在工業(yè)實(shí)際問題解決中發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)

摘要：選取工業(yè)煙氣脫硝這一素材，以實(shí)際問題的解決過程為主線設(shè)計(jì)核心任務(wù)，圍繞氮氧化物的性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及條件控制等方面分析了工業(yè)實(shí)際問題的特點(diǎn)及功能價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生多角度對(duì)化學(xué)反應(yīng)及化工生產(chǎn)條件進(jìn)行綜合考量，培養(yǎng)學(xué)生基于證據(jù)分析問題的能力，形成從化學(xué)視角分析和解決實(shí)際問題的思路和方法，發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知的學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知；核心素養(yǎng)；煙氣脫硝；實(shí)際問題

文章編號(hào)：1008-0546（2023）11-0061-05" 中圖分類號(hào)：G632.41" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.11.013

模型認(rèn)知不僅是化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重要元素，也是化學(xué)學(xué)習(xí)中不可或缺的認(rèn)知與能力。這些能力不僅有助于學(xué)生深刻理解知識(shí)是如何建構(gòu)的，更有利于學(xué)生的知識(shí)遷移。［1］學(xué)生只有在真實(shí)的問題情境中，主動(dòng)調(diào)用所學(xué)知識(shí)，有清晰明確的推理路徑，即具有穩(wěn)定而全面的認(rèn)識(shí)角度和思路去獨(dú)立完成一項(xiàng)系統(tǒng)任務(wù)，才能說明素養(yǎng)和能力要求得以達(dá)成。工業(yè)實(shí)際問題因具有陌生元素或物質(zhì)的多種轉(zhuǎn)化、圖表和陌生信息的復(fù)雜關(guān)聯(lián)、高中主干知識(shí)各模塊的高度融合等特點(diǎn)，因此，解決此類問題要求學(xué)生能依據(jù)各類物質(zhì)及其反應(yīng)的不同特征尋找充分的證據(jù)，能夠解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，能對(duì)實(shí)際問題中的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析以建構(gòu)相應(yīng)的模型，進(jìn)一步優(yōu)化模型以解釋或解決復(fù)雜的化學(xué)問題，所以工業(yè)實(shí)際問題在發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知素養(yǎng)方面有其獨(dú)特的功能和價(jià)值。［2］本設(shè)計(jì)以“煙氣脫硝”作為教學(xué)內(nèi)容的載體，將工業(yè)實(shí)際問題模型中關(guān)鍵要素設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)性任務(wù)，通過開展證據(jù)與推理、模型與解釋、符號(hào)與表征等學(xué)習(xí)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建認(rèn)識(shí)模型，實(shí)現(xiàn)知識(shí)素養(yǎng)化。

一、教學(xué)背景分析

1.教學(xué)內(nèi)容分析

本節(jié)課是基于真實(shí)問題解決的高三綜合復(fù)習(xí)課，以工業(yè)煙氣脫硝為素材，一是通過學(xué)生自主設(shè)計(jì)路線，聯(lián)系氮氧化物的性質(zhì)等相關(guān)化學(xué)知識(shí)，鞏固認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的角度，同時(shí)讓學(xué)生體會(huì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中除了關(guān)注反應(yīng)規(guī)律外，還要從速率和平衡等角度對(duì)反應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)關(guān)注副反應(yīng)。教學(xué)內(nèi)容涉及到基本概念（氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)）、基本理論（速率、平衡理論）、元素化合物知識(shí)的綜合應(yīng)用、條件控制和評(píng)價(jià)，綜合性較強(qiáng)，基于實(shí)際問題解決的認(rèn)識(shí)角度豐富且全面，能夠引導(dǎo)學(xué)生建立較完整的認(rèn)識(shí)模型。通過對(duì)“工業(yè)煙氣脫硝”這一環(huán)境問題的關(guān)注，可培養(yǎng)學(xué)生從化學(xué)視角研究改善環(huán)境問題和變廢為寶的意識(shí)，傳達(dá)綠色化學(xué)理念，有利于正面認(rèn)識(shí)化學(xué)科學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的影響。

2.學(xué)生情況分析

學(xué)生具備“價(jià)—類二維”角度，但在實(shí)際設(shè)計(jì)NO、 NO2的轉(zhuǎn)化路徑時(shí)，大多數(shù)學(xué)生仍是基于已學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，部分學(xué)生能從價(jià)態(tài)視角找到更多的物質(zhì)（氧化劑、還原劑）或者采用電化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)氮氧化物的轉(zhuǎn)化。學(xué)生具備運(yùn)用氧化還原反應(yīng)原理、水溶液中平衡、電化學(xué)等知識(shí)分析問題的能力，但對(duì)于設(shè)計(jì)的方案缺乏基于實(shí)際的評(píng)價(jià)思路，自主調(diào)用角度調(diào)控反應(yīng)的能力欠缺，不能主動(dòng)關(guān)聯(lián)反應(yīng)的過程中存在的隱性影響因素，如副反應(yīng)等。分析圖表提取關(guān)鍵信息的能力較弱，較難建立信息-知識(shí)-認(rèn)識(shí)角度之間的關(guān)聯(lián)，利用陌生證據(jù)推理能力較弱。希望通過分析和解決陌生復(fù)雜的工業(yè)實(shí)際問題，將知識(shí)轉(zhuǎn)化為分析認(rèn)識(shí)對(duì)象的角度，在問題解決的過程中，內(nèi)化認(rèn)識(shí)角度，發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標(biāo)分析

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）能夠應(yīng)用氧化還原反應(yīng)原理、化學(xué)平衡移動(dòng)原理、電化學(xué)等知識(shí)分析物質(zhì)之間的反應(yīng)，正確書寫化學(xué)方程式，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)規(guī)律和相關(guān)原理設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方案。

（2）從速率和平衡角度對(duì)煙氣脫硝反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控，形成多角度優(yōu)化反應(yīng)的思路和方法，建立解決實(shí)際問題的思維模型。

（3）經(jīng)歷實(shí)際問題的解決過程，初步具備從工業(yè)視角看問題的能力，認(rèn)識(shí)化學(xué)學(xué)科的重要社會(huì)價(jià)值。

2.評(píng)價(jià)目標(biāo)

（1）通過對(duì)工業(yè)脫硝方案的交流與點(diǎn)評(píng)，診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)物質(zhì)性質(zhì)和實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化思路的認(rèn)識(shí)水平。

（2）通過對(duì)絡(luò)合吸收法反應(yīng)條件調(diào)控方案的討論和點(diǎn)評(píng)，以及對(duì)實(shí)際工藝流程中圖表的分析解釋，診斷并發(fā)展學(xué)生解決實(shí)際問題的能力水平。

（3）通過對(duì)工業(yè)實(shí)際問題解決思路的探討，診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)思路與流程

本教學(xué)以設(shè)計(jì)煙氣脫硝方案為載體，使學(xué)生在運(yùn)用學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題的過程中自主構(gòu)建認(rèn)識(shí)模型，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)及學(xué)科能力的發(fā)展，課堂環(huán)節(jié)及每個(gè)環(huán)節(jié)中對(duì)應(yīng)的實(shí)際問題、學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)和模型建構(gòu)如圖1所示。

四、教學(xué)實(shí)施過程

教學(xué)環(huán)節(jié)一：設(shè)計(jì)方案脫除NOx

【引入】NOx一般包括 NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5；一般世界各國制定的有關(guān)大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)中 NOx 污染物主要是指NO、NO2。李克強(qiáng)總理在2017年兩會(huì)上提出“打好藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”，2018年國務(wù)院發(fā)布《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》。計(jì)劃發(fā)布以來，我國各省市區(qū)城市二氧化硫、氮氧化物排放總量大幅度下降。

【任務(wù)一】自主設(shè)計(jì)多種脫除煙氣中NO、NO2的方案，與小組同學(xué)討論、完善設(shè)計(jì)思路，最后小組分享交流設(shè)計(jì)方案，并說出依據(jù)的原理。

【資料】

Ⅰ.廢氣中90%-95%的NOx 為NO；

Ⅱ.已知存在下列反應(yīng)：NO + NO2+2NaOH =2NaNO2+ H2O；FeSO4+ NO" Fe（NO）SO4

【學(xué)生活動(dòng)】匯報(bào)方案。方案一：NO、NO2→NO2→ HNO3；方案二：NO、NO2→NO ∶NO2（1∶1）→NaNO2；方案

三：NO、NO2→NO→Fe（NO）SO4；方案四：NO、NO2→NO3（-）；

方案五：NO、NO2→N2；方案六：電解。思考自己設(shè)計(jì)方案的角度，主要圍繞吸收效果，從反應(yīng)限度、氧化劑用量等角度評(píng)價(jià)方案的合理性，初步形成設(shè)計(jì)思路。

教師介紹實(shí)際工業(yè)脫硝方法：干法（如 SCR/ SN? CR 法，以尿素、NH3、CO、CH 等作還原劑）、濕法（氧化還原吸收法、絡(luò)合吸收法、堿液吸收法等）。［3］提供資料，絡(luò)合吸收法：FeSO4+NO" Fe（NO）SO4 K=450，追問工業(yè)上選擇絡(luò)合吸收法可能的原因。學(xué)生從速率、可循環(huán)利用、成本等角度回答。

設(shè)計(jì)意圖：探查學(xué)生分析物質(zhì)性質(zhì)的角度，基于物質(zhì)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，初步形成基于化學(xué)視角和工業(yè)視角評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化路徑的思維模型。

教學(xué)環(huán)節(jié)二：調(diào)控條件提高脫硝效率

【任務(wù)二】哪些因素會(huì)影響 FeSO4溶液對(duì)煙氣中 NO 的脫除效率（一段時(shí)間內(nèi) NO 脫除率）？小組討論交流如何調(diào)控條件提高脫硝效率？

已知：FeSO4（aq）+ NO（g） Fe（NO）SO4（aq）ΔH lt;0

【學(xué)生1】提高一段時(shí)間內(nèi) NO 脫除率應(yīng)該考慮提高化學(xué)反應(yīng)速率，應(yīng)從溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑等角度調(diào)控條件。

【學(xué)生2】一段時(shí)間內(nèi)，該反應(yīng)有可能已經(jīng)達(dá)到平衡，因此不能忽略外界因素對(duì)化學(xué)平衡產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響脫除效率。

【學(xué)生活動(dòng)】從速率和平衡角度分析濃度、溫度、壓強(qiáng)對(duì)脫硝效率的影響。具體見表1。

【教師追問】溫度升高，是否會(huì)間接影響其他因素，從而影響反應(yīng)速率或使平衡發(fā)生移動(dòng)？

【學(xué)生3】溫度升高可能使NO 的溶解度下降，從而使反應(yīng)物的濃度下降，化學(xué)反應(yīng)速率降低或平衡逆移。

【交流與討論】實(shí)際工業(yè)中，研究反應(yīng)溫度對(duì)脫硝效率的影響如圖2所示。該圖呈現(xiàn)的結(jié)果與你對(duì)溫度調(diào)控的思路是否一致？如何解釋在15℃和60℃時(shí)， NO 脫除率都較低？

【學(xué)生4】該圖呈現(xiàn)的結(jié)果與我對(duì)溫度調(diào)控的思路一致。溫度較低時(shí)（15℃），解釋為反應(yīng)未達(dá)平衡，從速率角度加以分析，溫度越低，反應(yīng)速率緩慢，NO 脫除率較低；溫度較高時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)，反應(yīng)已達(dá)平衡，溫度升高NO 的溶解度下降，平衡逆向移動(dòng)；同時(shí)升溫也會(huì)導(dǎo)致平衡逆向移動(dòng)。

【教師】引導(dǎo)學(xué)生歸納調(diào)控反應(yīng)時(shí)應(yīng)關(guān)注的角度，特別是對(duì)速率和平衡的影響涉及多種因素時(shí)，如何基于結(jié)論分析主要矛盾。

設(shè)計(jì)意圖：綜合運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理相關(guān)知識(shí)，并結(jié)合實(shí)際情境多角度基于數(shù)據(jù)與事實(shí)進(jìn)行合理性解釋與推理，建立關(guān)注多因素分析主次矛盾解決問題的思維路徑。

教學(xué)環(huán)節(jié)三：分析影響脫硝效率的原因

【思考】60℃時(shí)，隨時(shí)間的增加NO 脫除率下降的原因是什么？

資料：實(shí)際排放的煙氣中含氧量為3%～8%。

【學(xué)生活動(dòng)】小組討論后匯報(bào)思路，可能是 Fe2+被 O2氧化，c（Fe2+）下降，導(dǎo)致平衡FeSO4（aq）+NO（g） Fe（NO）SO4（aq）逆向移動(dòng)。進(jìn)一步討論得出通過補(bǔ)充抗氧化劑的方法防止Fe2+被氧化。

【教師提問】工業(yè)上選取 FeSO4-Na2SO3作為復(fù)合吸收劑，用離子方程式表示Na2SO3的作用。

【學(xué)生回答】可能的兩個(gè)作用：

SO3（2）-+2Fe3++H2O =2Fe2++SO4（2）-+2H+；

2Na2SO3+2NO =2Na2SO4+N2↑。

【過渡】查閱資料知，Na2SO3作為一種還原劑，在濕法絡(luò)合脫硝反應(yīng)中，經(jīng)常被用作一種添加劑，用來還原氧化生成的 Fe3+，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)高效的煙氣脫硝。研究發(fā)現(xiàn)，Na2SO3溶液也可以與 NOx 發(fā)生反應(yīng)，起到脫除的目的。

【任務(wù)三】以 FeSO4-Na2SO3復(fù)合吸收劑吸收煙氣中的 NO，圖3是不同初始pH 的溶液對(duì)脫硝效率的影響，從圖中你獲得了哪些結(jié)論？如何解釋？

【學(xué)生討論、匯報(bào)】結(jié)論：pH 過高或過低都會(huì)降低 NO 脫除率，pH=6時(shí)，脫硝效率達(dá)到最大。pH 較小時(shí)，脫硝效率急劇下降。解釋：pH 過大時(shí)，F(xiàn)e2+逐漸沉淀，進(jìn)而影響溶液的吸收效果；pH 過小時(shí)，SO3（2）-與 H+反應(yīng)使c（SO3（2）-）減小，降低了對(duì)Fe2+的保護(hù)，減少了對(duì)NO 的吸收，導(dǎo)致脫硝效率下降。

教師補(bǔ)充，強(qiáng)酸性條件下會(huì)加速反應(yīng)器的腐蝕，增加生產(chǎn)成本。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和脫硝效率的影響，對(duì)本實(shí)驗(yàn)體系弱酸性條件下（pH=6）會(huì)有較好的煙氣脫銷效果。師生總結(jié)解決工業(yè)實(shí)際問題的

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生對(duì)圖形、圖表的閱讀和初步加工的能力，通過分析解釋性任務(wù)提升學(xué)生將分析問題的過程和結(jié)論用正確的化學(xué)術(shù)語及文字、模型等表達(dá)的能力。通過對(duì)整節(jié)課的梳理，建立解決工業(yè)實(shí)際問題的思維模型。

五、教學(xué)反思

1.深入挖掘能夠承載認(rèn)識(shí)模型完整建構(gòu)的教學(xué)素材

將實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)進(jìn)行重新整理，選擇適合高三復(fù)習(xí)的內(nèi)容，再精心編排呈現(xiàn)形式，力爭(zhēng)將圖表、數(shù)據(jù)、文字等信息有機(jī)整合，核心環(huán)節(jié)包含陌生反應(yīng)信息、絡(luò)合吸收法、實(shí)際工業(yè)中反應(yīng)溫度、不同初始pH對(duì)脫硝效率的影響圖像等素材，引導(dǎo)學(xué)生自主應(yīng)用認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的角度，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地分析和設(shè)計(jì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑或找到合理試劑，不斷調(diào)用“價(jià)類二維”角度解決物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題，在此基礎(chǔ)上，多角度調(diào)控反應(yīng)，素材全面涵蓋模型建構(gòu)的關(guān)鍵要素，學(xué)生在親歷實(shí)際問題的解決過程中，不斷豐富認(rèn)識(shí)角度，形成認(rèn)識(shí)思路。

2.設(shè)計(jì)連續(xù)驅(qū)動(dòng)性任務(wù)充分凸顯實(shí)際問題的解決過程

遵循“煙氣脫硝”這一實(shí)際問題解決的基本思路，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的探索積極性，抽提出一系列的問題解決線索。首先，提供工業(yè)實(shí)際中煙氣的主要成分及學(xué)生不熟悉的相關(guān)反應(yīng)資料，讓學(xué)生基于已學(xué)知識(shí)和所給信息多角度設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化途徑；然后基于絡(luò)合吸收法，借助“提高一段時(shí)間內(nèi) NO 的脫除率”這一核心任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)從速率和平衡兩個(gè)角度調(diào)控反應(yīng)，最后通過呈現(xiàn)實(shí)際工業(yè)中溫度、pH對(duì)脫硝效率的影響圖像，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)反應(yīng)的分析從單一因素過渡到多種因素，關(guān)注體系中的副反應(yīng)，并能形成依據(jù)現(xiàn)象或結(jié)論分析主次矛盾的學(xué)科思維方法。從設(shè)計(jì)方案、選擇反應(yīng)再到優(yōu)化反應(yīng)，層層深入，這一解決問題的思路符合工業(yè)實(shí)際，建構(gòu)的認(rèn)識(shí)模型具有較強(qiáng)的可遷移性。

3.注重外顯學(xué)生的思維過程完成模型的構(gòu)建

本節(jié)課注重創(chuàng)設(shè)能夠展示學(xué)生思維過程的任務(wù)活動(dòng)，如設(shè)計(jì)和匯報(bào)交流脫硝方案，評(píng)價(jià)方案是否符合工業(yè)實(shí)際情況，多角度優(yōu)化反應(yīng)等環(huán)節(jié)，需要學(xué)生通過多次交流研討和概括梳理活動(dòng)，再進(jìn)行小組合作、反思質(zhì)疑呈現(xiàn)任務(wù)完成的結(jié)果，而解決核心問題的思維路徑較長，需要學(xué)生通過系統(tǒng)思考、合理邏輯推理才能獲得結(jié)論，因此能使不同能力水平的學(xué)生都得到充分展示。在此過程中教師就模型中的要素和要素關(guān)聯(lián)與學(xué)生展開充分的對(duì)話，通過認(rèn)識(shí)性問題引導(dǎo)學(xué)生按照模型的思路進(jìn)行問題解決，思維外顯有助于學(xué)生在面對(duì)真實(shí)陌生的實(shí)際問題時(shí)進(jìn)行情境關(guān)聯(lián)、問題歸類，進(jìn)而完成自主建模。

參考文獻(xiàn)

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