學(xué)科融合視域下高中化學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

陳寒與 江合佩

摘要：? 以“碳中和”為情境，聚焦碳捕獲協(xié)同轉(zhuǎn)化，開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。通過(guò)尋找“碳中和”的化學(xué)方法、設(shè)計(jì)“捕獲-釋放”模式下的“碳中和”化工方案、設(shè)計(jì)“釋放-重生”協(xié)同下的“碳中和”電化學(xué)方案和分析評(píng)價(jià)“富集直接轉(zhuǎn)化”模式下的“碳中和”科研方案的四課時(shí)子任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳捕獲轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)的逐步高度耦合。任務(wù)中充分運(yùn)用“價(jià)-類(lèi)”二維轉(zhuǎn)化模型、電化學(xué)轉(zhuǎn)化模型、工程思維等設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方案，促進(jìn)化學(xué)學(xué)科模塊融合，幫助學(xué)生形成物質(zhì)轉(zhuǎn)化的多維認(rèn)知角度。

關(guān)鍵詞：? 學(xué)科融合； 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)； 碳中和； 碳捕獲協(xié)同轉(zhuǎn)化

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）05-0061-07

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》強(qiáng)調(diào)提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，注重學(xué)科內(nèi)的融合及學(xué)科間的聯(lián)系，明確學(xué)習(xí)主題，凝練大概念，幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)、問(wèn)題及社會(huì)形成整體性認(rèn)識(shí)［1］。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，在實(shí)施過(guò)程中能充分調(diào)用學(xué)生的跨學(xué)科知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)解決陌生復(fù)雜情境中實(shí)際問(wèn)題的能力。精選“碳中和”為情境載體，充分融合學(xué)科內(nèi)模塊核心知識(shí)，跨學(xué)科多角度地完成“固碳轉(zhuǎn)化”任務(wù)，突出物質(zhì)轉(zhuǎn)化思路與方案優(yōu)化視角，形成“設(shè)計(jì)-評(píng)價(jià)-優(yōu)化”的螺旋式上升學(xué)習(xí)模式。整個(gè)項(xiàng)目多視角、連續(xù)式、進(jìn)階性地引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)技能結(jié)構(gòu)化，發(fā)展學(xué)生的“宏觀(guān)辨識(shí)與微觀(guān)探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”等學(xué)科核心素養(yǎng)［2，3］。

1? 項(xiàng)目主題選擇

《國(guó)家十四五規(guī)劃綱要》強(qiáng)調(diào)，要在2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，在2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”［4］。面對(duì)該社會(huì)性科學(xué)議題，作為當(dāng)代中學(xué)生，若能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)開(kāi)展“助力碳中和”等真實(shí)問(wèn)題解決的學(xué)科實(shí)踐，將推進(jìn)認(rèn)識(shí)化學(xué)發(fā)展對(duì)促進(jìn)社會(huì)文明進(jìn)步的重要性，強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任意識(shí)［5］?；诖?，本項(xiàng)目式學(xué)習(xí)引導(dǎo)學(xué)生從跨學(xué)科“碳中和”解決方案中聚焦二氧化碳“捕獲-釋放-轉(zhuǎn)化”的化學(xué)問(wèn)題，從元素化學(xué)模塊中的“價(jià)-類(lèi)”二維視角、化學(xué)反應(yīng)原理模塊中“反應(yīng)是否自發(fā)”的電化學(xué)方法視角開(kāi)展方案設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認(rèn)知視角；融合技術(shù)、能耗、成本、環(huán)境等工程思維，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)的理想轉(zhuǎn)化進(jìn)階到物質(zhì)的實(shí)際轉(zhuǎn)化［6］，實(shí)現(xiàn)多維視角分析與評(píng)價(jià)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化方案。整個(gè)項(xiàng)目基于“碳中和”理念設(shè)計(jì)“碳捕獲協(xié)同轉(zhuǎn)化方案”的核心框架如圖1所示，旨在促進(jìn)學(xué)科融合，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生明確通過(guò)化學(xué)反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)人與自然的可持續(xù)發(fā)展，凸顯化學(xué)學(xué)科育人價(jià)值［7］。

2? 項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

固碳方案設(shè)計(jì)活動(dòng)在初三化學(xué)和高一生物、地理等相關(guān)學(xué)科中略有涉及，但是較為孤立與分散。經(jīng)過(guò)高一高二的化學(xué)學(xué)習(xí)，學(xué)生已初步具備“價(jià)-類(lèi)”二維物質(zhì)轉(zhuǎn)化模型、電化學(xué)模型、熱力學(xué)-動(dòng)力學(xué)綜合視角等必備知識(shí)。在高三階段化學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)，如何從學(xué)科融合的更

高視角再審視“碳中和”理念下二氧化碳的捕獲轉(zhuǎn)化過(guò)程？基于上述需求，本項(xiàng)目學(xué)習(xí)從真實(shí)復(fù)雜情境中抽提化學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展“尋找‘碳中和的化學(xué)方法、設(shè)計(jì)‘捕獲-釋放模式下的‘碳中和化工方案、設(shè)計(jì)‘釋放-重生協(xié)同下的‘碳中和電化學(xué)方案和分析評(píng)價(jià)‘富集直接轉(zhuǎn)化模式下的‘碳中和科研方案”的四課時(shí)子任務(wù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)遠(yuǎn)遷移。具體學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：

（1） 能從物質(zhì)類(lèi)別和元素價(jià)態(tài)等視角設(shè)計(jì)CO2捕獲和轉(zhuǎn)化的方案。能有意識(shí)地從工程思維和綠色化學(xué)等角度評(píng)價(jià)與優(yōu)化CO2捕獲轉(zhuǎn)化的工藝流程，建構(gòu)真實(shí)意義上的工業(yè)方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化的思維模型。

（2） 能分析、解釋CO2轉(zhuǎn)化的電化學(xué)裝置工作原理，并能?chē)@流程集約目標(biāo)，設(shè)計(jì)與優(yōu)化CO2轉(zhuǎn)化的電化學(xué)裝置。能綜合考慮電化學(xué)裝置中的物質(zhì)變化、能量變化以及工藝優(yōu)化等進(jìn)行方案決策，解決實(shí)際問(wèn)題。

（3） 能根據(jù)具體的CO2轉(zhuǎn)化的科研成果，有意識(shí)地從技術(shù)、能耗、成本、環(huán)境等多維視角收集證據(jù)，進(jìn)行循證分析，合理評(píng)價(jià)與交流。

（4） 通過(guò)“碳中和”方案的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)、展示與交流，認(rèn)識(shí)化學(xué)科學(xué)與技術(shù)的不斷創(chuàng)新是解決人類(lèi)社會(huì)發(fā)展中遇到的問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，進(jìn)一步喚醒學(xué)習(xí)化學(xué)科學(xué)的興趣和激發(fā)探索未知世界的熱情。

3? 項(xiàng)目任務(wù)與教學(xué)流程

本項(xiàng)目圍繞“碳中和”理念，以設(shè)計(jì)碳捕獲轉(zhuǎn)化協(xié)同方案為學(xué)習(xí)抓手，展開(kāi)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，包括項(xiàng)目先導(dǎo)課、設(shè)計(jì)交流課、展望總結(jié)課三種課型，整體項(xiàng)目任務(wù)的架構(gòu)與教學(xué)流程如圖2所示。項(xiàng)目任務(wù)環(huán)環(huán)相扣，逐步進(jìn)階，引導(dǎo)學(xué)生在自主設(shè)計(jì)的“碳捕獲-碳釋放-碳轉(zhuǎn)化”經(jīng)典方案的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)“捕獲-釋放”“釋放-轉(zhuǎn)化”等步驟的耦合優(yōu)化，明確碳捕獲轉(zhuǎn)化協(xié)同的發(fā)展趨勢(shì)。

4? 項(xiàng)目實(shí)施

在項(xiàng)目先導(dǎo)課中，從思政的角度引出碳達(dá)峰、碳中和理念，進(jìn)行生態(tài)教育，構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體意識(shí)，以化學(xué)、生物學(xué)、地理、思想政治等跨學(xué)科多維視角，進(jìn)行固碳方案暢想。聚焦化學(xué)方案，明確利用電化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化為其他有價(jià)值的碳基產(chǎn)品（C2+產(chǎn)品）的非自發(fā)過(guò)程。整節(jié)課幫助學(xué)生建立從復(fù)雜情境中提煉化學(xué)問(wèn)題的一般思路，也讓學(xué)生明確碳捕獲轉(zhuǎn)化協(xié)同項(xiàng)目的核心任務(wù)與意義，促進(jìn)學(xué)生知、情、意、行的統(tǒng)一。

在設(shè)計(jì)交流課和展望總結(jié)課中，從“教-學(xué)-評(píng)”一體化的思路開(kāi)展方案設(shè)計(jì)、學(xué)生自評(píng)、生生互評(píng)、師生互評(píng)，從方案評(píng)價(jià)和任務(wù)評(píng)價(jià)的雙重視角推進(jìn)方案的逐級(jí)優(yōu)化，并逐步實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化多維視角的形成和方案評(píng)價(jià)思維模型的建立［8］，實(shí)現(xiàn)學(xué)科內(nèi)模塊間的有機(jī)融合。該部分的課型模式如圖3所示。

以下為課時(shí)2～4的核心活動(dòng)實(shí)施過(guò)程。

4.1? 設(shè)計(jì)“捕獲-釋放”模式下的“碳中和”化工方案

［教師］將CO2捕獲、適時(shí)釋放，然后轉(zhuǎn)化為其他有價(jià)值的碳基產(chǎn)品（C2+產(chǎn)品），看上去僅需用“堿捕獲-酸釋放-電化學(xué)轉(zhuǎn)化”即可實(shí)現(xiàn)。但真實(shí)實(shí)施過(guò)程中還需要關(guān)注哪些問(wèn)題呢？

4.1.1? 遷移運(yùn)用SO2尾氣處理方案

［教師］工業(yè)化進(jìn)程中，化學(xué)家為緩解SO2對(duì)環(huán)境造成的影響，嘗試了如下多種脫硫方法。試分析與評(píng)價(jià)各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

［學(xué)習(xí)支持］工業(yè)上常見(jiàn)脫硫方法：活性炭吸附法、鈣基固硫法（即用生石灰和含硫的煤混合后燃燒）、氨水脫硫法（即用霧化的氨水與煙氣中SO2直接接觸吸收）、石灰-石膏法（即利用石灰乳吸收SO2后經(jīng)氧化轉(zhuǎn)化為石膏）、雙堿脫硫法（即利用燒堿吸收SO2，再利用熟石灰再生）等。

［學(xué)生1］活性炭吸收效率較低；鈣基固硫方法中固體-氣體接觸效率有限但原料廉價(jià)，石灰-石膏法吸收效率相對(duì)更高；氨水脫硫法效率較高，還可生成氮肥副產(chǎn)品；雙堿脫硫法吸收效率較高但流程較復(fù)雜。

［學(xué)生2］氨水脫硫法需要霧化可能對(duì)設(shè)備要求較高；石灰-石膏法產(chǎn)生的石膏容易堵塞管道；雙堿脫硫法可以實(shí)現(xiàn)堿的再生與循環(huán)利用。

［教師過(guò)渡］大家能從吸收效率、設(shè)備需求、循環(huán)利用等多角度來(lái)評(píng)價(jià)經(jīng)典的脫硫方案，非常難能可貴，這些視角對(duì)同為酸性氧化物的CO2捕獲釋放轉(zhuǎn)化過(guò)程有何啟發(fā)？請(qǐng)大家開(kāi)展方案設(shè)計(jì)。

4.1.2? CO2捕獲與釋放方案設(shè)計(jì)

［項(xiàng)目設(shè)計(jì)引導(dǎo)］進(jìn)行工藝流程范式展示，對(duì)學(xué)生的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范化。

［組內(nèi)交流］請(qǐng)各位同學(xué)以小組為單位，進(jìn)行CO2捕獲釋放轉(zhuǎn)化方案的交流，并根據(jù)剛才了解到的評(píng)價(jià)視角，進(jìn)行組內(nèi)評(píng)價(jià)，并進(jìn)行方案優(yōu)化。

［方案展示］部分小組學(xué)生設(shè)計(jì)優(yōu)化后的碳捕獲釋放轉(zhuǎn)化方案如圖4所示。

［組間互評(píng)1］方案a借鑒侯氏制堿法和氨水脫硫法，保證碳捕獲的高效率；聯(lián)合海水開(kāi)發(fā)利用、化肥和純堿制取等過(guò)程，多種產(chǎn)品的產(chǎn)出讓流程價(jià)值最大化。但流程過(guò)于繁瑣，且使用到氨氣等要注意安全性和腐蝕作用，最終獲得的二氧化碳含有一定量的水蒸氣等對(duì)后續(xù)轉(zhuǎn)化要求比較高。

［組間互評(píng)2］方案b借鑒雙堿吸收法，實(shí)現(xiàn)NaOH的重生，提高了捕獲效率且降低了成本。整個(gè)方案物質(zhì)循環(huán)利用意識(shí)強(qiáng)，但過(guò)程較復(fù)雜，且加熱CaCO3分解耗能大。

a? 借鑒侯氏制堿法設(shè)計(jì)的方案

b? 借鑒雙堿吸收法設(shè)計(jì)的方案

［文獻(xiàn)比對(duì)］對(duì)比“捕獲-釋放”模式下經(jīng)典的固碳化工方案［9］，明確自身方案優(yōu)缺點(diǎn)。

［教師點(diǎn)評(píng)］方案百花齊放，體現(xiàn)同學(xué)們的深度思考。綜合產(chǎn)品價(jià)值、循環(huán)利用、能耗等因素，方案通過(guò)兩三輪的修改已經(jīng)逐步趨于成熟。其中方案b更是極為接近文獻(xiàn)中的固碳方案，同學(xué)們的智慧可圈可點(diǎn)?！安东@-釋放”模式下的“碳中和”化工方案原理較簡(jiǎn)單，但實(shí)施過(guò)程較為復(fù)雜且粗放，我們有沒(méi)有可能實(shí)現(xiàn)更加集約化的方案？

設(shè)計(jì)意圖：在建立“碳中和”理念后，引導(dǎo)學(xué)生充分調(diào)用元素化學(xué)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)碳捕獲轉(zhuǎn)化方案。通過(guò)分析課內(nèi)脫硫工藝方案實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移應(yīng)用，突顯價(jià)-類(lèi)二維的理想轉(zhuǎn)化和現(xiàn)實(shí)工程的實(shí)際轉(zhuǎn)化的差異，幫助學(xué)生建立“設(shè)計(jì)-評(píng)價(jià)-優(yōu)化”工藝路線(xiàn)的思路。

4.2? 設(shè)計(jì)“釋放-重生”協(xié)同下的“碳中和”電化學(xué)方案

4.2.1? CO2“堿捕獲酸釋放”過(guò)程再審視

［教師］如何評(píng)價(jià)堿捕獲酸釋放的方法？

［學(xué)生］原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，在不考慮成本時(shí)，是實(shí)現(xiàn)CO2捕獲釋放的最佳方案。

［教師］從孤立視角看問(wèn)題往往過(guò)于片面化，但各位同學(xué)已經(jīng)開(kāi)始有全盤(pán)考慮的意識(shí)了。既然使用酸、堿等原料有利于CO2捕獲釋放，是否有可能在CO2捕獲釋放過(guò)程中耦合酸堿生產(chǎn)過(guò)程？

［學(xué)生1］像“區(qū)域地理”課程中提到的，聯(lián)合酸制造工廠(chǎng)和堿制造工廠(chǎng)，形成產(chǎn)業(yè)鏈。

［學(xué)生2］類(lèi)似于氯堿工業(yè)，搭建電化學(xué)裝置，提供酸性、堿性溶液。

4.2.2? CO2的電化學(xué)捕獲-釋放裝置設(shè)計(jì)

［學(xué)習(xí)支持］工業(yè)上常利用雙極膜進(jìn)行海水淡化，并獲得酸和堿溶液；工業(yè)上利用雙極膜和陰膜組合電滲析法，處理pH＜6時(shí)的HSO-3溶液，可直接獲得再生SO2-3吸收液和含較高濃度HSO-3溶液。

［項(xiàng)目設(shè)計(jì)引導(dǎo)］借鑒前人智慧，你能否設(shè)計(jì)更集約化的CO2捕獲-釋放方案？

［方案展示］學(xué)生經(jīng)過(guò)個(gè)人設(shè)計(jì)、組內(nèi)交流、組間交流再優(yōu)化后的電化學(xué)CO2的捕獲-釋放方案如圖5所示。

［小組匯報(bào)］受到海水淡化的啟發(fā)，最開(kāi)始設(shè)計(jì)利用陰、陽(yáng)離子交換膜構(gòu)建的電化學(xué)裝置（第一版方案），制備鹽酸和NaOH溶液。堿性物質(zhì)用于CO2捕獲，酸性物質(zhì)用于CO2釋放，傳統(tǒng)的工藝流程耦合電化學(xué)制備后，避免了過(guò)多的復(fù)雜的工藝流程來(lái)實(shí)現(xiàn)捕獲劑NaOH的重生。電化學(xué)的電能可利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等方式獲得，繼而實(shí)現(xiàn)方案的綠色環(huán)保。后續(xù)交流過(guò)程中，受到其他小組的啟發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化成CO2的釋放也耦合并入電化學(xué)裝置中，進(jìn)一步減少了流程的繁瑣（第二版方案）（見(jiàn)圖5）。

［文獻(xiàn)比對(duì)］對(duì)比文獻(xiàn)［10］中利用電化學(xué)設(shè)計(jì)的固碳方案，思考不同方案間的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。

［教師］該小組不同階段的兩個(gè)設(shè)計(jì)版本，讓大家看到交流的力量。是大家的思維碰撞一步一步使方案變得更加富有創(chuàng)意。最終的方案CO2的釋放和捕獲劑的重生集約化程度非常高，與文獻(xiàn)中的設(shè)計(jì)不謀而合。當(dāng)然，也看到了二者在電解液上的差異，這是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中從物理學(xué)科電解電壓方面所作的考慮。所以一套方案需要跨學(xué)科知識(shí)的相互助力，才能更加完善。

設(shè)計(jì)意圖：在“碳中和”化工方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生利用電化學(xué)裝置進(jìn)行流程的耦合，修正和優(yōu)化方案。學(xué)生逐步搭建物質(zhì)轉(zhuǎn)化的多維視角模型，建立從轉(zhuǎn)化效率、工藝難度、能耗成本等角度進(jìn)行評(píng)價(jià)的思維模型，實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的逐步提升。

4.3? 分析評(píng)價(jià)“富集直接轉(zhuǎn)化”模式下的“碳中和”科研方案

［教師過(guò)渡］從工藝流程和電化學(xué)視角，大家已經(jīng)成功設(shè)計(jì)出多種CO2捕獲-釋放轉(zhuǎn)化方案。但無(wú)法避免地都出現(xiàn)工藝較為復(fù)雜，流程較為繁瑣的情況。是否存在更加集約、捕獲-釋放轉(zhuǎn)化耦合程度更高的方案呢？從生物學(xué)科光合作用機(jī)理啟發(fā)，科學(xué)家們致力于研發(fā)新型轉(zhuǎn)化體系等實(shí)現(xiàn)CO2富集直接轉(zhuǎn)化。

4.3.1? 富集直接轉(zhuǎn)化方案的評(píng)價(jià)

［教師］化學(xué)工作者設(shè)計(jì)出如圖6所示三種富集CO2后直接電化學(xué)轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的碳基產(chǎn)品方案［11］。試對(duì)三種分案進(jìn)行比較分析。

［學(xué)習(xí)支持］方案一：將利用堿溶液捕獲CO2，并直接進(jìn)行電化學(xué)還原。

CO2+OH-HCO-3；

2HCO-3+2e-CO+2OH-+CO2－3

方案二：利用胺類(lèi)離子液體（非水溶劑）捕獲CO2并直接電化學(xué)還原。

方案三：利用共價(jià)有機(jī)框架捕獲CO2，并直接在水溶液中電還原。捕獲后CO2結(jié)構(gòu)彎曲，需要的還原電壓較低。

a 堿液捕獲轉(zhuǎn)化

b 離子液體捕獲轉(zhuǎn)化

c 有機(jī)框架材料捕獲轉(zhuǎn)化

［學(xué)生1］方案a原理較簡(jiǎn)單，但可能存在轉(zhuǎn)化析氫副反應(yīng)較多的情況。方案b使用非水溶劑，能有效避免析氫副反應(yīng)，但是使用胺類(lèi)離子液體，還存在轉(zhuǎn)化電壓較高的問(wèn)題。方案c既能降低析氫副反應(yīng)問(wèn)題，又能處于水溶液體系保證適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)化電壓，但存在研發(fā)成本較高等問(wèn)題。

［學(xué)生2］方案a過(guò)于理想化。方案b可能存在科研投入費(fèi)用高、有機(jī)物有毒等問(wèn)題。但相對(duì)方案c新材料的研發(fā)成本，方案b可能更具有推廣性。

［教師］整體而言，以“碳中和”為目標(biāo)的碳捕獲轉(zhuǎn)化協(xié)同方案朝著更加集約耦合的方向發(fā)展。大家也越來(lái)越能帶著發(fā)展眼光來(lái)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)不同方案。為什么耦合方案成為趨勢(shì)？

4.3.2? 從能耗視角分析碳捕獲-釋放轉(zhuǎn)化耦合方案

［教師］請(qǐng)通過(guò)繪制耦合程度不同的轉(zhuǎn)化過(guò)程體系能量變化圖，進(jìn)一步闡述富集直接轉(zhuǎn)化方案的特點(diǎn)。

［文獻(xiàn)比對(duì)］學(xué)生嘗試勾畫(huà)能量變化圖，并與圖7所示文獻(xiàn)圖像［12］進(jìn)行比對(duì)分析。

［學(xué)生］對(duì)于富集直接轉(zhuǎn)化，其反應(yīng)歷程為：低濃度CO2被捕獲→CO2還原過(guò)渡態(tài)→還原產(chǎn)物CO。而對(duì)于經(jīng)典的先捕獲后釋放轉(zhuǎn)化，其反應(yīng)歷程為：低濃度CO2被捕獲→CO2釋放過(guò)渡態(tài)→高濃度CO2→CO2還原過(guò)渡態(tài)→還原產(chǎn)物CO。相比之下，富集直接轉(zhuǎn)化方案省略了CO2釋放和捕獲劑重生的步驟，方案更加集約，能耗更低，是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

設(shè)計(jì)意圖：從項(xiàng)目初始的方案設(shè)計(jì)到項(xiàng)目最終對(duì)科技前沿方案進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，進(jìn)一步外顯學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和核心素養(yǎng)，認(rèn)識(shí)真實(shí)情境下實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的多維視角，形成真實(shí)情境下物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型，如圖8所示。

在整個(gè)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)碳捕獲轉(zhuǎn)化的學(xué)科理解、跨學(xué)科解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新意識(shí)等均獲得持續(xù)增長(zhǎng)，逐步達(dá)到化學(xué)學(xué)科解決問(wèn)題的價(jià)值認(rèn)同與低碳行為的情感認(rèn)同，如圖9所示。

5? 項(xiàng)目效果與反思

5.1? 情境的深度解構(gòu)促進(jìn)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)開(kāi)展

本項(xiàng)目將人類(lèi)面臨的“碳中和”的真實(shí)問(wèn)題解構(gòu)成逐級(jí)進(jìn)階的四課時(shí)子任務(wù)，使學(xué)生始終圍繞“碳中和”的方案設(shè)計(jì)展開(kāi)活動(dòng)，進(jìn)而形成情感共鳴，持續(xù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。在項(xiàng)目最初實(shí)施過(guò)程中，由于真實(shí)的工藝方案與課內(nèi)理想體系存在較大差異，使得設(shè)計(jì)任務(wù)對(duì)于學(xué)生而言挑戰(zhàn)性過(guò)高，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)。因此，本項(xiàng)目對(duì)各課時(shí)的情境進(jìn)行深度整合優(yōu)化，引入SO2尾氣處理等經(jīng)典工藝模型作為知識(shí)生長(zhǎng)點(diǎn)，利用指定角度、提示角度等方式調(diào)控問(wèn)題難度，實(shí)現(xiàn)小起步、逐級(jí)深入的真實(shí)的CO2捕獲轉(zhuǎn)化方案設(shè)計(jì)。多次實(shí)踐證明，以上情境的深度解構(gòu)有效地提高了課堂中設(shè)計(jì)任務(wù)的推進(jìn)效率，再結(jié)合教師的節(jié)奏把控，可使學(xué)生聚焦于核心任務(wù)的解決，形成從實(shí)際問(wèn)題到課內(nèi)經(jīng)典模型再到真實(shí)的工藝流程方案的思維路徑，使學(xué)科實(shí)踐得以實(shí)現(xiàn)。

5.2? 開(kāi)放性任務(wù)促進(jìn)學(xué)科融合與知識(shí)結(jié)構(gòu)化

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的較高開(kāi)放度的核心任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生多角度思考，促進(jìn)了學(xué)科模塊內(nèi)的知識(shí)融合與跨學(xué)科實(shí)踐，如集約化CO2捕獲-釋放的電化學(xué)裝置設(shè)計(jì)等。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生能調(diào)動(dòng)已有知識(shí)設(shè)計(jì)出多種有一定思維深度的方案，甚至能結(jié)合國(guó)家政策法規(guī)以及生物、地理學(xué)科知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)意圖的闡釋?zhuān)浞旨ぐl(fā)了學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性。教師在學(xué)生實(shí)踐過(guò)程中需要適時(shí)給予必要的鼓勵(lì)與學(xué)習(xí)支持，如從能量視角評(píng)估方案優(yōu)劣勢(shì)、從循環(huán)視角關(guān)注工業(yè)原料成本優(yōu)化等，從而關(guān)注不同層次學(xué)生的素養(yǎng)發(fā)展，避免學(xué)生因任務(wù)的開(kāi)放性而造成問(wèn)題解決方向的迷茫與隨意。在開(kāi)放的方案評(píng)價(jià)任務(wù)中，學(xué)生在課時(shí)1～2中較多地以孤立的視角進(jìn)行評(píng)價(jià)，沒(méi)有形成系統(tǒng)的分析思維。通過(guò)不斷引導(dǎo)學(xué)生組內(nèi)觀(guān)點(diǎn)交流、繪制評(píng)價(jià)思維導(dǎo)圖和組間交流匯報(bào)，多數(shù)學(xué)生能在課時(shí)3～4中形成多角度評(píng)價(jià)的思路。深度的交流和必要的成果外顯，使得開(kāi)放性任務(wù)有效地促進(jìn)了學(xué)生的知識(shí)與思維由點(diǎn)及線(xiàn)再到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。

5.3? 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)應(yīng)注重成果外顯和學(xué)習(xí)延續(xù)

本項(xiàng)目產(chǎn)出了較多的學(xué)生自主設(shè)計(jì)的方案，增加了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的體驗(yàn)感。但從成果進(jìn)一步外顯和學(xué)習(xí)的可持續(xù)性出發(fā)，還可以增加社會(huì)調(diào)研和跨學(xué)科實(shí)踐。例如參觀(guān)固碳企業(yè)、訪(fǎng)談社會(huì)人士、節(jié)能減排宣講，以化學(xué)固碳為基礎(chǔ)擬定政策建議，規(guī)劃地理區(qū)域發(fā)展等，讓學(xué)生在更真實(shí)、更復(fù)雜的情境中認(rèn)識(shí)科學(xué)對(duì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重要意義。

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