基于項目式教學的高中化學元素化合物復習
——以“利用類價二維處理煙氣脫硫脫硝問題”為例

劉炯明 竇 卓

（廈門雙十中學，福建 廈門 361000）

元素化合物知識考查在近幾年高考中占比逐年遞增，如何在教學中更好地滲透元素觀、分類觀、轉化觀，從而實現元素化合物知識的結構化及核心素養的培育呢？2017 版新課程標準倡導真實問題情境的創設，提倡基于綜合問題解決的主題式教學。［1］項目式教學以真實的情境將學生帶入環境之中，通過設計任務、活動，讓學生參與真實問題的解決，并在過程中實現核心知識的落地、學科思想方法的養成、學科核心素養的培育。

一、項目的設計分析

（一）情境選擇注重生活性、承載性

人類的生活情境中蘊含著豐富的化學知識、方法和思想。從真實情境中提取問題作為研究對象，可以和學生的生活經歷或情感產生交織、碰撞，利于提高學生對學習的投入感。［2］“工業煙氣脫硫脫硝”是社會熱點問題，其中所蘊含的物質轉化知識極為豐富，能夠有效承載元素化合物的教學重難點，利于核心知識的提取，也便于任務的拆解與問題的設計。

（二）教學聚焦注重階段性、延伸性

我們可以從“工業煙氣脫硫脫硝”中抽提出多個教學角度：理論轉化、實際轉化、工程思維、綠色化學等，在項目設計中應當認識到學生的認知發展具有階段性并基于此合理設計項目。例如，在高一階段應聚焦于理論轉化（類價二維、位構性），適當回避動力學熱力學問題，而在高三一輪復習階段除了注重理論轉化分析以外，還要凸顯實際轉化（熱力學、動力學、分離提純、綠色化學）、工程思維（設備、成本、生產調控）等，這樣才利于學生在真實情境中重整相對孤立、碎片化的知識，形成一個認知的有機整體。

二、項目的實施

項目從社會熱點問題中遴選出“工業煙氣脫硫脫硝”作為真實情境，從情境中抽提出具體的學科核心問題，基于建構主義理論合理設置三個遞進式任務，并將每個任務分解為多個子任務，由學生根據任務目標設計方案、實施方案、交流展示和評價改進，形成解決一類問題的思路和模型。［3］（具體教學流程見圖1）

（一）創設情境，建構模型

［引入］全球范圍內，環境的保護與治理都是熱門話題，SO2和NOx是大氣主要污染物，大量SO2和NOx的排放對環境造成了不可逆的破壞，因此對工業煙氣進行脫硫脫硝是工業生產中重要的一環。

［展示］近年來全國工業SO2和NOx的排放量

任務一：工業煙氣脫硫、脫硝

［活動1］結合已學知識，設計脫除SO2的方案，書寫對應化學反應方程式。

［匯報］展示所書寫的化學反應方程式

［交流研討］對上述反應進行歸納，抽提出認識SO2性質的角度。

［匯報］物質類別維度：SO2屬于酸性氧化物，具備酸性氧化物的通性，能與堿反應，例如反應①。

化合價升降維度：SO2中S 的價態為+4，處于中間價態，故SO2具有一定的氧化性與還原性，例如反應②④是利用SO2的還原性進行脫除；反應③是利用SO2的氧化性進行脫除。

［構建模型］元素化合物的知識承載了我們對于物質性質及物質間相互轉化的理解，脫除SO2的化學反應多樣，可以從物質類別和化合價升降的維度分析其轉化，并構建認識物質性質與物質間轉化的認知模型：類價二維圖（見圖1）。

圖1 S 元素的類價二維圖

［活動2］繪制N 元素的類價二維圖，書寫脫除NOx（NO 與NO2）的化學反應方程式。

［展示］展示類價二維圖與化學反應方程式

［交流研討］反應①屬于從哪個維度脫硝？能否從類維的角度脫硝？

［匯報］反應①涉及元素化合價變化，故屬于價維脫硝。NOx不屬于酸性氧化物，無法從類維脫硝。

［追問］一定條件下，能否利用NH3脫除工業煙氣中的NOx?

［匯報］結合類價二維圖可知，NH3與NOx中間還存在其他價態的N 元素，理論上可以利用NH3還原NOx。

［結論］類價二維圖是我們分析物質理論轉化的模型，依據該模型我們不僅可以找到角度理解物質轉化，也可以對某些反應進行預測。但該模型僅適用于理論預測，實際情況還要結合熱力學、動力學進一步分析。

（二）問題升華，理解模型

任務二：工業煙氣同時脫硫脫硝

［活動1］討論能同時脫除SO2與NOx的方法，并分析該方法從哪個維度同時脫硫脫硝。

［匯報］可以選擇合適的氧化劑或還原劑從價維同時脫除SO2與NOx。

［匯報］直接加入堿液同時吸收SO2與NOx，其中NOx是從價維脫除的，SO2是從類維脫除的。

［追問］已知煙氣中95%的NOx為NO，脫硝時對加入的氧化劑氧化性有何要求？

［匯報］氧化劑氧化性要足夠強，防止只將NO 氧化成NO2。

［拓展］NaClO2氧化吸收法中（反應方程式如下），NaClO2雖然對SO2進行了脫除，但是并未完成脫硝，對于生成的NO2還要用堿液進一步吸收。

［小組討論］利用NH3還原NO 完成脫硝的同時，能否有效脫硫？

［匯報］NH3是堿性氣體，SO2是酸性氣體，若脫硝后往體系中加入水，結合SO2的類屬通性分析，SO2可以從類維脫除。

［交流研討］煙氣的組成會不會影響堿液吸收法的脫硫脫硝效果？若煙氣組成（除SO2外）有如下四個情況，是否均能實現完全脫除？

①只含NO2②只含NO

③n(NO)∶n(NO2)>1∶1 ④n(NO)∶n(NO2)<1∶1

［匯報］結合NO 與NO2的性質可知情況①能完全脫除，情況②NO 不能脫除。當NO 與NO2同時存在時，其比例為1∶1 時才能完全被堿液吸收，故情況③會剩余NO，情況④剩余的NO2能進一步被堿液消耗，實際工業處理中一般不單獨采用堿液脫硫脫硝。

（三）真實情境，應用模型

任務三：氯酸氧化法脫硫脫硝工藝分析

［展示］氯酸氧化法脫硫脫硝工藝圖（見圖2）。

圖2 氯酸氧化法脫硫脫硝工藝圖

［活動1］已知在氧化吸收塔中發生如下兩個反應，請結合類價二維分析氧化吸收塔中的脫硫脫硝過程。

［匯報］結合反應可知HClO3能同時氧化NO 與SO2，但有部分NO 轉化為NO2，SO2被氧化為H2SO4，所以在氧化吸收塔中完成了脫硫與部分脫硝。

［小組討論］氧化吸收塔中未完全吸收的煙氣將進入堿式吸收塔中進一步處理，請結合工藝圖、類價二維分析堿式吸收塔中可能發生的化學反應。

［匯報］堿式吸收塔中含NaOH，可發生反應：2NO2+2NaOH====NaNO2+NaNO3+H2O；而從價維可知Na2S 作為還原劑能還原NO2，可發生反應：Na2S+2NO2====Na2SO4+N2。

［交流研討］理論上NaOH 或Na2S 均可處理NO2，為何堿式吸收塔中要同時加入這兩種吸收液？

［匯報］在實際工業中，除了考慮物質轉化以外，還需要考慮成本、脫除效率、反應條件、設備等因素。

［活動2］氧化吸收塔中吸收液pH 對脫硫脫硝效率的影響結果如圖3，請應用類價二維模型進行分析。

圖3 吸收液pH 對脫硫脫硝效率的影響

［匯報］pH 增大使HClO3的氧化性降低，降低了脫硫脫硝效率，兩者曲線均下降。吸收液pH 增大，溶液中OH-濃度增大，可以從類維對SO2進行吸收，但不能吸收NO，所以SO2脫除效率下降幅度相對較小。

［總結］類價二維是分析物質性質及其轉化的模型，但在實際問題中除了結合類價二維外，我們還需要結合熱力學、動力學、綠色化學、工程思維等。

三、項目教學反思

（一）依托活動進階，突破模型認知

項目以構建學生對于元素化合物知識的理解模型為目標，將具體的知識賦予于不同的情境中，設問層層遞進，首先在任務一中建立認識SO2性質及不同價態含S 元素物質間轉化的類價二維模型；其次在任務二中進一步理解、應用模型，最后在任務三中應用模型分析氯酸同時脫硫脫硝。在這些任務的參與中，學生不僅構建了認知模型，同時在模型的應用、升華過程中，也發展了變化觀念與模型建構的核心素養。

（二）關注學生主體，塑造認知視角

項目式學習倡導以學生為主體，讓學生在真實的問題情境中去實踐，并在探究和解決問題的過程中獲得基本知識和技能、關鍵能力和必備品格。［4］本項目基于建構主義理論進行知識抽提、問題拆解、活動設計、會話研討并最終實現意義建構。考慮到學生的已有知識水平，本項目重點聚焦物質的理論轉化，還未對物質實際轉化所涉及的熱力學、動力學、分離提純、綠色化學等知識進行分析，因此建議在高中化學（必修一）模塊復習階段或高三化學一輪復習元素化合物模塊使用本項目教學。

（三）注重教學實踐，遷移項目模型

本項目在教學實踐過程中在實驗班采取項目式教學，在普通班采取常規教學，對比發現實驗班學生對于元素化合物知識的認知更為深入，對陌生情境下元素化合物知識的分析準確、角度多維，知識的類比遷移等能力更勝一籌。學生的學習是有階段性的，教學也要注重階段性與適應性，元素化合物知識不僅承載著物質轉化問題，背后還蘊藏著更深層次的化學反應原理知識，我們可以基于此項目進一步設計更為深入的任務、活動，從情境中抽提出實際轉化所需探討的核心知識及思維，如反應限度、反應速率、工業生產條件選擇、工程思維等，不斷遷移，幫助學生建構更多的認知模型，提升學生的高階思維，實現深度學習。