能進(jìn)一步被堿液消耗，實(shí)際工業(yè)處理中一般不單獨(dú)采用堿液脫硫脫硝。

（三）真實(shí)情境，應(yīng)用模型

任務(wù)三：氯酸氧化法脫硫脫硝工藝分析

［展示］氯酸氧化法脫硫脫硝工藝圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 氯酸氧化法脫硫脫硝工藝圖

［活動(dòng)1］已知在氧化吸收塔中發(fā)生如下兩個(gè)反應(yīng)，請(qǐng)結(jié)合類(lèi)價(jià)二維分析氧化吸收塔中的脫硫脫硝過(guò)程。

［匯報(bào)］結(jié)合反應(yīng)可知HClO3能同時(shí)氧化NO 與SO2，但有部分NO 轉(zhuǎn)化為NO2，SO2被氧化為H2SO4，所以在氧化吸收塔中完成了脫硫與部分脫硝。

［小組討論］氧化吸收塔中未完全吸收的煙氣將進(jìn)入堿式吸收塔中進(jìn)一步處理，請(qǐng)結(jié)合工藝圖、類(lèi)價(jià)二維分析堿式吸收塔中可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

［匯報(bào)］堿式吸收塔中含NaOH，可發(fā)生反應(yīng)：2NO2+2NaOH====NaNO2+NaNO3+H2O；而從價(jià)維可知Na2S 作為還原劑能還原NO2，可發(fā)生反應(yīng)：Na2S+2NO2====Na2SO4+N2。

［交流研討］理論上NaOH 或Na2S 均可處理NO2，為何堿式吸收塔中要同時(shí)加入這兩種吸收液？

［匯報(bào)］在實(shí)際工業(yè)中，除了考慮物質(zhì)轉(zhuǎn)化以外，還需要考慮成本、脫除效率、反應(yīng)條件、設(shè)備等因素。

［活動(dòng)2］氧化吸收塔中吸收液pH 對(duì)脫硫脫硝效率的影響結(jié)果如圖3，請(qǐng)應(yīng)用類(lèi)價(jià)二維模型進(jìn)行分析。

圖3 吸收液pH 對(duì)脫硫脫硝效率的影響

［匯報(bào)］pH 增大使HClO3的氧化性降低，降低了脫硫脫硝效率，兩者曲線均下降。吸收液pH 增大，溶液中OH-濃度增大，可以從類(lèi)維對(duì)SO2進(jìn)行吸收，但不能吸收NO，所以SO2脫除效率下降幅度相對(duì)較小。

［總結(jié)］類(lèi)價(jià)二維是分析物質(zhì)性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的模型，但在實(shí)際問(wèn)題中除了結(jié)合類(lèi)價(jià)二維外，我們還需要結(jié)合熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、綠色化學(xué)、工程思維等。

三、項(xiàng)目教學(xué)反思

（一）依托活動(dòng)進(jìn)階，突破模型認(rèn)知

項(xiàng)目以構(gòu)建學(xué)生對(duì)于元素化合物知識(shí)的理解模型為目標(biāo)，將具體的知識(shí)賦予于不同的情境中，設(shè)問(wèn)層層遞進(jìn)，首先在任務(wù)一中建立認(rèn)識(shí)SO2性質(zhì)及不同價(jià)態(tài)含S 元素物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的類(lèi)價(jià)二維模型；其次在任務(wù)二中進(jìn)一步理解、應(yīng)用模型，最后在任務(wù)三中應(yīng)用模型分析氯酸同時(shí)脫硫脫硝。在這些任務(wù)的參與中，學(xué)生不僅構(gòu)建了認(rèn)知模型，同時(shí)在模型的應(yīng)用、升華過(guò)程中，也發(fā)展了變化觀念與模型建構(gòu)的核心素養(yǎng)。

（二）關(guān)注學(xué)生主體，塑造認(rèn)知視角

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)倡導(dǎo)以學(xué)生為主體，讓學(xué)生在真實(shí)的問(wèn)題情境中去實(shí)踐，并在探究和解決問(wèn)題的過(guò)程中獲得基本知識(shí)和技能、關(guān)鍵能力和必備品格。［4］本項(xiàng)目基于建構(gòu)主義理論進(jìn)行知識(shí)抽提、問(wèn)題拆解、活動(dòng)設(shè)計(jì)、會(huì)話研討并最終實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)?？紤]到學(xué)生的已有知識(shí)水平，本項(xiàng)目重點(diǎn)聚焦物質(zhì)的理論轉(zhuǎn)化，還未對(duì)物質(zhì)實(shí)際轉(zhuǎn)化所涉及的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、分離提純、綠色化學(xué)等知識(shí)進(jìn)行分析，因此建議在高中化學(xué)（必修一）模塊復(fù)習(xí)階段或高三化學(xué)一輪復(fù)習(xí)元素化合物模塊使用本項(xiàng)目教學(xué)。

（三）注重教學(xué)實(shí)踐，遷移項(xiàng)目模型

本項(xiàng)目在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中在實(shí)驗(yàn)班采取項(xiàng)目式教學(xué)，在普通班采取常規(guī)教學(xué)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班學(xué)生對(duì)于元素化合物知識(shí)的認(rèn)知更為深入，對(duì)陌生情境下元素化合物知識(shí)的分析準(zhǔn)確、角度多維，知識(shí)的類(lèi)比遷移等能力更勝一籌。學(xué)生的學(xué)習(xí)是有階段性的，教學(xué)也要注重階段性與適應(yīng)性，元素化合物知識(shí)不僅承載著物質(zhì)轉(zhuǎn)化問(wèn)題，背后還蘊(yùn)藏著更深層次的化學(xué)反應(yīng)原理知識(shí)，我們可以基于此項(xiàng)目進(jìn)一步設(shè)計(jì)更為深入的任務(wù)、活動(dòng)，從情境中抽提出實(shí)際轉(zhuǎn)化所需探討的核心知識(shí)及思維，如反應(yīng)限度、反應(yīng)速率、工業(yè)生產(chǎn)條件選擇、工程思維等，不斷遷移，幫助學(xué)生建構(gòu)更多的認(rèn)知模型，提升學(xué)生的高階思維，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。