融合STEM理念的“發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)”項目式學(xué)習(xí)

林藝玲 江合佩 鄭敏

摘要： ?聚焦“新能源的開發(fā)”社會熱點問題，以“氫能的利用”為項目主題，融合STEM理念，圍繞“制氫 儲氫 釋氫 用氫”等核心任務(wù)和技術(shù)手段，設(shè)計驅(qū)動性問題，突出綜合運用化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)等科學(xué)原理解決氫能轉(zhuǎn)化問題，滲透工程思維的培育。融合STEM理念形成物質(zhì)利用的思維模型，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，提高分析和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞： ?氫能的利用; 發(fā)展中的化學(xué)科學(xué); STEM; 項目式學(xué)習(xí); 思維模型

文章編號： ?1005 6629（2022）08 0053 08

中圖分類號： ?G633.8

文獻標(biāo)識碼： ?B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提出化學(xué)教學(xué)中應(yīng)重視跨學(xué)科內(nèi)容主題的選擇和組織，引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的學(xué)科背景下認(rèn)識物質(zhì)及其變化的規(guī)律，發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)[1]。STEM教育追求科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）與數(shù)學(xué)（Mathematics）四個學(xué)科之間的深度融合，STEM教育的課程與教學(xué)都基于學(xué)生如何“做中學(xué)”而不是“記憶科學(xué)知識”[2]。STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)方式以基于項目或基于問題解決為主[3]。因此，融合STEM理念的項目式學(xué)習(xí)，對于發(fā)展學(xué)生在面對未知復(fù)雜問題的分析和解決能力、促進學(xué)生跨學(xué)科思維和綜合素質(zhì)的發(fā)展、提升學(xué)科核心素養(yǎng)具有一定的意義。

1 項目使用說明

“氫能的利用”項目適用于高中二年級復(fù)習(xí)階段（已完成選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊學(xué)習(xí)）或高中三年級的學(xué)生。本項目通過三個進階式活動任務(wù)的設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生綜合運用化學(xué)反應(yīng)原理，解決“儲氫”和“釋氫”等有關(guān)問題，調(diào)控化學(xué)反應(yīng)。并通過設(shè)計“制 儲 用”一體化的氫氧燃料電池，關(guān)注氫能源利用中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化，發(fā)展學(xué)生的工程思維，建立融合STEM理念的物質(zhì)利用化學(xué)問題的思維模型。

2 融合STEM理念的項目設(shè)計

2.1 融合STEM理念的項目主題的確定

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》將“發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)”作為化學(xué)選修課程中的一個系列，且化學(xué)反應(yīng)原理內(nèi)容是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，學(xué)生對復(fù)雜體系中的多反應(yīng)競爭、多因素分析尚缺乏系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識思路，信息獲取、加工與應(yīng)用的能力較為薄弱。結(jié)合學(xué)生已有的對化學(xué)能源發(fā)展和氫能前景的了解，遴選出“氫能的利用”作為項目的主題，這一主題也與課標(biāo)要求、難點、學(xué)生經(jīng)驗相契合。

氫能是一種綠色的低碳能源，因其獨特的優(yōu)勢成為能源革命的關(guān)注熱點。氫經(jīng)濟被認(rèn)為是21世紀(jì)世界經(jīng)濟新的轉(zhuǎn)折點。2012—2018年，我國氫能產(chǎn)量逐漸增加[4]。2019年，“氫能”首次寫入我國政府工作報告。當(dāng)前，全國氫能產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。氫能的應(yīng)用需要解決氫能源的獲取、儲運與轉(zhuǎn)化等技術(shù)問題。

融合STEM理念的“氫能的利用”項目式學(xué)習(xí)內(nèi)容如圖1所示，綜合運用化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)等科學(xué)原理（S）實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，結(jié)合制氫、儲氫、釋氫和原電池等技術(shù)手段（T），滲透綠色化學(xué)和物料循環(huán)利用等工程思維（E），運用圖表處理、數(shù)據(jù)分析和建模等數(shù)學(xué)方法（M）加以分析，解決氫能源利用的實際問題。

2.2 項目任務(wù)的拆解及蘊含的學(xué)科核心知識

根據(jù)真實情境的項目式學(xué)習(xí)的操作流程[5]和學(xué)習(xí)流程[6]，抽提出有關(guān)氫能利用的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化、反應(yīng)調(diào)控等問題，拆解為三個進階式活動任務(wù)，蘊含價類二維、化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)等學(xué)科核心知識，涉及化學(xué)平衡與守恒思想、條件控制與選擇等學(xué)科思維方法，幫助學(xué)生實現(xiàn)理想轉(zhuǎn)化、實際轉(zhuǎn)化和工程轉(zhuǎn)化的思維進階，建構(gòu)解決物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題的思維模型?！皻淠艿睦谩本唧w的項目式學(xué)習(xí)流程如圖2所示，在任務(wù)的完成中突破難點，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3 融合STEM理念的項目教學(xué)目標(biāo)

圍繞“氫能的利用”項目主題，基于STEM理念的四個維度設(shè)計項目教學(xué)目標(biāo)，如表1所示。

4 融合STEM理念的項目任務(wù)流程設(shè)計

本項目任務(wù)中對應(yīng)的驅(qū)動性問題的設(shè)計（括號內(nèi)容表示設(shè)問角度側(cè)重STEM的某些維度）、學(xué)生思維建模和認(rèn)知發(fā)展線，如圖3所示，在任務(wù)的完成中發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

5 融合STEM理念的項目學(xué)習(xí)與實施過程

5.1 情境導(dǎo)入

[STEM情境導(dǎo)入]“氫風(fēng)”襲來。

[展示評價]學(xué)生課前通過小組合作、查閱資料，繪制并展示“氫能”主題手抄報，如圖4所示。

[確定研究主題]氫能的利用需要解決氫能源的獲取、儲運與轉(zhuǎn)化等問題。

設(shè)計意圖： 通過課前學(xué)生收集資料，分組完成“氫能”主題手抄報，將學(xué)生帶入“氫能的利用”的真實情境，了解氫能發(fā)展的現(xiàn)狀，確定項目核心問題——如何儲氫與釋氫。

5.2 任務(wù)一： 設(shè)計車用氫氧燃料電池裝置

[問題]1. 你能想出哪些方法制取氫氣？用化學(xué)方程式表示。

[評價]通過學(xué)生分享制取氫氣的化學(xué)原理，了解學(xué)生對價 類二維模型的認(rèn)識水平，如圖5所示。

[問題]2. 根據(jù)原電池的形成條件，請你設(shè)計車用氫氧燃料電池的裝置（結(jié)合圖示和文字加以說明），并寫出相應(yīng)的電極反應(yīng)式。

[評價]根據(jù)不同燃料電池技術(shù)性能參數(shù)，選擇合適的車用燃料電池。

設(shè)計意圖： 任務(wù)一主要涉及的是理想轉(zhuǎn)化的簡單問題，因此主要以課前學(xué)案的形式，由學(xué)生自主完成，初步建立從物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化的視角看待氫氣的應(yīng)用，了解制氫和用氫的科學(xué)原理（S）和技術(shù)手段（T），鞏固電化學(xué)的內(nèi)容。

5.3 任務(wù)二： 化學(xué)視角下的儲氫與釋氫

[過渡]氫燃料電池汽車中有一個裝置——儲氫罐，在工作過程中不斷提供氫氣。當(dāng)然，在公共設(shè)施中，還會配有加氫站的建設(shè)。

[問題]儲氫罐儲氫的原理是什么？請你想想還可以通過哪些方法進行儲氫？

[學(xué)生回答]儲氫罐的儲氫原理為物理儲氫，還可以利用化學(xué)方法儲氫。

[設(shè)計并評價儲氫方案]甲醇存儲氫氣方案，安全高效，降低成本又環(huán)保。并且常溫常壓下，甲醇為液體，儲運較為方便。

[理論分析儲氫條件]CO2（g）+3H2（g） CH3OH（g）+H2O（g） ΔH=-49.12kJ·mol-1， ΔS=-177.16J·mol-1·K-1，從化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)角度分析CO2催化加氫合成甲醇儲氫的條件。

[問題]在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中我們?nèi)绾慰刂品磻?yīng)條件呢？已知體系中還存在副反應(yīng)： ?CO2（g）+H2（g） CO（g）+H2O（g） ΔH=+41.17kJ·mol-1， ΔS=+42.08J·mol-1·K-1。（注： 上述兩個反應(yīng)a.反應(yīng)溫度為298K，各氣體分壓為100kPa;b.假設(shè)反應(yīng)焓變和熵變不隨溫度的改變而變化）

[合作探究]提供圖表信息，學(xué)生結(jié)合學(xué)案討論： ①反應(yīng)物n（H2）/n（CO2）和壓強對反應(yīng)的影響;②溫度對反應(yīng)的影響;③催化劑對反應(yīng)的影響。

[小組匯報]學(xué)生繪制的圖像變化大致趨勢，如圖6所示。

[交流討論]解釋圖像呈現(xiàn)不同變化趨勢的原因，確定工業(yè)生產(chǎn)條件。

[思維建模]梳理轉(zhuǎn)化率隨溫度變化在極值點前后的分析思維模型。

[分析圖表]不同溫度、不同催化劑對CO2轉(zhuǎn)化率和甲醇選擇性的影響，見表2。

[小組匯報]學(xué)生運用控制變量法選取合適的反應(yīng)序號，說明結(jié)論并解釋原因。梳理催化劑對化工生產(chǎn)的影響。

[學(xué)術(shù)前沿]我國科研團隊[7]歷時6年，首次利用富含硫空位的少層MoS2催化劑實現(xiàn)低溫、高效、長壽命催化CO2加氫制甲醇工藝，如圖7所示。MoS2催化劑的活性和選擇性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑，具有優(yōu)異的工業(yè)應(yīng)用潛力。

設(shè)計意圖： 任務(wù)二由理想轉(zhuǎn)化進階到實際轉(zhuǎn)化，運用數(shù)據(jù)處理、圖表等數(shù)學(xué)方法（M），通過小組匯報分析不同因素對反應(yīng)的影響（S），突破難點，確定CO2催化加氫儲氫的適宜條件（E），調(diào)控化學(xué)反應(yīng)（T）。并結(jié)合學(xué)術(shù)前沿，激發(fā)學(xué)生的探索熱情。

[過渡]在使用過程中我們?nèi)绾吾寶淠兀?/p>

[比較釋氫方案]方案Ⅰ： 甲醇水蒸氣重整制氫氣： CH3OH（g）+H2O（g） CO2（g）+3H2（g）

ΔH=+49.12kJ·mol-1， ΔS=+177.16J·mol-1·K-1;方案Ⅱ： 甲醇裂解制氫法： CH3OH（g） CO（g）+2H2（g） ΔH=+90.5kJ·mol-1。

[問題]你會選擇哪種釋氫方案？為什么？

[評價釋氫方案]學(xué)生普遍選擇方案Ⅰ，并從綠色化學(xué)、經(jīng)濟效益、能耗等角度說明理由。

[思維建模]學(xué)生建立工業(yè)生產(chǎn)方案評價的思維模型。

[調(diào)控反應(yīng)]已知利用方 案Ⅰ 進行釋氫，體系中存在副反 應(yīng)： H2（g）+CO2（g） CO（g）+H2O（g）

ΔH= -41kJ·mol-1， 在某催化劑作用下，相同時間內(nèi)，隨著溫度的變化，CH3OH轉(zhuǎn)化率和CO生成率如圖8所示。想想哪些措施能提高CH3OH轉(zhuǎn)化率而降低CO生成率？

[學(xué)生思考回答]及時移出氫氣，選擇適宜催化劑;適當(dāng)提高水醇比等措施。

[技術(shù)手段]除了熱催化釋氫技術(shù)，我們還可以利用光能，采用光催化甲醇重整釋氫技術(shù)[8]，如圖9所示。

[問題]（1） 太陽光照下，光催化劑受到光激發(fā)產(chǎn)生光生空穴（h+）和光生電子（e-），具有氧化性的是哪種微粒？

（2） 甲醇的空穴氧化促進自身轉(zhuǎn)化成哪種物質(zhì)？

（3） 水在光催化劑表面反應(yīng)的方程式是什么？

[思考回答]從氧化還原角度分析光催化甲醇重整釋氫的轉(zhuǎn)化過程。

設(shè)計意圖： 通過熱催化釋氫和光催化甲醇重整釋氫技術(shù)（T），體會不同形式的能量的相互轉(zhuǎn)化，提高學(xué)生對圖表的分析與應(yīng)用能力（S、 M）。綜合運用反應(yīng)原理解決實際問題，滲透工程思維（E）的培育。

5.4 任務(wù)三： 設(shè)計“制 儲 用”一體化氫燃料電池裝置

[問題]以甲醇為儲氫介質(zhì)，請你以物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)化為線索，設(shè)計基于綠色化學(xué)的“制 儲 用”一體化氫燃料電池的簡易示意圖。

[學(xué)生匯報]“制 儲 用”一體化氫燃料電池的簡易示意圖，如圖10。

[評價]通過學(xué)生繪制的示意圖，可以看出部分學(xué)生已初步形成對物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)認(rèn)識，具備物料循環(huán)利用和綠色化學(xué)等工程思想，并能加以應(yīng)用，實現(xiàn)一體化裝置的簡單設(shè)計，如圖11所示。這也是我國研究團隊長期致力于液態(tài)太陽能燃料的合成研究成果。

[構(gòu)建思維模型]融合STEM理念形成解決氫能源利用化學(xué)問題的思維模型，如圖12所示。

設(shè)計意圖： 通過“儲氫”“釋氫”，再到“設(shè)計‘制 儲 ?用一體化氫燃料電池”的工程項目，學(xué)生能夠融合STEM理念從原料、能量、裝置等角度建模，形成解決物質(zhì)利用化學(xué)問題的思維模型，發(fā)展遷移創(chuàng)新能力。

6 項目式學(xué)習(xí)教學(xué)效果及反思

本項目融合STEM理念，通過創(chuàng)設(shè)分析型和設(shè)計型的任務(wù)，開展“氫能的利用”項目學(xué)習(xí)，解決實際問題。在課堂教學(xué)實施過程中，學(xué)生參與度高，能夠積極思考和分析問題。任務(wù)一“設(shè)計車用氫氧燃料電池裝置”較為簡單，運用課前學(xué)案的形式引導(dǎo)學(xué)生自主完成。在任務(wù)二“化學(xué)視角下的儲氫與釋氫”的實施過程中，注重工程思維的滲透，通過小組匯報對圖表信息和表格數(shù)據(jù)的分析，幫助學(xué)生建立從理想轉(zhuǎn)化到實際轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識思路，形成確定工業(yè)生產(chǎn)條件的思維模型，如圖13所示。任務(wù)三“設(shè)計‘制 儲 用一體化氫燃料電池裝置”，通過學(xué)生繪制結(jié)果，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生在解決物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化問題的過程中，能夠融合技術(shù)手段和工程思維加以思考，構(gòu)建思維模型。

教學(xué)實施后，以“CO2加氫合成甲酸復(fù)雜體系”創(chuàng)設(shè)情境，測查學(xué)生對“不同因素對反應(yīng)的影響、化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控”等問題的遷移情況，發(fā)現(xiàn)實驗班80%的學(xué)生能夠從化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)綜合視角以及同一體系中主副反應(yīng)的競爭關(guān)系分析問題，而對照班在此類問題的分析上，較多學(xué)生認(rèn)識視角不夠全面或者思路較為混亂。說明融合STEM理念的項目式學(xué)習(xí)，在一定程度上能夠幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識思路。課后在關(guān)于“氫能的利用”發(fā)散思維交流的過程中，不少學(xué)生表達了對氫能源發(fā)展和應(yīng)用的強烈興趣，有的學(xué)生還提出了創(chuàng)造性的想法，如圖14所示。雖然這位學(xué)生想法的合理性和可操作性有待商榷，但其創(chuàng)新思維和大膽表達體現(xiàn)了我們“發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)”項目式學(xué)習(xí)的教學(xué)意義——科學(xué)就是在不斷修正的過程中發(fā)展的。此外，在一體化裝置的繪制過程中，教師還可以根據(jù)學(xué)情與開放角度由學(xué)生自主繪制，廣開思路，發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科思維和遷移創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[ 1 ] 中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 69～72.

[ 2 ] 宋怡， 葛彥君， 馬宏佳. 美國科學(xué)教育研究熱點與發(fā)展趨勢——2016NSTA年會述評[J]. 化學(xué)教育（中英文）， 2017， 38（19）： 73～76.

[ 3 ] 吳曉紅， 田小蘭， 蔣思雪. 以培養(yǎng)學(xué)生STEM素養(yǎng)為目標(biāo)的項目化學(xué)習(xí)設(shè)計——以“愛護水資源為例”[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （12）： 38～43.

[ 4 ] 王偉杰， 彭勃， 李順等. 氫能與碳捕集、利用與封存產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展研究[J]. 熱力發(fā)電， 2021， 50（1）： 18～23.

[ 5 ] 江合佩. 基于真實情境的項目式學(xué)習(xí)課程構(gòu)建與實施[J]. 福建教育， 2021， （24）： 26～29.

[ 6 ] 江合佩. 促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的項目式學(xué)習(xí)研究與實踐——以“廢舊鋰離子電池回收利用”為例[J]. 教育與裝備研究， 2019， 35（9）： 60～67.

[ 7 ] Jingting Hu， Liang Yu， Jiao Deng et al.. Sulfur vacancyrich MoS2 as a catalyst for the hydrogenation of CO2 to methanol [J]. Nature Catalysis， 2021， （4）： 242～250.

[ 8 ] Jiaqi Zhao， Run Shi， Zhenhua Li et al.. How to make use of methanol in green catalytic hydrogen production [J]. Nano Select， 2020， 1（1）： 12～29.