發(fā)展化學(xué)學(xué)科能力和工程思維的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

王星喬 滕瑛巧 潘嫵璠 包朝龍

摘要：以“煉化企業(yè)含硫廢氣的處理”為主題，開展高中化學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。通過完成“了解含硫廢氣主要成分”“探討含硫廢氣的處理方法”“分析含硫廢氣的資源化工藝”“監(jiān)測含硫尾氣的排放量”等四個(gè)子項(xiàng)目，鞏固物質(zhì)分類、氧化還原反應(yīng)、元素化合物、定量計(jì)算等核心知識，發(fā)展化學(xué)學(xué)科能力和工程思維，形成環(huán)境問題的認(rèn)知思維模型。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；學(xué)科能力；工程思維；含硫廢氣

文章編號：10056629（2023）06005206中圖分類號：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 項(xiàng)目主題價(jià)值分析

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)以學(xué)生為主體，讓學(xué)生在真實(shí)的問題情境中實(shí)踐，并在探究和解決問題的過程中獲得基本知識和技能、關(guān)鍵能力和必備品格^［1］。將項(xiàng)目主題確定為“煉化企業(yè)含硫廢氣的處理”，主要是因?yàn)樵撝黝}具有如下教學(xué)價(jià)值及功能：

（1） 承載核心知識。本項(xiàng)目主題與高中必修課程主題2“非金屬及其化合物”、主題5“化學(xué)與社會發(fā)展”密切相關(guān)，利用物質(zhì)類別通性、氧化還原反應(yīng)、定量計(jì)算等核心知識探究含硫廢氣的處理方法、資源化利用途徑及含量監(jiān)測等問題，構(gòu)建含硫物質(zhì)間相互轉(zhuǎn)化的價(jià)類二維圖，初步形成從物質(zhì)性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化認(rèn)識環(huán)境污染的成因、主要危害及防治措施的視角，使得知識關(guān)聯(lián)與認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化。

（2） 發(fā)展學(xué)科能力。根據(jù)王磊教授提出的“3×3”能力框架模型^［2］，本項(xiàng)目主題涉及的能力發(fā)展點(diǎn)如表1所示，通過多樣化的能力活動幫助學(xué)生在解決“真問題”中培養(yǎng)“真能力”。

（3） 培育工程思維。工程思維的主體是工程師、企業(yè)家和管理者，它的核心是籌劃性地運(yùn)用各種知識解決工程實(shí)踐問題，主要包含創(chuàng)造性思維、系統(tǒng)性思維、權(quán)衡性思維、價(jià)值性思維、雙贏思維^［3］。含硫廢氣資源化工藝的設(shè)計(jì)、評價(jià)及克勞斯法工藝流程示意圖的繪制等活動項(xiàng)目要求學(xué)生創(chuàng)造性地從資源化利用、原子經(jīng)濟(jì)性、成本能耗低、條件要求低、反應(yīng)速率快、綠色無污染等視角系統(tǒng)考慮工程實(shí)踐問題，合理匹配并權(quán)衡各要素，為社會生產(chǎn)出有價(jià)值的產(chǎn)品，同時(shí)獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。

2 項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)

該項(xiàng)目在學(xué)生學(xué)習(xí)人教版教材必修第二冊第五章“化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素”時(shí)實(shí)施，學(xué)生已有物質(zhì)分類、物質(zhì)的量、離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、原子結(jié)構(gòu)與元素周期律、金屬單質(zhì)與典型化合物的性質(zhì)知識，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，擬達(dá)到如下目標(biāo)：

（1） 通過參考資料的閱讀與信息檢索，能說出煉化企業(yè)含硫廢氣的主要成分、產(chǎn)生原理和危害；

（2） 通過“含硫廢氣處理方法的探討”，建立物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)轉(zhuǎn)化與環(huán)境問題處理之間的關(guān)聯(lián)，形成基于物質(zhì)類別、元素價(jià)態(tài)認(rèn)識物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識模型并能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；

（3） 通過“含硫廢氣的資源化工藝分析”，能從資源化利用、原子經(jīng)濟(jì)性、成本能耗、條件要求、反應(yīng)速率、安全綠色等視角分析工藝實(shí)際問題、權(quán)衡利弊，初步形成工程思維；

（4） 能運(yùn)用碘量法定量分析尾氣中SO₂的含量，體會定量分析的價(jià)值，贊賞政府、企業(yè)為改善環(huán)境所作出的持續(xù)努力；

（5） 能綜合利用認(rèn)識模型、實(shí)踐模型撰寫含硫廢氣處理的相關(guān)小論文，提出含氮廢氣處理的可操作性方案。

3 項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

以“煉化企業(yè)含硫廢氣的處理”作為總項(xiàng)目，經(jīng)學(xué)生討論拆解為四個(gè)遞進(jìn)式子項(xiàng)目，以問題為驅(qū)動，以活動為載體，在真實(shí)情境中發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科能力和工程思維。四個(gè)子項(xiàng)目、問題線、活動線及發(fā)展線如圖1所示。

4 項(xiàng)目實(shí)施過程

4.1 子項(xiàng)目1——了解含硫廢氣的主要成分

［項(xiàng)目背景］隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油需求量以每年5%的速率增長，大量原油需進(jìn)口，其中以中東含硫量較高的原油為主。其在原油加工過程中產(chǎn)生大量含硫廢氣，不僅會使催化劑中毒、致使生產(chǎn)條件惡化、設(shè)備的腐蝕，且會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染^［4］。

［項(xiàng)目拆解］學(xué)生經(jīng)過討論，對以下問題感興趣：含硫廢氣的成分是什么，它是如何產(chǎn)生的？如何處理含硫廢氣？能否資源化利用？如何監(jiān)測排放的尾氣是否達(dá)標(biāo)？根據(jù)學(xué)生感興趣的問題，將總項(xiàng)目拆分為四個(gè)子項(xiàng)目。

［學(xué)生活動］通過互聯(lián)網(wǎng)查閱煉化企業(yè)含硫廢氣的相關(guān)信息，閱讀教師項(xiàng)目學(xué)習(xí)單上提供的資料。

［交流展示］原油中有硫醇、硫醚等含硫的物質(zhì)，這些物質(zhì)受熱分解后會產(chǎn)生硫化氫；為脫除油品中的硫或提高油品質(zhì)量，煉化企業(yè)會采用加氫工藝，油品中的硫化物在氫壓和催化劑的條件下將轉(zhuǎn)化為硫化氫。

設(shè)計(jì)意圖：課前通過布置查閱資料活動任務(wù)讓學(xué)生了解煉化企業(yè)含硫廢氣的初始成分（H₂S）以及產(chǎn)生原因，引發(fā)學(xué)生對煉化企業(yè)環(huán)保問題的關(guān)注，增強(qiáng)社會責(zé)任感。

4.2 子項(xiàng)目2——探討含硫廢氣的處理方法

［教師］含硫廢氣的主要成分是H₂S，這是一種具有惡臭、劇毒、易燃的氣體。

［學(xué)生展示］課前整理的價(jià)類二維圖，如圖2所示。

［提問］如何處理H₂S呢？請小組設(shè)計(jì)方案，并給出你們的依據(jù)。

［學(xué)生活動］討論H₂S的處理方案。

［學(xué)生1］H₂S是二元酸，可以用堿液吸收，例如NaOH、 Ca（OH）₂等。

［學(xué)生2］H₂S中硫元素處于最低價(jià)態(tài)，應(yīng)該具有還原性，可以用酸性高錳酸鉀這樣的強(qiáng)氧化劑吸收。

［學(xué)生3］可以用硫酸銅溶液吸收，因?yàn)榱蚧瘹淇梢耘c硫酸銅反應(yīng)生成硫化銅，我們組查閱資料時(shí)了解到這一信息（同學(xué)們投來贊許目光）。

［教師點(diǎn)評］H₂S是二元弱酸，肯定可以用堿液吸收處理，剛才同學(xué)也從資料中了解到硫酸銅可以吸收H₂S，這主要是它們發(fā)生如下反應(yīng)：CuSO₄+H₂S====CuS↓+H₂SO₄。那-2價(jià)硫是否真具有還原性呢？

［實(shí)驗(yàn)探究］-2價(jià)硫元素的還原性。

實(shí)驗(yàn)用品：Na₂S溶液，Na₂SO₃溶液，KI溶液，淀粉，酸性KMnO₄溶液，稀硫酸。

［學(xué)生活動］設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并動手實(shí)驗(yàn)。

［學(xué)生1］我們小組取適量Na₂S溶液，再滴加數(shù)滴酸性KMnO₄溶液，觀察到酸性KMnO₄溶液紫紅色褪去，說明Na₂S具有還原性；但往Na₂S溶液中滴加Na₂SO₃溶液并未出現(xiàn)預(yù)期的淡黃色沉淀。

［學(xué)生2］我們在Na₂S、Na₂SO₃混合溶液中滴加稀硫酸，出現(xiàn)了淡黃色渾濁物，說明Na₂S在酸性條件下可以被Na₂SO₃氧化。

［師生歸納］物質(zhì)氧化性和還原性探究思路，如圖3所示。

［子項(xiàng)目成果］環(huán)境問題的認(rèn)識視角，如圖4所示。

設(shè)計(jì)意圖：H₂S并不是課程標(biāo)準(zhǔn)和教材規(guī)定的需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)的含硫重要化合物，學(xué)生對此物質(zhì)較為陌生。安排學(xué)生討論H₂S的處理方案并說明依據(jù)這一學(xué)習(xí)活動，其實(shí)也是對學(xué)生的評價(jià)，探查學(xué)生是否具有類別和價(jià)態(tài)的自主分析角度與能力。根據(jù)假設(shè)，讓學(xué)生根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)藥品自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，動手實(shí)驗(yàn)獲取證據(jù)，有目的、有計(jì)劃地引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)科學(xué)思維方式和方法認(rèn)識H₂S的性質(zhì)。通過這一子項(xiàng)目，外顯物質(zhì)氧化性和還原性的探究思路、環(huán)境問題的認(rèn)識視角，認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在環(huán)境保護(hù)中的重要價(jià)值。

4.3 子項(xiàng)目3——分析含硫廢氣的資源化工藝

［提問］如果你是化工工程師，選擇處理方式時(shí)要考慮哪些因素？

［學(xué)生］需考慮吸收劑的價(jià)格、處理設(shè)備成本、吸收效果、產(chǎn)物能否再利用以及經(jīng)濟(jì)效益等。

［教師點(diǎn)評］要達(dá)到低能耗、低成本、安全性、產(chǎn)物再利用、吸收速率快、轉(zhuǎn)化率高、條件溫和等要求。

［教師］資源化利用是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，工業(yè)上含硫廢氣如何進(jìn)行資源化利用呢？

［學(xué)生］可將H₂S轉(zhuǎn)化為硫黃或硫酸，因?yàn)檫@兩種含硫物質(zhì)應(yīng)用廣泛。

［追問］你會考慮轉(zhuǎn)化為哪種資源化產(chǎn)品？請給出理由。

［學(xué)生］將其轉(zhuǎn)化為硫黃，工藝流程上較簡化。

［教師］煉化企業(yè)主要將硫化氫轉(zhuǎn)化為硫黃。請同學(xué)們利用價(jià)類二維圖設(shè)計(jì)工業(yè)上轉(zhuǎn)化為硫黃的可能方案。

［學(xué)生活動］討論硫化氫轉(zhuǎn)化為硫黃的可能方式。

［方案1］可以用空氣（氧氣）氧化硫化氫；也可以用氯氣氧化硫化氫。

［方案2］我們組認(rèn)為可以用SO₂與H₂S歸中反應(yīng)制硫黃。

［方案3］H₂S可以直接受熱分解制硫黃。

［師生評價(jià)］空氣（氧氣）來源廣、成本低，但不易控制，氧氣過量會生成二氧化硫；氯氣較空氣（氧氣）成本要高些；H₂S直接受熱分解獲得硫黃的同時(shí)也獲得氫氣，氫氣是綠色能源，這一方案較有前景，但從目前來看能耗高、轉(zhuǎn)化率低，難以大規(guī)模應(yīng)用^［5］。

［追問］SO₂與H₂S歸中反應(yīng)制硫黃具有可控性，但如何獲得二氧化硫，如何優(yōu)化這一方案？

［學(xué)生］可以讓部分硫化氫充分氧化生成二氧化硫，再讓SO₂與H₂S歸中反應(yīng)制硫黃。

［教師］你的想法很好，這正是煉化企業(yè)處理含硫廢氣普遍使用的方法——克勞斯法。

［提供信息］克勞斯法的基本原理^［6］：

［提問］根據(jù)克勞斯法的基本原理，若要使硫化氫中的硫元素全部轉(zhuǎn)化為硫單質(zhì)，熱反應(yīng)階段需控制多少比例的硫化氫被氧化？

［學(xué)生］催化轉(zhuǎn)化階段H₂S與SO₂物質(zhì)的量之比為2∶1，則熱反應(yīng)階段需控制1/3的硫化氫被氧化。

［學(xué)生活動］參照硫酸生產(chǎn)工藝流程圖，嘗試畫出克勞斯法的工藝流程圖。

［學(xué)生作品］學(xué)生繪制的流程圖，如圖5所示。

［師生評價(jià)］從原料轉(zhuǎn)化率、能量利用、綠色環(huán)保等角度進(jìn)行評價(jià)。

［投影展示］克勞斯法工藝流程圖，如圖6所示。

［教師］實(shí)際工藝中需要考慮能量的利用、尾氣處理以及原料的充分轉(zhuǎn)化，因?yàn)橐淮涡赞D(zhuǎn)化往往達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，所以實(shí)際工藝中需要增加二級轉(zhuǎn)化器乃至三級轉(zhuǎn)化器，這就要求具備工程思維。

［子項(xiàng)目成果］工程思維的內(nèi)涵要素與分析視角，如圖7所示。

設(shè)計(jì)意圖：利用問題“如果你是化工工程師，選擇處理方式時(shí)要考慮哪些因素？”診斷學(xué)生工程思維分析視角水平并通過教師點(diǎn)評使之系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化。含硫廢氣資源化方案的探討活動，要求學(xué)生綜合運(yùn)用物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識視角、工程思維的分析視角權(quán)衡方案、優(yōu)化方案，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維、權(quán)衡性思維與價(jià)值性思維?？藙谒狗üに嚵鞒虉D的繪制則是讓學(xué)生系統(tǒng)、權(quán)衡地進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，理解工藝設(shè)計(jì)的理性和方法，逐步迭代優(yōu)化工程方案，發(fā)展遷移創(chuàng)新能力。

4.4 子項(xiàng)目4——監(jiān)測含硫尾氣的排放量

［教師］通過克勞斯法處理的尾氣可以直接排放嗎？

［提供信息］克勞斯法硫黃回收工藝受反應(yīng)溫度下熱力學(xué)平衡限制，即使采用活性良好的催化劑和三級轉(zhuǎn)化工藝，常規(guī)克勞斯裝置的硫回收率最高只能達(dá)到97%左右，尾氣中含有大量H₂S、液硫和有機(jī)硫化物，灼燒后最終以SO₂的形式排入大氣^［8］。

［教師］石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 315702015）規(guī)定，SO₂一般區(qū)域不得超過400mg/m³，在執(zhí)行大氣污染物特別排放限值的區(qū)域不得超過100mg/m³。國標(biāo)中同時(shí)規(guī)定了大氣污染物濃度測定方法標(biāo)準(zhǔn)，碘量法是其中之一^［9］。

［提供信息］煙氣中的二氧化硫被氨基磺酸銨混合溶液吸收，用碘標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。按滴定量計(jì)算二氧化硫濃度。反應(yīng)的方程式如下：SO₂+H₂O====H₂SO₃；H₂SO₃+H₂O+I₂====H₂SO₄+2HI。測定范圍：100～400mg/m³；在測定范圍內(nèi)，方法的批內(nèi)誤差不大于±6%^［10］。

［提問］如何表征碘標(biāo)準(zhǔn)溶液與試樣恰好完全反應(yīng)？

［學(xué)生］滴定前往試樣中滴加幾滴淀粉溶液，當(dāng)溶液顏色由無色恰好變?yōu)樗{(lán)色時(shí)，表示恰好完全反應(yīng)。

［思考］采集某煉化廠尾氣40L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），充分吸收后，用濃度為0.005mol/L碘標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，消耗碘標(biāo)準(zhǔn)溶液20.00mL，該尾氣是否符合排放標(biāo)準(zhǔn)？

［學(xué)生］經(jīng)計(jì)算，煉化廠尾氣中二氧化硫的濃度為160mg/m³。

［教師］碘量法是手工監(jiān)測的一種方式，現(xiàn)在國家對環(huán)保要求很高，因此鎮(zhèn)海煉化采用紫外吸收法、紫外熒光法等現(xiàn)代化監(jiān)測方法，以便達(dá)到自動、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確等要求。

［呈現(xiàn)圖片］寧波：千只白鷺定居煉化廠。

［教師］白鷺對水質(zhì)、空氣的要求極高，稱為大自然的“生態(tài)檢驗(yàn)師”。寧波鎮(zhèn)海煉化的技術(shù)創(chuàng)新、環(huán)境改善，也是當(dāng)前中國技術(shù)創(chuàng)新、改善環(huán)境的一個(gè)縮影。

［提煉認(rèn)識思路］從物質(zhì)、物質(zhì)性質(zhì)與物質(zhì)變化的角度認(rèn)識環(huán)境問題的危害、產(chǎn)生與防治，以工程思維指導(dǎo)實(shí)際處理方案的抉擇，如圖8所示。

設(shè)計(jì)意圖：了解煉化企業(yè)尾氣中SO₂的來源以及碘量法測定尾氣中SO₂含量的基本原理，使學(xué)生樹立尾氣需定量監(jiān)測的意識。從工程角度分析，定量檢測需從手工監(jiān)測走向自動化監(jiān)測，簡要介紹紫外吸收法、紫外熒光法等現(xiàn)代化監(jiān)測方法。呈現(xiàn)白鷺滿園圖片，目的在于增進(jìn)學(xué)生對石化企業(yè)的理解，贊賞政府、企業(yè)為改善環(huán)境所作出的持續(xù)努力。

4.5 項(xiàng)目成果展示

［教師］經(jīng)過上述學(xué)習(xí)，請同學(xué)們以小組為單位撰寫煉化企業(yè)含硫廢氣處理相關(guān)小論文及設(shè)計(jì)含氮廢氣（NO_x）的處理方案。

［展示交流］略。

設(shè)計(jì)意圖：撰寫小論文外顯本項(xiàng)目的研究成果，評價(jià)學(xué)生能否運(yùn)用所學(xué)內(nèi)容認(rèn)識、處理環(huán)境問題，并使之形成系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的思維模型。在此基礎(chǔ)上提出含氮廢氣（NO_x）的處理方案，展現(xiàn)學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)意，發(fā)展學(xué)生的遷移創(chuàng)新能力和社會責(zé)任感。

5 項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)踐反思

本項(xiàng)目基于環(huán)境保護(hù)開發(fā)主題，以“煉化企業(yè)含硫廢氣的處理”為總項(xiàng)目，拆解為四個(gè)遞進(jìn)式子項(xiàng)目，以問題為驅(qū)動，以活動為載體，鞏固物質(zhì)分類、氧化還原反應(yīng)、元素化合物、定量計(jì)算等核心知識，發(fā)展學(xué)科能力，培育工程思維。在此過程中，外顯依據(jù)物質(zhì)性質(zhì)及其變化認(rèn)識環(huán)境問題（成因、危害、防治）的視角和思路，以工程思維為指導(dǎo)權(quán)衡方案、優(yōu)化方案，促使學(xué)生遷移解決含氮廢氣的處理等陌生情境問題，實(shí)現(xiàn)從化學(xué)學(xué)科知識向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。

在項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐過程中，學(xué)生經(jīng)歷查閱資料、交流分享、設(shè)計(jì)方案、評價(jià)方案、動手實(shí)驗(yàn)等一系列有廣度有深度的活動，成為了學(xué)習(xí)主體。在成果交流環(huán)節(jié)，有的小組基于查閱的資料擴(kuò)充介紹了克勞斯法，有的小組還介紹了一種硫化氫全新、高效利用的工藝——硫化氫甲烷重整法，明顯感受到學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，收獲了滿滿的成就體驗(yàn)感。作為教師，應(yīng)主動閱讀專業(yè)書籍與文獻(xiàn)資料，不斷拓展、提升課堂教學(xué)的廣度與深度。

（致謝：感謝中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司天然氣研究院陳昌介高級工程師對本文的指導(dǎo)?。?/p>

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