跨學科視域下真實情境及實際問題解決的教學研究

王春 郭春紅

摘要：核心素養(yǎng)導向下的課堂教學倡導教師在教學過程中設計真實情境下復雜而陌生的問題解決活動，引導學生通過小組合作、討論交流等形式解決實際問題。本文選取TiO2情境素材，組織學生開展關于光觸媒實際問題的解決，使學生了解材料、資源、能源等領域與化學學科的交叉融合，認識化學學科的功能價值和社會價值，培養(yǎng)學生實際問題的解決能力，發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：TiO2；光觸媒；真實情境；實際問題解決

文章編號：1008-0546（2023）12-0045-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.010

一、問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出：“教師應重視跨學科內容主題的選擇和組織，加強化學與物理學、生物學、地理學、材料科學和環(huán)境科學等學科的聯(lián)系，引導學生在更寬廣的學科背景下認識物質及其變化的規(guī)律，幫助學生拓寬視野，開闊思路，綜合運用化學和其他學科的知識分析解決有關問題，發(fā)展學生的科學素養(yǎng)”。［1］本文以“基于TiO2認識光觸媒”教學設計為例，通過真實情境下的實際問題解決，組織學生開展關于光觸媒問題的討論，使學生了解材料、資源、能源等領域與化學學科都有很強的交叉融合，認識化學在促進科技發(fā)展中所發(fā)揮的作用，引導學生在實際問題解決過程中形成物質性質及其應用研究的思路與方法，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

二、教學背景分析

1.教學內容分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》在課程設置中多次提及有關光觸媒的內容。例如“必修課程主題5化學與社會發(fā)展”，建議以TiO2為光催化劑利用太陽能分解水制取氫氣的實例作為情景素材。“選修課程系列3發(fā)展中的化學科學”，倡導圍繞催化化學，探討催化研究的新理論、新方法，供參考的選題就包括高效太陽能電池的光電轉換過程化學。因此研究光觸媒，能使學生感悟人類探索物質及其變化的歷史與化學科學發(fā)展的趨勢，培養(yǎng)學生社會責任感、參與意識和決策能力，促進學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

2.學生情況分析

本教學設計依據(jù)學生的已有認知點、認知瓶頸點、認知生長點，設計符合學生認知發(fā)展規(guī)律的教學體系，促進學生在不同水平上的思維發(fā)展和綜合能力提升（見表1）。

三、教學目標設計

1.教學目標

（1）能應用氧化還原反應規(guī)律、能量守恒規(guī)律和電化學原理解決實際問題。

（2）能對素材信息進行加工和處理，通過化學用語準確描述相關反應機理。

（3）能從宏觀與微觀、定性與定量等角度對物質變化中的能量轉化進行分析和表征。

2.評價目標

（1）通過小組合作、討論交流等形式，探究TiO2光催化除甲醛的反應歷程，診斷并發(fā)展學生信息處理能力、學習能力和合作溝通能力。

（2）通過光化學轉化與光電轉換等能量轉化原理的學習，診斷并發(fā)展學生實際問題解決能力及方案設計的評價和優(yōu)化能力。

四、教學過程設計

1.環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設問題情境，初識光觸媒

【情境創(chuàng)設】教師展示一組關于太陽能在實際生活中的重要應用圖片，并提出問題：太陽能作為人類活動的重要能源，其常見的能源轉化方式主要有哪些？

【學生活動】學生根據(jù)教師提出的問題回答：太陽能器件常見的轉化方式有光熱轉化、光化學轉化、光電轉化三種方式。

【引導過渡】教師投影相關資料介紹：1972年東京大學的本多建一教授和研究生藤島昭發(fā)現(xiàn)，在紫外線的照射下，TiO2發(fā)揮催化效應，將水分解成氫氣與氧氣，這就是著名的“本多藤島效應”。以納米級TiO2為代表的具有光催化功能的光半導體材料總稱為光觸媒，也叫光催化劑。日常生活中，TiO2還能在光照射下產生強氧化性的物質（如羥基自由基等），降解空氣中有毒、有害氣體如甲醛等，高效凈化空氣；同時，能夠有效殺滅多種細菌，并能將細菌或真菌釋放出的毒素分解及無害化處理。通過上述資料我們發(fā)現(xiàn)TiO2作為一種有光催化功能的光半導體材料，在實際工業(yè)生產和生活中有著重要的應用，今天這節(jié)課讓我們一起來全面認識TiO2。

設計意圖：通過創(chuàng)設問題情境，引出本節(jié)課所要探討的內容，并通過相關資料的介紹讓學生了解光觸媒 TiO2的發(fā)展史及其重要應用，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生科學態(tài)度和社會責任感。

2.環(huán)節(jié)二：TiO2光催化作用下除甲醛的歷程探究

【教師活動】教師播放TiO2除甲醛歷程的視頻，引導學生結合動畫和視頻導語，用化學用語來表示反應歷程（可能用到的化學式：空穴TiO2+；電子 e-；負氧離子 O2（-）；羥基自由基·OH；醛自由基·CHO）。

【視頻導引】在可見光的照射下，TiO2會失去一個電子而自身形成一個空穴。大量的空穴使TiO2薄膜表面形成一層納米篩，失去的電子會與空氣中的氧分子結合，生成負氧離子，與此同時，納米篩會抓住空氣中的水，奪取水中的電子，使其變成羥基自由基。羥基自由基會進攻空氣中的甲醛，使其生成醛自由基和水，醛自由基在負氧離子的進攻下生成甲酸，在羥基自由基的作用下，甲酸被奪去電子，最終生成對人體無害的二氧化碳。

【學生活動】小組進行分工合作，討論、交流、書寫在光催化條件下TiO2除甲醛的反應歷程，并通過平板電腦進行拍照上傳。

【師生活動】學生分組進行展示、教師引導學生進行評價、修改和完善光催化反應歷程的六步化學反應方程式：

（1）TiO2 TiO2（+）+ e-

（2）O2+ e-O2（-）

（3）TiO2（+）+H2OTiO2+·OH+ H+

（4）HCHO+·OH·CHO+ H2O

（5）·CHO+ O2（-）+ H++ H2OHCOOH +2·OH

（6）HCOOH+2·OHCO2+2H2O

總反應式：HCHO + O2 CO2+ H2O

【教師活動】教師引導學生進一步研究影響光觸媒反應的核心要素，探討如何有效促進光觸媒反應，提出問題：結合TiO2光催化除甲醛的反應歷程，影響光觸媒反應的核心要素有哪些？

【學生活動】學生根據(jù)教師提出的問題，結合TiO2光催化除甲醛的反應歷程，回答影響光觸媒反應的核心要素有：在太陽光照射下可以形成電子空穴和光生電子的高性能材料，同時反應過程中需要產生羥基自由基。

【教師活動】教師進一步引導學生結合圖1分析，如何促進光觸媒反應發(fā)生？

【學生活動】學生根據(jù)教師所提出的問題并結合圖1相關信息回答：選擇納米TiO2材料，通過化學方法在TiO2上實現(xiàn)金屬沉積，或者采用碳摻雜等形式，促進電子空穴-光生電子的生成，從而實現(xiàn)后續(xù)氧化還原反應的發(fā)生；將花青素染料附著在 TiO2納米薄膜上，染料分子在可見光照射下，基態(tài)電子被激發(fā)，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)電子通過TiO2導出，實現(xiàn)光電轉換；增大環(huán)境濕度，有助于TiO2奪取水中氫原子的電子，生成羥基自由基和氫離子。

【教師活動】教師根據(jù)學生的回答進行總結：TiO2納米顆粒表面形成緊密接觸的Pd-Cu納米簇，可實現(xiàn)電子空穴-光生電子的生成。然后通過投影展示Pd- Cu/TiO2的反應過程（見圖2），并要求學生在圖中②處補全形成Pd-Cu納米簇的反應過程示意圖。

【學生活動】學生根據(jù)圖2的反應過程中①和②在光照條件下乙醇與 Cu2+發(fā)生氧化還原反應，Cu2+得電子生成銅，形成Pd-Cu 納米簇的相關信息，推導圖中②處反應過程（見圖3）。

設計意圖：通過小組合作探究TiO2光催化除甲醛反應歷程，引導學生深入認識光化學轉化機理，培養(yǎng)學生信息處理能力、學習能力和合作交流能力。

3.環(huán)節(jié)三：染料敏化 TiO2太陽能電池工作原理探究

【教師活動】教師進行相關知識介紹：新型染料敏化TiO2太陽能電池，以納米TiO2和光敏染料為主要原料，通過模擬自然界中植物利用太陽能進行光合作用，將太陽能轉化為電能，實現(xiàn)光電轉換，又稱光伏效應。然后引導學生觀看染料敏化TiO2太陽能電池的工作原理示意圖（圖4），辨析反應歷程，補充后續(xù)反應（符號含義：S-敏化劑，S*-敏化劑激發(fā)態(tài)，S+-敏化劑氧化態(tài)）。

【學生活動】學生根據(jù)染料敏化TiO2太陽能電池的工作原理示意圖，結合第①步和第②步反應原理及反應方程式，完成的后續(xù)反應原理及反應方程式為：

③電子經過外電路到達Pt導電玻璃，I3（-）得到電子發(fā)生還原反應：I3（-）＋2e-→3I－。

④氧化態(tài) S+與 I-發(fā)生氧化還原反應：2TiO2/S ++3I-→2TiO2/S＋ I3（-）。

⑤ I3（-）遷移至 Pt 導電玻璃，獲得外電路輸送的電子，被還原生成I-，實現(xiàn) I3（-）與I-的循環(huán)轉化。

【教師活動】教師根據(jù)學生完成后續(xù)反應原理及反應方程式引導學生對染料敏化TiO2太陽能電池具有的優(yōu)點進行合理評價。

【學生活動】學生根據(jù)教師的任務分析染料敏化 TiO2太陽能電池的優(yōu)點：原料成本低，制作工藝簡單，設備價格低，無污染，對可見光要求不高。電解質溶液可以循環(huán)使用，電池使用壽命長。

【教師活動】教師根據(jù)學生的活動進行知識補充：對于染料敏化 TiO2太陽能電池來說，只有非?？拷?TiO2表面的敏化劑分子才能順利通過TiO2將電子導出，多層敏化劑的吸附反而會阻礙電子輸運。而且染料敏化劑的激發(fā)態(tài)壽命很短，需要通過特殊的方法將其吸附到TiO2電極上，有助于電子順利導出。

設計意圖：引導學生從光電轉換和光化學轉化視角分析和解決實際問題，通過對染料敏化TiO2太陽能電池進行評價，發(fā)展學生信息加工能力和高階思維能力。

4.環(huán)節(jié)四：基于真實情境素材解決實際問題

【教師活動】教師投影展示與本教學設計相關知識素材（如圖5所示），檢測學生知識的應用及遷移能力。

【素材信息】認識光觸媒的未來之星——Ag3PO4。Ag3PO4晶體具有高效光催化作用，用于降解有機污染物，也可用于實現(xiàn)“碳中和”，通過配位-沉淀法制備Ag3PO4高效光催化劑。

【學生活動】學生結合素材相關信息，運用所學知識書寫相關離子方程式：3Ag（NH3）2（+）+ HPO4（2）-+ OH－=6NH3+Ag3PO4↓+ H2O

【教師活動】教師繼續(xù)補充相關信息：AgNO3和 Na3PO4在溶液中反應也可制得Ag3PO4固體，但制得的 Ag3PO4固體光催化性能極差。引導學生根據(jù)信息從速率角度解釋其原因。

【學生活動】學生根據(jù)相關信息回答：由于AgNO3溶液和Na3PO4溶液中c（Ag+）與c（PO4（3）-）比較大，生成沉淀的反應速率較快，不利于生成具有十八面體結構的Ag3PO4晶體，所以光催化效能低。

【教師活動】教師進一步向學生介紹Ag3PO4光催化降解羅丹明B（RhB，一種有機污染物），RhB被氧化生成 CO2和 H2O 的反應過程及Ag3PO4降解廢水過程中RhB的殘留率（c/c0，即時濃度與起始濃度之比）隨時間變化的曲線，引導學生結合所給信息可以獲取什么結論？

②用Ag3PO4依次降解三份相同的廢水，測得3次降解過程中RhB的殘留率隨時間變化的曲線（見圖6）。

【學生活動】學生根據(jù)教師所提供信息回答：·OH和 O2（-）是降解RhB的氧化劑；第1次使用后Ag3PO4的光催化性能降低；該實驗條件下，Ag3PO4使用兩次即基本失效。

【教師活動】教師進一步引導學生根據(jù)信息寫出 Ag3PO4光催化CO2制備甲醇可實現(xiàn)“碳中和”的化學方程式。

【學生活動】學生根據(jù)教師提供的信息完成 Ag3PO4光催化CO2制備甲醇的化學反應方程式：

2 CO2+4H2O 可見（====）3OH +3O2

【教師活動】教師最后進行總結：氣候變化是人類面臨的全球性問題，隨著各國二氧化碳排放，溫室氣體猛增，對生態(tài)系統(tǒng)形成威脅。在國際減排溫室氣體大背景下，我國由此提出碳達峰和碳中和目標，運用光觸媒反應可有助于盡快實現(xiàn)這一目標，這就是化學學科的功能價值和社會價值。

設計意圖：引導學生基于真實情境運用所學知識進行實際問題解決，培養(yǎng)學生社會責任感和參與意識，發(fā)展學生知識遷移應用能力。

五、教學效果及反思

本教學設計選取TiO2情境素材，通過對TiO2光催化作用下除甲醛的歷程探究和染料敏化TiO2太陽能電池工作原理探究，引導學生從光電轉換和光化學轉化視角分析和解決實際問題，教學設計中情境素材的選擇注重時代性和前沿性，注重實現(xiàn)材料、資源、能源等領域與化學學科的交叉融合，厚植學生的愛國情懷，體現(xiàn)了科學發(fā)展觀，凸顯了化學學科功能價值。此外，在教學過程中注重通過選取與教學內容相關 Ag3PO4光催化降解RhB情境素材，綜合檢測學生運用所學知識解決實際問題的能力，發(fā)展學生知識遷移應用能力和創(chuàng)新思維。課堂教學過程中注重關注學生思維發(fā)展，實時動態(tài)掌握教與學情況，引導學生在真實情境、任務和活動中進行實際問題解決，有效實現(xiàn)“教、學、評”一體化。

本教學設計在教學實施過程中較為順利地達到了課前制定的教學目標，授課過程中能較好地實施問題驅動式教學策略，借助相關問題研究引導學生運用相關原理分析和解決實際問題。［3］但在教學過程中感覺對學生回答問題后的及時評價不夠，學生間小組交流還缺乏更為有效的引導，這都是今后教學過程中需要逐步改進和完善的。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］秦序.納米TiO2光觸媒的分析研究［J］.廣東技術師范學院學報，2015（8）：11-14.

［3］王春.證據(jù)推理視域下的化學實驗教學研究—以“碘離子反應的多樣性研究”為例［J］.中學化學教學參考，2020（7）：35-37.