基于真實情境的高三化學復習教學重構(gòu)
———以“汽車尾氣凈化技術(shù)”專題復習教學為例

◇ 北京 賀 新

《普通高中化學課程標準(2017 年版)》(以下簡稱“課程標準”)明確提出,真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺,為學生化學學科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機會.因此,落實學科核心素養(yǎng)的課堂教學,要求教師積極創(chuàng)設真實且富有價值的問題情境,比如“汽車尾氣及其危害”以及尾氣處理的問題,通過具體的問題解決任務,促使學生查閱文獻、設計實驗探究等,在問題解決過程中提升學生的化學學科核心素養(yǎng).

傳統(tǒng)的高三化學復習教學往往采用平鋪直敘的復習方式.教師引領(lǐng)學生將相關(guān)知識進行整合之后,即進入習題訓練.高三復習課普遍存在以下問題：考點清單化,知識習題化;模式單一化,知識碎片化;課堂去情境化,能力應用薄弱化等.長此以往,將導致知識和考題兩張皮,降低學生對化學的學習興趣,不利于落實學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

1 問題背景

課程標準在每一主題下基本都提供了“情境素材建議”,這為教師設計基于真實情境的教學提供了豐富的教學資源,有利于教師在日常設計教學情境的時候進行參照.然而,高三化學復習教學與新授課的教學不同,復習課的教學要與高考對接,沒有直接的教材參照,并且知識整合程度大,對學生高階能力的發(fā)展有進一步的要求.因此,高三復習教學中所使用的情境素材要更貼近真實世界,更注重知識和能力的綜合運用,這需要教師在查閱文獻的基礎上進行教學情境設計的再創(chuàng)造.已有研究中,PISA 測試的試題往往是用一個情境包含若干問題,這既將問題的解決考查寓于情境中,又減少了學生閱讀信息所花費的時間.借鑒PISA 測試的這一理念,在復習課的教學設計中應注重選擇和應用與教學內(nèi)容相關(guān)的情境,讓學生在情境中學習和應用知識,避免過多的簡單記憶與習題訓練,引導學生逐步學會在新情境下解決問題.

在高三化學一輪復習階段,借助“汽車尾氣凈化技術(shù)”這一情境進行專題復習,將高中選修的化學與社會、化學與技術(shù)主題模塊相結(jié)合,能夠讓學生深刻認識和感受化學反應原理在技術(shù)創(chuàng)新中的價值.從技術(shù)的視角看,汽車尾氣凈化技術(shù)與選修的化學與社會、化學與技術(shù)屬于綜合性的主題,既與化學學科相關(guān),又同時聯(lián)系社會、聯(lián)系生活實際.選擇這樣的綜合主題,既有利于提升學生解決實際問題的能力,又符合高考對學生接受、吸收、整合化學信息,分析和解決化學問題能力的測試要求.

2 教學思路與過程

心理學研究表明,學生的抽象邏輯思維能力在高中階段到達成熟期,一般到高三趨近高峰,這就為教師在設計教學時提出學生能力素養(yǎng)發(fā)展上的高水平要求提供了前提.“汽車尾氣凈化技術(shù)”,這個話題離學生既近又遠,“汽車尾氣”近,而“技術(shù)”遠,如何將遠的“技術(shù)”和學生拉近,這是本節(jié)教學存在的難點.綜合上述情境選擇、學科特點和學生發(fā)展這3 個方面的分析,設計了如下“汽車尾氣凈化技術(shù)”專題復習教學.

2.1 教學目標設計

在選擇和設計情境、進行學科和學生學習基礎與困難分析的基礎上,教師設計了“汽車尾氣凈化技術(shù)”專題復習教學目標,包括：

1)明確在汽車尾氣的產(chǎn)生和凈化中涉及的化學反應,深刻體會物質(zhì)變化是有條件的,每一次技術(shù)的改進與創(chuàng)新都是基于化學反應原理的.

2)能夠運用已有的反應原理方面的知識和能力,對汽車尾氣處理的相關(guān)技術(shù)作出合理的分析和評價,在此基礎上感受和認識化學反應原理在技術(shù)創(chuàng)新過程中的意義和價值.

3)發(fā)展從提供的文獻中提取有用的化學信息,運用相關(guān)的知識分析、綜合、比較、論證和解決實際化學問題的能力.

4)關(guān)注與化學有關(guān)的科學技術(shù)、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,增強社會責任感.

2.2 教學整體思路設計

課程運用“汽車尾氣凈化技術(shù)”這樣真實的情境,將氧化還原和相關(guān)的反應原理等化學知識“包裝”起來,教師選擇汽車尾氣凈化技術(shù)包含化學反應原理和技術(shù)這樣綜合的主題,不僅有利于學生將已有的原理和技術(shù)方面的知識學以致用,而且在思考并回答教師圍繞汽車尾氣凈化技術(shù)設置的層層遞進的問題過程中,引導學生從教師提供的文獻資料中提取有用的化學信息,對汽車尾氣處理的相關(guān)技術(shù)作出合理的分析、比較和評價,學生能深刻體會到,物質(zhì)變化是有條件的.讓學生關(guān)注到與化學有關(guān)的科學技術(shù)、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,這樣的教學大大增強了學生的社會責任感,同時在解決問題的過程中將知識轉(zhuǎn)化為能力,把能力逐漸內(nèi)化為學生的化學學科素養(yǎng).

2.3 教學過程設計

課程通過設置4個驅(qū)動性問題：汽車尾氣的成分及產(chǎn)生的原因是什么? 減少汽車尾氣可以采取的途徑有哪些? 尾氣有沒有更徹底的去除方法? 使用新能源汽車是否絕對環(huán)保,不帶來任何環(huán)境污染問題?讓學生既明確了汽車尾氣的產(chǎn)生和凈化中涉及的化學反應,同時,深刻體會到物質(zhì)變化是有條件的,認識到每一次技術(shù)的改進與創(chuàng)新都是基于化學反應原理.上述這4個問題分別對應了課程所蘊含的問題解決過程,即提出問題、解決問題、深化問題和總結(jié)反思.

1)提出問題

[教師]展示圖片,汽車的快速發(fā)展為人們帶來極大便利的同時,也給環(huán)境帶來了污染問題.

問題1：汽車尾氣的成分及產(chǎn)生的原因是什么?

[學生]看、聽、思考、討論并回答：在發(fā)動機中燃料的不完全燃燒產(chǎn)生HC(碳氫化合物,簡稱為HC,下同)/CO,以及C等固體顆粒;同時在電火花的作用下,空氣中的N2和O2反應產(chǎn)生NOx;另外,在尾氣的處理裝置中,發(fā)動機中產(chǎn)生的CO、HC、NOx等氣體沒有完全被凈化.

設計意圖：從學生熟悉的汽車出發(fā),讓學生切實感受到汽車在給人們帶來便利的同時也給環(huán)境帶來了污染,并從尾氣產(chǎn)生的源頭即發(fā)動機及后續(xù)處理裝置兩個視角思考尾氣產(chǎn)生的原因;初步感知這些污染問題可以用化學的方法加以處理和解決.

2)解決問題

[教師]根據(jù)尾氣產(chǎn)生的成因提出問題.

問題2：減少汽車尾氣可以采取的途徑有哪些?

[學生]學生根據(jù)已有的知識和經(jīng)驗思考并回答：首先可選用新能源汽車、清潔燃料汽車.

[教師]追問：尾氣在發(fā)動機中產(chǎn)生,能否從發(fā)動機入手減少尾氣的生成?

[教師]展示圖片：廢 氣 再 循 環(huán) 技 術(shù)(EGR)(如圖1).

[學生]簡單描述廢氣再循環(huán)技術(shù)的原理及優(yōu)缺點.優(yōu)點是：顯著降低了NOx的濃度.缺點是：燃燒不充分,CO、HC增多.

[教師]追問：稀薄燃燒技術(shù)是一項能夠減少汽車尾氣的新技術(shù),它的優(yōu)勢是什么?

圖1 廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR)

[教師]展示資料：稀薄燃料技術(shù).

[學生]閱讀、分析,回答：燃燒效率高,經(jīng)濟性好,降低汽車尾氣污染.

[教師]小結(jié)：解決尾氣,可以從產(chǎn)生的“源頭”發(fā)動機入手.第一,換發(fā)動機(比如電動車)或使用清潔燃料;第二,調(diào)整發(fā)動機工作參數(shù)(空燃比),還有廢氣再循環(huán)技術(shù)或稀燃技術(shù).另外,增加尾氣處理裝置.

[教師]展示圖片：三元催化器(如圖2).

圖2 三元催化器

[學生]簡單描述三元催化器的原理及優(yōu)缺點.優(yōu)點是：空燃比恰當?shù)臈l件下,降低了CO、HC、NOx的濃度.缺點是：CO、HC、NOx依然存在.

設計意圖：學生運用已有的氧化還原等反應原理,即尾氣中CO、HC 需要氧化劑加以消除,NOx則需要還原劑來消除,初步建立起分析和解決尾氣問題的視角.進而對汽車尾氣處理的相關(guān)技術(shù)作出合理的分析和評價,在此基礎上感受和認識到化學反應原理在技術(shù)創(chuàng)新過程中的意義和價值.

3)深化問題

[教師]根據(jù)對尾氣成因及已有方法優(yōu)缺點的分析提出問題.

問題3：尾氣有沒有更徹底的去除方法?

[教師]展示資料：選擇性催化還原(SCR)技術(shù).

選擇性催化還原(SelectiveCatalyticReduction,SCR)是指排氣中本身有還原性質(zhì)的有機物如烴類或另外添加還原劑(氨氣或是尿素的水溶液等),在氮氧化物濃度遠遠低于排氣中氧氣濃度的情況下,利用催化劑的催化作用,高選擇性地優(yōu)先將氮氧化物還原為氮氣的技術(shù).

SCR 系統(tǒng)設計中的關(guān)鍵在于選取合適的催化劑和還原劑.目前應用的還原劑主要為各種氨類物質(zhì)(如尿素、氨氣等)和各種烴類等.早在20世紀60年代,以NH3作為還原劑的選擇性催化還原技術(shù)(NH3-SCR)就得到了應用,但是氨存在強刺激性與毒性,因而以尿素(32.5% 的尿素水溶液)代替氨選擇性催化(Urea-SCR)還原柴油機排氣中的NOx成為研究者更為普遍的選擇.尿素進入尾氣中會反應釋放出氨氣,氨氣在催化劑的作用下會優(yōu)先選擇與NOx發(fā)生反應從而減少尾氣中的NOx排放.但是SCR 系統(tǒng)容易造成氨氣的泄漏,因此最后經(jīng)常會加裝氧化裝置將多余的氨氣去除(如圖3).

圖3 選擇性催化還原(SCR)技術(shù)

采用NH3對 NOx的選擇性還原,是SCR 技術(shù)消除一些固定源中氮氧化物污染(如發(fā)電廠排放的氮氧化物)的一項較為成熟的技術(shù),但是在發(fā)動機上應用有自身明顯的缺點：該技術(shù)需要更大的安裝空間;氨氣本身具有極強的腐蝕性,容易造成設備的損壞,從體積和成本方面考慮,該系統(tǒng)均不利于在小型汽油機上應用.

[學生]閱讀、思考并回答：SCR 技術(shù)可有效去除稀燃尾氣中的NOx.

[教師]追問：SCR 技術(shù)有哪些優(yōu)勢與不足?

[學生]優(yōu)勢是可有效去除稀燃尾氣中的NOx,但占用空間大、設備維護成本高,不適合小型汽油車使用.

[教師]追問：能否同時去除CO、HC、NOx?

[教師]展示資料：NOx存儲還原(NSR)技術(shù).

NOx存儲還原(NOxStorage/Reduction,NSR)技術(shù),指調(diào)節(jié)發(fā)動機使其處于稀燃和濃燃周期性交替的工作方式,尾氣處理裝置在稀燃期吸附NOx,在濃燃期脫附存儲的NOx并利用尾氣進行還原.以已經(jīng)得到商業(yè)化的催化劑Pt/BaO/Al2O3為例,反應機理如圖4所示(圖中R 為還原性氣體).

圖4 NOx 存儲還原(NSR)技術(shù)

其氮氧化物存儲還原過程主要為：在稀燃條件下,NO 在貴金屬Pt上被氧化成NO2,NO2與相鄰堿性組分BaO 反應生成亞硝酸鋇Ba(NO2)2或硝酸鋇Ba(NO3)2而儲存起來;在富燃條件下硝酸鹽或亞硝酸鹽分解,釋放出NOx,被HC、CO 和 H2等還原劑還原為氮氣.

在存儲還原過程中主要發(fā)生的反應如下,反應方程式中的M 表示金屬元素.

由于發(fā)動機稀燃時間遠遠大于濃燃時間,NSR 能兼具稀燃發(fā)動機高能效和SCR 技術(shù)低排放的優(yōu)點.

[學生]閱讀、思考并回答：NSR 技術(shù)能兼具稀燃發(fā)動機高能效和SCR 技術(shù)低排放的優(yōu)點.

設計意圖：學生深刻意識到物質(zhì)變化是有條件的.學生從提供的文獻中提取有用的信息,辯證地分析和解決尾氣問題的原理方法及技術(shù)途徑,提升學生運用相關(guān)知識綜合分析、比較和論證解決實際化學問題的能力.

4)總結(jié)反思

[教師]小結(jié)汽車尾氣凈化的方法,提出問題.

問題4：使用新能源汽車是否絕對環(huán)保,不帶來任何環(huán)境污染問題?

[學生]思考：新能源汽車制造、回收過程中的污染問題不能忽視.

設計意圖：學生持續(xù)關(guān)注與化學有關(guān)的科學技術(shù)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的問題,增強社會責任感.

3 教學反思與啟示

在高三第一輪復習課上,如何將汽車尾氣凈化技術(shù)的改進和發(fā)展歷程這一真實情境用好? 如何讓學生在進一步應用并鞏固核心知識的同時,關(guān)注與化學有關(guān)的科學技術(shù)、社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,提升解決問題的能力;促進模型認知、創(chuàng)新意識、社會責任等化學學科核心素養(yǎng)的落實?

在教學設計和實施中,教師嘗試運用驅(qū)動性問題,將尾氣凈化工作原理直觀化,并整合相關(guān)文獻素材等策略進行了教學難點的突破.

3.1 創(chuàng)設驅(qū)動性問題情境,提升學生解決實際問題的能力

驅(qū)動性問題是那些事先設計的、能夠推動課堂教學進行的、促進學生思考與探究活動開展的問題.好的驅(qū)動性問題應該具有可行性、有價值、情境化、有意義、可持續(xù)性的特點.在課堂教學中運用驅(qū)動性問題,不僅可以提高學習興趣,保持注意力的穩(wěn)定,促進思維的發(fā)展,更重要的是可以讓學生學會如何學習,如何思考,變被動學習為主動學習.課程首先通過展示汽車的快速發(fā)展圖片,從學生熟悉的汽車出發(fā),讓學生切實感受到化學在給人們帶來便利的同時也給環(huán)境帶來了污染問題,很自然地提出問題1：汽車尾氣的成分及產(chǎn)生的原因是什么? 此問題旨在讓學生關(guān)注化學、社會和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展,引發(fā)學生的思考.在此基礎上提出問題2：減少汽車尾氣可以采取的途徑有哪些? 以此問題調(diào)動學生已有的知識和經(jīng)驗,讓學生運用已有的原理和技術(shù)方面的知識和能力,回答可以從發(fā)動機和尾氣處理兩個方面解決.問題3的提出是在學生提到的三元催化轉(zhuǎn)化尾氣裝置之后,在人教版《選修1》中簡單敘述了汽車三元催化轉(zhuǎn)化的工作原理,因此學生提到三元催化轉(zhuǎn)化是在情理之中,但是學生的認識是不深入的、模糊的.首先,學生會認為CO、HC、NOx在三元催化轉(zhuǎn)化裝置中同時發(fā)生了反應;其次,學生會認為經(jīng)過三元催化轉(zhuǎn)化之后的氣體“清潔”了.鑒于此,利用三元催化轉(zhuǎn)化裝置工作原理示意圖進行分析和講解,盡管在催化劑催化作用下提高了CO、HC、NOx等氣體的轉(zhuǎn)化效率,但是CO、HC、NOx并不能完全轉(zhuǎn)化為無毒的氣體.在此基礎上自然就會提出問題3：尾氣有沒有更徹底的去除方法?以及能否同時去除CO、HC、NOx? 最后提出問題4：使用新能源汽車是否絕對環(huán)保,不帶來任何環(huán)境污染問題? 這4個問題驅(qū)動了學生深入思考,并運用已有的相關(guān)知識和經(jīng)驗,進行分析、比較和論證,進而提升學生解決實際問題的能力,提高化學學科核心素養(yǎng).

3.2 利用直觀化的圖片情境,提升學生解決實際問題的能力

“汽車尾氣凈化技術(shù)”,離學生既近又遠,“汽車尾氣”近,而“技術(shù)”遠,如何將遠的“技術(shù)”和學生拉近?在課堂中教師將尾氣凈化技術(shù)改進和發(fā)展歷程中涉及的工作原理,利用示意圖將裝置工作原理直觀化,有效地將“遠”的技術(shù)與學生拉“近”,不斷深化學生的認識,提升學生模型認知的化學學科核心素養(yǎng).課程共展示了四次技術(shù)改進時涉及的工作原理示意圖,分別是廢氣再循環(huán)技術(shù)(圖1)、三元催化轉(zhuǎn)化技術(shù)(圖2)、選擇還原(SCR)技術(shù)(圖3)、儲存還原(NSR)技術(shù)(圖4),每一次展示的示意圖各有側(cè)重.廢氣再循環(huán)技術(shù),結(jié)合工作原理裝置圖在簡單介紹原理后,帶著學生一起觀察分析廢氣再循環(huán)技術(shù)的優(yōu)缺點,為后續(xù)尾氣凈化技術(shù)的分析和評價奠定基礎.利用三元催化轉(zhuǎn)化裝置工作原理示意圖,是為了消除學生不清晰的認識,讓學生明確是NOx在Rh的催化下先還原并釋放N2和O2,而CO 和HC 等氣體是在Pd和Pt的催化下,結(jié)合O2發(fā)生了氧化反應,最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O,這樣的分析和講解有利于幫助學生深刻地認識和體會到物質(zhì)變化是有條件的.選擇還原(SCR)技術(shù)工作原理示意圖的呈現(xiàn),一方面是為了幫助學生理解文獻資料中描述的工作流程和原理,另一方面是為了幫助學生發(fā)現(xiàn)選擇還原(SCR)技術(shù)中的一些不足,為后續(xù)儲存還原(NSR)技術(shù)的提出埋下伏筆.最后儲存還原(NSR)技術(shù)工作原理示意圖的呈現(xiàn),不僅可以讓學生更好地結(jié)合已有的氧化還原等原理分析、理解此項技術(shù),而且在前面學習的基礎上,自然而然會對汽車尾氣處理的相關(guān)技術(shù)作出綜合的、全面的、合理的分析和評價,在此基礎上深刻地感受和認識到化學反應原理在技術(shù)創(chuàng)新過程中的意義和價值.

3.3 運用文獻資料情境,提升學生解決實際問題的能力

課程多次引入汽車尾氣凈化技術(shù)改進和發(fā)展歷程的文獻資料,教師課前將相關(guān)文獻資料進行了整合,為幫助學生解決汽車尾氣處理的相關(guān)技術(shù)問題,并對相關(guān)技術(shù)作出合理的分析、比較和評價,為切實提升學生解決真實問題的能力提供了素材.教師提出問題：“減少汽車尾氣可以采取的途徑有哪些?”學生回答可以從發(fā)動機和尾氣處理兩個方面解決,提出從“源頭”發(fā)動機入手,選用新能源汽車、清潔燃料汽車等方案.在學生回答的基礎上,教師利用文獻資料適時補充廢氣再循環(huán)技術(shù),結(jié)合工作原理裝置圖在簡單介紹原理后,帶著學生一起觀察分析廢氣再循環(huán)技術(shù)的優(yōu)缺點,為后續(xù)尾氣凈化技術(shù)的分析和評價奠定基礎.在教師深入追問“尾氣有沒有更徹底的去除方法?”和“能否同時去除CO、HC、NOx?”時采用這樣的教學方法,即為學生提供必要的文獻素材和裝置工作原理示意圖,通過學生的閱讀以及師生、生生間的討論,結(jié)合之前課上講解廢氣再循環(huán)技術(shù)和稀燃技術(shù)時的鋪墊,讓學生主動建構(gòu),形成解決問題的思路.學生能夠根據(jù)文獻來分析、闡釋數(shù)據(jù),得出結(jié)論,并能識別科學文獻中的假設、證據(jù)和推理是科學地闡釋數(shù)據(jù)和證據(jù)能力的重要表現(xiàn).高三復習課的功能定位,不僅要幫助學生整合原有的知識,更重要的是能夠從提供的文獻情境中提取有用的化學信息,運用已有的相關(guān)知識和經(jīng)驗,進行分析、比較和論證,進而逐漸形成解決實際問題的能力.