基于化學教學內容“結構化”的項目式教學

武衍杰 江合佩 楊伏勇

摘要： 化學教學內容的“結構化”設計對發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)具有重要價值，項目式學習是實現(xiàn)教學內容結構化的重要途徑。以“人工固碳”為例，基于“固碳裝置設計”“固碳裝置優(yōu)化”等核心任務對項目學習中涉及的學科知識、認識思路、學科觀念等進行結構化整合，在真實情境中完成項目任務，使學生在學習主動性、學科思維及其遷移方面獲得發(fā)展。

關鍵詞： 項目式學習; 真實情境; 結構化設計; 化學反應

文章編號： 1005-6629（2021）03-0044-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版）》明確提出“教師在組織教學內容時應高度重視化學知識的結構化設計，充分認識知識結構化對于學生化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展的重要性，尤其是應有目的有計劃地進行“認識思路”和“核心觀念”的結構化設計”[1]?！敖Y構化”的認識方式可以形成對化學知識及其思維方式方法的系統(tǒng)性認識。項目式學習倡導學生綜合利用所學知識解決陌生、復雜問題，項目實施過程中需調用結構化的學科知識和技能、學科思維方法等解決項目中蘊含的問題，形成能夠進行遷移應用的問題解決思路和模型。故項目式學習在實現(xiàn)學生學科知識、認識思路、學科觀念結構化方面具有獨特價值，成為當前教學研究的熱點。如王磊團隊，開發(fā)契合高中化學教學進度的微項目系列教學案例[2，3]融入教材以促進學生對某個主題內容的結構化整合;江合佩團隊利用系列社會性熱點議題、化工生產問題等真實情境開發(fā)項目式教學案例[4～6]，豐富了一線教師對項目式教學的實踐。本文利用“人工固碳”項目對《化學反應原理》模塊開展復習教學實踐，對相關學科知識、認識思路、學科觀念進行結構化整合。

1? 項目使用說明

“人工固碳”項目是面向高二或高三已完成《化學反應原理》模塊學習后的學生所開發(fā)的復習課教學案例。本案例中學生圍繞人工固碳裝置的設計和優(yōu)化問題，探討“固碳路徑、固碳可能性、固碳現(xiàn)實性”等問題，從而覆蓋《化學反應原理》模塊所涉及的“反應方向、能量轉化（電化學）、反應限度、反應速率、反應機理”等核心知識。學生在問題解決過程中，提煉研究化學反應的視角和思路，在復習課中切實實現(xiàn)學科知識和認識思路的結構化。

2? 項目主題選擇

2.1? 突出化學學科價值

“人工固碳”項目凸顯化學學科的社會價值。隨著化石能源的急劇消耗，地球面臨能源耗盡和CO2排放量超標，這些問題帶來的地球限度危機（溫室效應、海平面上升等）已成為人類生存的隱憂。利用化學反應將排放的CO2轉化為人類所需的物質（即人工固碳）為解決這一問題提供了路徑（見圖1）。

2.2? 彰顯“結構化”知識的應用

科學家對“人工固碳”的研究歷程，蘊含著對化學反應認識深度的層層遞進，其涉及的學科問題和核心知識如圖2所示。學生在項目推進過程中，從氧化還原視角設計可能的固碳路徑，基于吉布斯自由能判據判斷固碳反應的可能性，基于電化學手段實現(xiàn)能量轉化，最后從動力學和熱力學兩個視角對反應條件進行優(yōu)化，探討人工固碳的現(xiàn)實性。項目學習既關注學科知識的結構化，又體現(xiàn)結構化知識的應用價值。

3? 項目教學目標

聚焦氧化還原、熱力學、動力學、電化學等學科核心概念的應用，具體目標為：

（1） 通過開展人工固碳項目，認識化學手段在解決環(huán)境問題中的重要價值，增強化學學習興趣和社會責任感。

（2） 通過運用氧化還原、蓋斯定律、吉布斯自由能判據、電解原理等知識設計人工固碳裝置，建立核心知識之間的關聯(lián)，進一步鞏固和優(yōu)化電化學認識模型。

（3） 通過從熱力學和動力學視角出發(fā)，設計人工固碳裝置優(yōu)化方案，構建熱力學和動力學綜合視角下的條件優(yōu)化模型，形成解決一類“工業(yè)生產條件選擇”問題的思路，并初步了解微觀視角下催化劑表面氣相反應機理的一般過程。

（4） 在項目活動中，通過獲取信息和解讀信息，增強基于證據進行解釋和推理的科學探究能力。

4? 項目流程設計

教學流程設計如表1所示，遵循問題解決的邏輯“設計化學反應，判斷化學反應能否發(fā)生（方向）： 如果不能，如何輔助其發(fā)生（能量）;如果能，可以進行到什么程度（限度）;多久進行完（速率），是如何進行的（機理）？”等。學生在完成這些任務的過程中調用“反應方向、電化學、化學平衡、反應速率與機理”等知識，經歷“模型建構與優(yōu)化”“科學探究與創(chuàng)新”等活動。

第1課時

項目任務項目活動項目驅動性問題項目推進的教師支持項目涉及核心知識

任務1? 項目研究框架的確定活動1? 固碳價值分析面對地球環(huán)境問題，化學學科可以做什么？

活動2? 固碳涉及學科問題確定人工固碳可能涉及哪些與化學相關的問題？（1） 提供世界化石能源消耗及二氧化碳排放現(xiàn)狀資料。

（2） 展示二氧化碳排放超標帶來的系列問題。

CO2與有機物間的轉化需關注轉化路徑—轉化可能性—轉化手段—轉化條件（優(yōu)化）

任務2? 人工固碳裝置的設計活動1? 固碳路徑設計設計CO2可能的轉化路徑，并選取代表物書寫反應的化學方程式，分析CO2在轉化中的角色。提供科學界CO2轉化的期望產物（烷烴類、羧酸類、醇類、糖類等）可能有哪些，并明確代表物。

活動2? 固碳可能性判斷根據各物質的標準摩爾生成焓和標準熵，判斷2CO2+2H2O2HCOOH+O2能否自發(fā)（基于甲酸的工業(yè)價值，以甲酸為例開展后續(xù)研究）。（1） 提供標準摩爾生成焓和標準熵的定義。

（2） 提供轉化路徑中各物質的標準摩爾生成焓和標準熵數(shù)據。

ΔG=ΔH-TΔS

蓋斯定律應用及方向判據

活動3? 固碳裝置設計

（1）? 根據電解原理，寫出2CO2（g）+2H2O（g）2HCOOH（l）+O2（g）的電極反應。

（2） 試根據電解的裝置要素，設計制備HCOOH的電解裝置。

（1） 引導學生回顧電極反應式書寫步驟及注意事項，形成程序性技能。

（2） 引導學生從原理和裝置兩個維度設計電解池并進行化學抽象，優(yōu)化、鞏固電化學認識模型。

不同形式能量（太陽能、電能、化學能）間的轉化原理與轉化手段

項目任務項目活動項目驅動性問題項目推進的教師支持項目涉及核心知識

任務3? 人工固碳裝置的優(yōu)化活動1? 電化學還原CO2的優(yōu)越性分析

分析水熱法還原CO2制甲酸的能耗問題和產量問題，突出電化學方法還原CO2的優(yōu)越性。（1） 提供水熱法還原CO2的原理介紹（見5.1）。

（2） 提供水熱法還原CO2在不同溫度下的平衡常數(shù)及平衡轉化率數(shù)據。（1） 化學平衡及影響化學平衡移動的因素（溫度、濃度、壓強）

（2） 影響化學反應速率的因素（溫度、濃度、壓強、催化劑等）

（3） 平衡轉化率與單位時間轉化率的區(qū)別和聯(lián)系

活動2? 提高電化學還原CO2效率的方案設計（1） 分析CO2還原為HCOOH的微觀機理。

（2） 探討優(yōu)化人工固碳裝置的具體措施。（1） 提供電化學還原CO2微觀機理的相關圖表。

（2） 提供二維材料作為電催化領域催化劑的催化歷程。（1） 影響化學反應速率的因素

（2） 反應機理（微觀視角下催化劑表面氣相反應機理的一般過程： 吸附—表面反應—脫附—擴散等）

小結回顧整個項目對化學反應研究的思路。從方向、限度、速率、機理等方面梳理研究化學反應的一般思路，并整合兩課時涉及的學科核心概念及有關知識。

5? 項目學習實施

本項目在廈門市某重點中學高二、高三兩個年級段進行實施和改進。由于篇幅所限，以第2課時任務3“人工固碳裝置的優(yōu)化”為例呈現(xiàn)實施過程。

5.1? 問題導入

[展示和評價學生裝置]學生在第1課時任務中，設計了如圖3所示的人工固碳裝置。可以看出，同學們已經有了優(yōu)化意識。如圖3a為了加快陰極的反應速率，刻意增大CO2在陰極的壓強;圖3b意識到陰極可能會發(fā)生副反應，應開發(fā)選擇性更好的催化劑;圖3c還能想到通過質子交換膜來富集HCOOH。

[驅動性問題]通過同學們設計的電解裝置，實現(xiàn)了CO2轉化為HCOOH的設想。那還有沒有其他制備方法？電化學還原CO2制備HCOOH具備什么優(yōu)勢？可從哪些角度進行比較？

5.2? 電化學還原CO2的優(yōu)越性分析——基于電化學方法與水熱法制HCOOH的對比

[提供信息]資料卡片1及表2。

資料卡片1

水熱法[7]還原CO2以高溫水為反應介質，無機金屬作還原劑（如金屬Al、 Fe、 Zn等）。關于水熱

法還原CO2，有人提出在這個過程中其實質是金屬從高溫水中置換出來的H2與CO2發(fā)生反應生成甲酸的過程，即核心反應為CO2（g）+H2（g）HCOOH（g）。此反應在25℃和300℃下平衡常數(shù)KP分別為5.2×10-11和2.4×10-8。

[學習任務5.2.1]以水熱法還原CO2制HCOOH為例，研究其能耗和產量問題： （1）根據資料卡片1中信息，判斷CO2（g）+H2（g）HCOOH（g）的熱效應;（2）根據表2中不同溫度下反應的平衡常數(shù)和平衡轉化率數(shù)據從熱力學角度分析應如何控制反應條件，才能提高HCOOH的產量;（3）從動力學角度如何控制反應條件，才能提高HCOOH的產量？

[學生匯報]（1）溫度升高，反應的平衡常數(shù)增大，說明該反應為吸熱反應;（2）從熱力學平衡移動角度看，根據表2中數(shù)據和反應特點，提高反應溫度、增加反應體系壓力都有利于平衡右移，提高HCOOH的產量;（3）從影響反應速率的外界因素（動力學角度）看，提高CO2濃度（增大壓強）、提高反應溫度或開發(fā)高效催化劑都能加快反應速率，提高單位時間內HCOOH的產量。

[學生補充]從平衡常數(shù)數(shù)值來看，這個反應即使在很高溫度下平衡常數(shù)也很小，因此必須打破熱力學平衡控制，否則CO2平衡轉化率仍然很小，最好采取及時從體系中移除HCOOH的措施，如可以向反應體系中加入甲醇酯化或用無機弱堿中和生成的酸。

[建構認識思路]同學們從熱力學和動力學兩個角度分析了提高HCOOH產量的措施（見圖4）。在實際工業(yè)生產中為追求經濟效益還需要縮短反應時間，因此不僅要考慮產物的平衡轉化率，還要盡可能提高單位時間內的產率，要注意兩者的區(qū)別和聯(lián)系，這也是我們解決“工業(yè)生產條件選擇”類問題的一般思路。

[學習任務5.2.2]從能耗和對設備的要求等角度對比水熱法和電化學法還原CO2制HCOOH，分析電化學方法的優(yōu)勢。

[學生匯報]水熱法制HCOOH需高溫、高壓條件，對工業(yè)設備的要求嚴格，成本較高，此外水熱法轉化率低也會限制其應用。而電化學方法制HCOOH利用電解裝置，無需高溫高壓條件，反應溫和，只要能開發(fā)出高效催化劑就能提高HCOOH產量。

[教師點評]電化學方法制HCOOH優(yōu)勢明顯，因此近年來科學家研究的重點轉向了如何提高CO2在陰極的還原效率。這也是我們接下來要解決的另一個核心問題——如何優(yōu)化固碳裝置，提高固碳產量？

5.3? 提高電化學還原CO2效率的方案設計——基于電化學還原CO2機理

[學習任務5.3.1]固碳裝置優(yōu)化措施分析。CO2在陰極催化劑表面被還原的機理如圖5所示，結合CO2在陰極的還原機理，思考： （1）如何提高HCOOH產量;（2）若使用催化劑，催化劑應具備哪些特點？

[學生匯報]由于這并不是一個平衡體系，根據圖4條件優(yōu)化模型只能從動力學角度考慮，可以采取提高CO2濃度、提高反應溫度、開發(fā)高效催化劑等措施。

[教師評價和追問]大家能主動應用條件優(yōu)化模型分析問題，非常好。從圖5看，CO2結構穩(wěn)定，在反應中由直線型很難被活化為彎曲型，因此必須開發(fā)高效催化劑，催化劑應具備哪些特點？

[學生匯報]從圖5看，（1）CO2在陰極上可能會發(fā)生副反應生成CO，另外H+也可能在陰極放電，陰極上其實存在很多競爭反應，因此催化劑應有良好的甲酸選擇性;（2）CO2必須擴散到陰極被吸附后才能發(fā)生反應，因此催化劑要利于反應物的擴散和吸附;（3）CO2在催化劑表面發(fā)生的是連續(xù)得電子的反應，因此催化劑應該有利于電子的轉移。

[提供信息]閱讀資料卡片2，認識二維材料，了解二維材料作為催化劑的優(yōu)勢和潛力。

資料卡片2

二維材料（2D）由單層或少數(shù)層原子、分子層組成。與傳統(tǒng)催化材料相比，二維材料外比表面積更大，更有利于反應物

的擴散;可暴露出更多的催化活性位點，有利于界面電荷的快速轉移;還具有穩(wěn)定性高、機械性能優(yōu)異等優(yōu)點。因此，其在CO2電催化還原領域展現(xiàn)出巨大的潛力。

[學習任務5.3.2]二維材料的催化活性位點分析。科學家[9]制備了新型CO2電化學還原催化劑——二維銻片（2D Sb），將其分離為尺寸不同的兩組材料（厚度基本相同）進行實驗，結果如圖6所示。試分析2D Sb片的催化活性位點可能在什么位置？

[學生匯報]從催化效率圖看，相比于大尺寸銻片，小尺寸銻片具有更強的還原效率（基于相同質量的電極材料），而小尺寸銻片邊緣長度更大，因此其催化活性位點可能是材料邊緣。

[學習任務5.3.3]2D Sb片的催化機理分析?？茖W家[10]以2D Sb為電極材料，研究了其反應歷程如圖7所示（*表示物質吸附在催化劑表面），分析CO2在2D Sb片表面的轉化過程，并對催化效果進行評價。

[學生匯報]催化機理分析： CO2吸附在催化劑表面→*CO2+H++e-*OCHO→*OCHO+H++e-HCOOH→HCOOH從催化劑表面脫附擴散;催化效果評價： 相比于生成CO跨越能壘1.10eV以及生成H2跨越能壘0.89eV，生成HCOOH跨越的能壘更低，為0.43eV，因此該催化劑能抑制副產物CO和H2的生成，對甲酸具有良好的選擇性。

[建構認識思路]從微觀角度分析化學反應機理或歷程是當前科學研究的前沿問題和熱點問題。通過分析催化機理不僅可以看出催化劑能降低反應的活化能，還可以抽提出催化劑表面氣相反應的一般過程需經歷“吸附→表面反應→脫附→擴散”等步驟，這對處理與化學反應歷程相關的問題具有指導作用。

5.4? 項目教學小結

本項目以人工固碳裝置的設計與優(yōu)化為線索，引領學生運用學科核心視角研究化學反應，體現(xiàn)了化學教學內容的“結構化”設計，如圖8所示。

6? 項目教學效果

本項目在真實情境中完成項目任務，學生至少在以下三個方面得到發(fā)展：

第一，感受到化學在解決社會熱點問題中的價值，增強了化學學習的主動性。項目學習后，學生主動查閱前沿文獻了解CO2還原為CH4、 CH3OH等的方法并在班級學習群分享，學習熱情高漲。

第二，獲得了“結構化”學科思維。學生在學習過程中經歷具有學科特色的學習活動，在活動中不斷構建和優(yōu)化認知模型，如通過固碳裝置優(yōu)化這一任務，圍繞催化劑設計與機理分析問題，進行科學探究（催化劑

應具備的特點的分析）、證據推理（催化劑活性位點判斷）、微觀探析（催化劑表面微觀機理分析）等活動，構建出催化劑表面氣相反應機理的結構化認識思路，深化了對化學反應的微觀認識水平。

第三，能夠將所學結構化思維進行遷移。教學實施后，通過“氯乙烯制備反應”的反應機理（見圖9）這一情境，測查學生對“反應歷程、決速步驟”等問題的理解，實驗班90%的學生都能找到決速步驟并寫出方程式，70%以上的學生能結合“催化劑表面氣相反應機理一般過程”對反應歷程進行描述，而對照班雖在習題課中對這類問題有過講解，但對反應歷程的描述大多沒有思路或思路混亂，充分說明項目式教學在幫助學生形成認識思路方面的價值。這也提醒我們素養(yǎng)導向的項目設計必須充分考慮學生完成項目任務需要什么樣的認識角度和思路及其具有的一般遷移價值，以有助于學生解決新問題。

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[4]江合佩. 基于真實情境的項目式化學教學[M]. 濟南： 山東科學技術出版社， 2019.

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