基于項目化學(xué)習(xí)的化學(xué)反應(yīng)與能量單元復(fù)習(xí)課

賀陽

摘要：以微項目的形式將化學(xué)能與熱能、電能進行融合教學(xué)，通過對社會性議題“燃油車會‘消失’嗎”的討論，在證據(jù)推理、論證與反論證的過程中實現(xiàn)知識的結(jié)構(gòu)化、在真實問題情境解決中實現(xiàn)用高階思維包裹低階思維，將學(xué)習(xí)素養(yǎng)轉(zhuǎn)化為持續(xù)的學(xué)習(xí)實踐，結(jié)合工程技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保，利用科學(xué)理論解決實際問題。

關(guān)鍵詞：燃油汽車；能源；化學(xué)能與熱能；電能；任務(wù)驅(qū)動

文章編號：1008-0546（2022）02-0076-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.017

本項目課題選自人教版高中化學(xué)第二冊第六章第一節(jié)化學(xué)與能量，是對研究與實踐欄目“了解車用能源”的改編。以真實的社會性議題為出發(fā)點，激發(fā)學(xué)生的認知沖突和探究欲望，引領(lǐng)學(xué)生對與化學(xué)有關(guān)的社會熱點問題做出正確的價值判斷，強化其社會參與意識，最終達到促進學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展的目的[1]。

一、驅(qū)動性問題的提出

以大慶油田為背景，百年油田自1959年以來已經(jīng)過去60年，世界能源也面臨危機，有人說百年燃油時代將終結(jié)，燃油車將消失，各國政府也相繼出臺燃油車禁售時間表，中國海南2030年將禁售燃油車。那么燃油車真的會消失嗎？

二、項目解構(gòu)、科學(xué)論證

項目實施計劃由教師與學(xué)生共同制定。在學(xué)生闡述自己觀點的過程中，提取出關(guān)鍵問題，例如：燃油車為什么要消失？傳統(tǒng)車用能源遇到哪些問題？用什么替代傳統(tǒng)車用能源？新能源汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展情況等。為了科學(xué)論證這個話題，我們需要對項目進行解構(gòu)[2]，如圖1。

1.子項目一：車用能源的種類

第一小組學(xué)生結(jié)合工程技術(shù)、物理學(xué)知識，介紹了不同的驅(qū)動形式，匯報了車用能源的種類、能源轉(zhuǎn)化形式、車用燃料種類、汽油柴油標號的含義。燃油車是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，純電動車是電能轉(zhuǎn)化為機械能，燃料電池汽車是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能、電能轉(zhuǎn)化為機械能。

2.子項目二：為什么用醇化汽油替代傳統(tǒng)能源？

問題1：傳統(tǒng)能源面臨的問題有哪些？

學(xué)生觀點：石油是不可再生能源、傳統(tǒng)能源會引起環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等。教師進一步提供世界石油儲量、我國的能源結(jié)構(gòu)、煤制油等資料。

問題2：汽車尾氣中有哪些污染？是如何產(chǎn)生的？會導(dǎo)致哪些環(huán)境問題？

學(xué)生觀點：酸雨、氮氧化合物及二氧化碳等。

學(xué)生會進一步提供論據(jù)，從價類二維角度（圖2）分析酸雨的產(chǎn)生，氮氧化合物和CO、碳氫化合物等成因，汽車尾氣管的高溫將空氣中的N2和O2反應(yīng)生成NO，進一步氧化為NO2，再與水反應(yīng)生成硝酸。另一組同學(xué)提出反對觀點，目前汽車尾氣管已經(jīng)安裝三元催化轉(zhuǎn)化器，可將氮氧化物和CO轉(zhuǎn)化為綠色無污染的N2和CO2，因此汽車尾氣沒有污染。

在本輪學(xué)生觀點的碰撞中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生已經(jīng)建立了一定的物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀。教師繼續(xù)給出資料進行反論證，尾氣管會加速氨氣的排放，以促進學(xué)生更高階的物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀，發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)。二氧化碳的排放，通過碳循環(huán)、巴黎協(xié)定，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)發(fā)展觀，并指出催化劑的研究是一個極具魅力和應(yīng)用前景的科研方向。

【資料】柴油車的脫硝裝置，用尿素CO（NH2）2做反應(yīng)劑與氮氧化合物催化生成N2，但會出現(xiàn)尿素逃逸，分解產(chǎn)生氨。

汽車尾氣中除了氮氧化合物、碳氫化合物外，還有氨氣的存在。隨著三元催化轉(zhuǎn)化器的使用，機動車尾氣的氨排放量顯著增加，在發(fā)動機富燃料條件下運行會加速催化劑表面氨氣的反應(yīng)過程。氨氣的生成過程歸功于NO和H2的反應(yīng)，而H2來源于CO和H2O的反應(yīng)[3]。

問題3：選擇替代能源時需要綜合考慮哪些問題？

學(xué)生觀點：熱值、低碳經(jīng)濟、污染、來源、成本、安全等

學(xué)生結(jié)合熱值、低碳經(jīng)濟、物質(zhì)狀態(tài)、來源、環(huán)保等分析辛烷、甲烷、乙醇、氫氣的優(yōu)劣。通過計算相關(guān)數(shù)值，結(jié)合多種因素科學(xué)論證這個問題。

對于乙醇的優(yōu)點，教師提出是有人說碳零排放，激發(fā)學(xué)生的辯論意識，學(xué)生從守恒角度提出觀點不可能，并給出論據(jù)產(chǎn)物有二氧化碳。教師引導(dǎo)學(xué)生從乙醇可再生這個角度再分析（圖3），學(xué)生恍然大悟，進一步促進學(xué)生更高階的轉(zhuǎn)化觀和守恒觀。

教師進一步提出問題：你覺得乙醇燃料是否適合大規(guī)模推廣呢？

學(xué)生提出反對觀點：不行，黑龍江省和吉林省乙醇汽油站多、南方少，因為北大荒有糧。大部分乙醇來源于糧食，而中國是人口大國，乙醇燃料的應(yīng)用會出現(xiàn)與人“爭糧”，使用乙醇燃料是要深思熟慮的。

問題4：對比蒸汽機、內(nèi)燃機、燃料電池的能量轉(zhuǎn)化形式，從轉(zhuǎn)化效率、技術(shù)可行性等角度進行比較。

通過動畫演示三種裝置的工作原理，學(xué)生直觀的了解到能量轉(zhuǎn)化形式，從轉(zhuǎn)化效率、技術(shù)可行性角度進行論證。

3.子項目三：新能源汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展情況

問題1：新能源汽車的種類有哪些？

純電動、油電混、燃料電池汽車、增程式汽車等

問題2：結(jié)合電化學(xué)模型分析驅(qū)動電池的工作原理。

學(xué)生結(jié)合電化學(xué)分析模型分析燃料電池和鋰電池的工作原理：包括能量轉(zhuǎn)化形式、電流方向、閉合回路的形成，結(jié)合氧化還原反應(yīng)分析物質(zhì)的變化。以此進一步發(fā)展學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)-模型認知，運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。

問題3：那你支持哪種新能源汽車呢？目前新能源汽車的優(yōu)點和存在的問題有哪些？

學(xué)生提出各自觀點，引出二者的優(yōu)劣。教師進一步指出這只是我們個人的觀念，國家層面呢？通過播放視頻“國器—中日車用能源，誰才是未來？”，幫助學(xué)生進一步了解中國和日本在新能源汽車上的不同路線及原因，發(fā)展學(xué)生的大局意識，政府所做出的決策一定是居于本國的國情，沒有孰優(yōu)孰劣之分，綜合考慮了科學(xué)技術(shù)與社會、環(huán)境、經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展等。

最后引出新能源汽車的發(fā)展將需要大量的電池研發(fā)人員，這是當代中國青年的責(zé)任使命與擔(dān)當。由學(xué)生進行介紹電池研發(fā)人員的工作、研發(fā)方向、薪資、大學(xué)對口專業(yè)、工作對口公司等。

結(jié)束語：前沙特阿拉伯石油部長曾說過：石器時代的結(jié)束不是因為石材的耗盡，而石油時代的終結(jié)也將在石油枯竭之前到來。

三、教學(xué)反思

1.注重學(xué)生實踐，關(guān)注學(xué)生實踐能力的提升

本節(jié)課以任務(wù)驅(qū)動為主線，有效地將能源、環(huán)境問題結(jié)合，在教學(xué)過程中，教師通過布置任務(wù)，組織學(xué)生查閱資料、辯證討論、歸納整理，模型分析燃料電池和鋰電池的工作原理，從能量轉(zhuǎn)化形式、電流方向、閉合回路的形成，進一步發(fā)展學(xué)生的模型認知素養(yǎng)，運用所學(xué)知識解決實際問題的能力。既能解決教學(xué)的重難點，又能培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的意識和能力。

2.注重學(xué)生自我評價，關(guān)注思維的進階提升

在每次運用核心知識解決具體問題后，都給學(xué)生提供了一個自我評測，讓學(xué)生了解自己的素養(yǎng)發(fā)展水平及目標。這個活動將工程技術(shù)、學(xué)科知識、社會問題結(jié)合起來，讓學(xué)生認識到在實際問題的解決過程中會面臨很多復(fù)雜情況，通過這個活動，鍛煉學(xué)生全面思考和分析問題的能力。在真實問題情境解決中實現(xiàn)用高階思維包裹低階思維，將學(xué)習(xí)素養(yǎng)轉(zhuǎn)化為持續(xù)的學(xué)習(xí)實踐。

參考文獻

[1]崔書菲.社會性科學(xué)議題在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].煙臺：魯東大學(xué)，2020.

[2]夏雪梅.項目化學(xué)習(xí)設(shè)計[M].北京：教育科學(xué)出版社，2018.

[3]張昕，葉燕珠，劉建桂，等. STEM視域下高中化學(xué)“微項目”式學(xué)習(xí)實踐研究——以“論證重污染天氣‘汽車限行’的合理性”為例[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2021（5）：118-120.

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