科學(xué)精神視域下二氧化碳甲醇化微項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐

史培艷 劉翠

摘要：科學(xué)精神是指批判、求實(shí)、實(shí)證、創(chuàng)新、協(xié)作等精神，是高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)5大維度之一的“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的重要內(nèi)涵之一。以CO2甲醇化微項(xiàng)目為主線，利用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理分析化學(xué)反應(yīng)的方向、限度、速率、機(jī)理，基于數(shù)據(jù)、圖式、理論等求實(shí)、求證、創(chuàng)新，突顯微項(xiàng)目教學(xué)對科學(xué)精神獨(dú)特的培育價(jià)值。

關(guān)鍵詞：科學(xué)精神；二氧化碳甲醇化；微項(xiàng)目教學(xué)；化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2022）02-0058-05中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.012

一、科學(xué)精神的內(nèi)涵

從認(rèn)識論角度，任鴻雋提出“科學(xué)精神”即“求真理”；竺可楨指出“科學(xué)精神”即“求是”。從方法論角度，波普爾（奧）指出“科學(xué)精神”即“質(zhì)疑和批判”。從社會規(guī)范角度，庫恩（美）指出科學(xué)精神的核心是“求證”。科學(xué)精神是科學(xué)在其歷史發(fā)展中形成的思維方式、價(jià)值取向、行為規(guī)范和傳統(tǒng)的總和，是指人們在科學(xué)活動(dòng)中具備的意識和態(tài)度，是科技工作者所應(yīng)有的信念、意志、氣度、品質(zhì)、責(zé)任感和使命感[1]。新時(shí)代下的科學(xué)精神內(nèi)涵主要是指求知探索、求真求實(shí)、懷疑批判、開拓創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、敬業(yè)獻(xiàn)身等精神。科學(xué)精神是指批判、求實(shí)、實(shí)證、創(chuàng)新、協(xié)作等精神，是高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成。

二、科學(xué)精神的培育價(jià)值

十九大報(bào)告中，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)“建設(shè)科技強(qiáng)國，弘揚(yáng)科學(xué)精神”。化學(xué)是材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)，是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)、發(fā)展素質(zhì)教育、弘揚(yáng)科學(xué)精神、提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體[2]。在化學(xué)教學(xué)過程中培育學(xué)生科學(xué)精神，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的好奇心、興趣和積極性，有利于提升學(xué)習(xí)化學(xué)的效率和效能，有利于培育學(xué)生批判、探索、求證、創(chuàng)新等科學(xué)精神。

在二氧化碳甲醇化微項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐中，通過觀看習(xí)近平總書記應(yīng)對氣候變化新舉措和科學(xué)家把二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇視頻，學(xué)生了解“碳中和”方法，辯證看待CO2，CO2不僅是溫室氣體，更是重要的碳能源，培育學(xué)生辯證批判精神。通過小組合作討論二氧化碳甲醇化進(jìn)階化問題，培養(yǎng)學(xué)生探索、協(xié)作精神；通過二氧化碳甲醇化綜合問題研討，融合核心價(jià)值、核心素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識，實(shí)現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)、學(xué)科精神、學(xué)科育人的有效整合。

三、教學(xué)案例

1.二氧化碳甲醇化進(jìn)展

化學(xué)上，利用加氫催化、電催化、光催化等將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)原料，如利用廢氣二氧化碳制備甲醇是實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)、碳中和的重要途徑。

1927年，美國最早利用二氧化碳加氫催化制備甲醇，主要利用ZnO-Cr-Cu催化劑，甲醇的產(chǎn)率為68%[3]。1972年，日本首次利用光照射TiO2電極分解水制氫還原二氧化碳合成甲醇[4]。二氧化碳甲醇化的關(guān)鍵是激活惰性氣體二氧化碳，找到高效的催化劑是激活二氧化碳的最好方法。經(jīng)過科學(xué)家的長期探索與研究，目前使用的催化劑主要有Cu基催化劑、貴金屬催化劑、In2O3催化劑等。2009年，日本三井化學(xué)公司制備甲醇，耗二氧化碳約100 t/年[4]。2012年，碳循環(huán)國際公司CRI耗二氧化碳約5600 t/年，目前年耗二氧化碳5萬—10萬噸[4]。2016年中科院山西煤炭化學(xué)研究所和中科院上海高等研究院利用單管試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)二氧化碳加氫制甲醇，2018年中科院大連化學(xué)物理研究所采用“液態(tài)陽光”二氧化碳加氫合成甲醇，2019年河南順成集團(tuán)引進(jìn)CRT技術(shù)實(shí)現(xiàn)二氧化碳加氫制甲醇，2020年國內(nèi)首套二氧化碳加氫制甲醇的工業(yè)裝置開工[5]……

2.微項(xiàng)目主題分析

“二氧化碳甲醇化”微項(xiàng)目是對《化學(xué)反應(yīng)原理》中反應(yīng)方向、限度、速率、機(jī)理核心知識的綜合復(fù)習(xí)。通過熱力學(xué)原理判斷反應(yīng)的方向和限度；通過動(dòng)力學(xué)原理判斷轉(zhuǎn)化率、脫除率、去除率、產(chǎn)率等“率”的影響因素（本質(zhì)是化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素）和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

高三學(xué)生學(xué)完所有模塊化學(xué)知識，已經(jīng)具備知識關(guān)聯(lián)化建構(gòu)能力，但在解決綜合性、主題化習(xí)題時(shí)，不能完整的作答，缺乏科學(xué)性。通過微項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐，和學(xué)生共同把化學(xué)核心價(jià)值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知識融合于知識結(jié)構(gòu)和思維認(rèn)知模型中，提升學(xué)生的復(fù)雜問題解決能力[6]和高階思維能力[7]。

3.微項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

（1）通過“碳中和”途徑之一碳循環(huán)，從化學(xué)學(xué)科本質(zhì)角度認(rèn)識化學(xué)對社會可持續(xù)發(fā)展的價(jià)值；通過二氧化碳功與過，培育學(xué)生辯證批判精神。

（2）根據(jù)熱力學(xué)中吉布斯自由能變探索二氧化碳甲醇化的可能性，診斷學(xué)生利用數(shù)據(jù)和理論判斷化學(xué)反應(yīng)方向的能力，培育學(xué)生質(zhì)疑、求實(shí)精神。

（3）利用熱力學(xué)中勒夏特列原理分析二氧化碳甲醇化平衡移動(dòng)方向，探析濃度、壓強(qiáng)、溫度對化學(xué)平衡移動(dòng)方向和轉(zhuǎn)化率的影響，培育學(xué)生探索、求證精神。

（4）利用動(dòng)力學(xué)原理分析、解決二氧化碳甲醇化“率”的歸因問題，從宏觀到微觀分析反應(yīng)機(jī)理，構(gòu)建思維認(rèn)知模型，發(fā)展學(xué)生宏觀辨識、微觀探析、證據(jù)推理、模型認(rèn)知素養(yǎng)和科學(xué)思維能力，培育學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作、專心致志、嚴(yán)謹(jǐn)不茍和遷移創(chuàng)新的科學(xué)精神。

4.微項(xiàng)目教學(xué)流程（圖1）

5.微項(xiàng)目教學(xué)過程

（1）任務(wù)1：辯證看待，理性批判

二氧化碳被認(rèn)為是引發(fā)全球氣溫升高、沙漠化加劇、多種生物面臨滅絕、多種氣候事件頻發(fā)的“罪魁禍?zhǔn)住薄?021年4月22日（世界地球日）習(xí)近平總書記根據(jù)氣候問題進(jìn)一步提出到2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前達(dá)到碳中和。從化學(xué)學(xué)科角度，將二氧化碳資源化，轉(zhuǎn)化為清潔能源是重要的碳中和方法。研究者受植物光合作用啟發(fā)將二氧化碳加氫催化，目前能將二氧化碳按每年萬噸單位計(jì)量轉(zhuǎn)化為甲醇。

【驅(qū)動(dòng)問題】如何看待二氧化碳？二氧化碳是一種惰性的氧化物，能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物嗎？

【學(xué)生匯報(bào)】需辯證看待二氧化碳，它不僅是一種溫室氣體，還是一種重要的碳資源。根據(jù)二氧化碳甲醇化進(jìn)展，說明一定條件下二氧化碳可以轉(zhuǎn)化為低碳的有機(jī)物。

（2）任務(wù)2：探索趨勢，析因求實(shí)

【驅(qū)動(dòng)問題】二氧化碳加氫催化合成甲醇的工業(yè)化優(yōu)勢如何？如何分析？

【提供信息】

圖2及表1數(shù)據(jù)資料。

【活動(dòng)1】根據(jù)資料1，利用吉布斯自由能變探索二氧化碳甲醇化的方向。

【學(xué)生匯報(bào)】根據(jù)數(shù)據(jù)求實(shí)。△H=-48.97 kJ·mol-1<0，反應(yīng)放熱，體系的能量降低，具有自發(fā)傾向；△S=-177.16 J·mol-1·K-1<0，體系的熵減，具有非自發(fā)傾向；根據(jù)吉布斯自由能變方程計(jì)算，△G=△HT△S =[-48.97-298×（-177.16）×0.001]KJ·mol- 1≈3.82 KJ·mol-1>0，非自發(fā)；若想自發(fā)進(jìn)行，需降低溫度。

【教師評價(jià)和追問】大家能利用焓變和熵變綜合判斷等溫、等壓條件下反應(yīng)的方向。△G<0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；△G>0，反應(yīng)非自發(fā)進(jìn)行；△G=0，反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)[9]。除了用吉布斯自由能變判斷反應(yīng)的方向，還有什么方法？

【學(xué)生匯報(bào)】用化學(xué)平衡常數(shù)判斷。化學(xué)平衡常數(shù)越大，反應(yīng)進(jìn)行的程度就越強(qiáng)。通過濃度商Q與化學(xué)平衡常數(shù)K大小比較判斷反應(yīng)的方向。QK，反應(yīng)逆向進(jìn)行；Q=K，反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡[9]。

【活動(dòng)2】根據(jù)圖2和表1數(shù)據(jù)，根據(jù)勒夏特列原理探索反應(yīng)條件對平衡移動(dòng)的影響。

【學(xué)生匯報(bào)】根據(jù)圖2數(shù)據(jù)變化趨勢知：增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增大；520 K之前，溫度升高，反應(yīng)物濃度和溫度協(xié)同作用，反應(yīng)正向進(jìn)行，甲醇產(chǎn)率升高[9]；因?yàn)樵摲磻?yīng)正向放熱，逆向吸熱，濃度和溫度競爭作用，溫度影響強(qiáng)于濃度影響，520 K之后，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，甲醇產(chǎn)率降低；表1中數(shù)據(jù)得知，n（H2）：n（CO2）值增大，平衡正向移動(dòng)，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率升高[9]，即增大一種反應(yīng)物濃度，另一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率增大，因n（H2）：n（CO2）值起始時(shí)較小，甲醇的物質(zhì)的量增大程度較大，甲醇平衡時(shí)物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)先增大，當(dāng)n（H2）：n（CO2）值增大程度大于甲醇物質(zhì)的量增大程度，甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)又減小，所以甲醇平衡時(shí)物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)先增大后減小。

[教師評價(jià)并小結(jié)]大家能根據(jù)數(shù)據(jù)和圖式信息判斷平衡移動(dòng)的方向，實(shí)質(zhì)是根據(jù)勒·夏特列平衡移動(dòng)原理來判斷。

（3）任務(wù)3：宏微探析，精準(zhǔn)求證

【活動(dòng)1】根據(jù)圖2、表1數(shù)據(jù)，從動(dòng)力學(xué)角度對二氧化碳轉(zhuǎn)化率和甲醇產(chǎn)率進(jìn)行歸因。

【學(xué)生匯報(bào)】從動(dòng)力學(xué)角度對轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率等進(jìn)行歸因，本質(zhì)上是分析濃度、催化劑、溫度、壓強(qiáng)、接觸面等外界因素對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。增大濃度，單位體積內(nèi)活化分子數(shù)增多，有效碰撞頻率增大，反之減小；升高溫度，增大單位體積內(nèi)活化分子百分?jǐn)?shù)，反之，減小；增大氣體壓強(qiáng)，相當(dāng)于增大氣體反應(yīng)物濃度，有效碰撞頻率增大，反之減小；使用催化劑，降低活化能；增大接觸面，有效碰撞次數(shù)增多[9]。

【教師評價(jià)和追問】大家能從動(dòng)力學(xué)中碰撞理論對化學(xué)反應(yīng)速率歸因。其中催化劑組成不同對甲醇產(chǎn)率和選擇性有何影響？如何從微觀角度分析CO2催化加氫合成CH3OH的機(jī)理？

【提供信息】

資料2：Cu基催化劑主要用于CO2加氫制甲醇，已工業(yè)化約50年，在220-300℃和5-10 MPa條件下，CO2的轉(zhuǎn)化率高，甲醇的選擇性和產(chǎn)率很高[8]（表2）。

催化劑表面氣相反應(yīng)歷程為吸附、表面反應(yīng)、脫附、擴(kuò)散[10]。多名研究者利用不同實(shí)驗(yàn)手段和理論研究CO2催化加氫合成CH3OH的機(jī)理。如圖3（其中吸附在催化劑表面的物種用*標(biāo)注）和圖4[11]。

【活動(dòng)2】分析催化劑不同組成對反應(yīng)影響及催化機(jī)理

【學(xué)生匯報(bào)】催化劑的組成不同，催化活性不同，組成改變會影響甲醇的產(chǎn)率和選擇性。

【學(xué)生匯報(bào)】從過渡態(tài)理論角度分析：銅基催化劑吸附的CO2加氫先生成C-H鍵（*HCOO），*HCOO加氫轉(zhuǎn)化為*H2COO（二氧亞甲基），*H2COO失氧轉(zhuǎn)化為*H2CO（甲醛），*H2CO加氫轉(zhuǎn)化為*H3CO（甲氧基），*H3CO加氫轉(zhuǎn)化為CH3OH。

（4）學(xué)以致用，遷移創(chuàng)新

利用機(jī)理認(rèn)知模型遷移應(yīng)用到新問題中，如圖5，學(xué)生寫出用二氧化碳在Na-Fe3O4/HZSM-5催化劑上生成汽油C8H16的化學(xué)方程式。

6.教學(xué)效果和反思

本節(jié)課借助二氧化碳甲醇化微項(xiàng)目，從工業(yè)原料、生產(chǎn)條件、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)角度探索二氧化碳甲醇化的方向、限度、快慢、機(jī)理。學(xué)生宏觀上明白“率”的影響因素，學(xué)會歸因；微觀上明白反應(yīng)機(jī)理，學(xué)會符號表征。學(xué)生在質(zhì)疑、求實(shí)、求證中構(gòu)建思維認(rèn)知模型，外顯二氧化碳甲醇化分析過程，如圖6。

從學(xué)生的匯報(bào)和成果可以得出，學(xué)生能夠判定指定條件下反應(yīng)的方向、限度，學(xué)會平衡移動(dòng)方向、速率單方歸因。提高原料轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率的條件相沖突時(shí)，學(xué)生不能全面的綜合考慮因素進(jìn)行歸因。

四、微項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐對科學(xué)精神培育的獨(dú)特價(jià)值

微項(xiàng)目教學(xué)是以微項(xiàng)目為載體，在真實(shí)情境中小組合作探究學(xué)習(xí)，構(gòu)成要素為情境、內(nèi)容、活動(dòng)、結(jié)果。

微項(xiàng)目教學(xué)為科學(xué)精神培育提供真實(shí)實(shí)踐情境場所，激奇生趣，探中求知。好奇心是“科學(xué)家的美德”，也是學(xué)生求索的動(dòng)力。學(xué)生因奇生趣，就會有探索的欲望，敢于懷疑、批判、求是。約西亞·威拉德·吉布斯（美）因好奇“冷水為什么不能把熱量傳給熱水”而提出“混亂度”，進(jìn)而提出反應(yīng)方向判斷依據(jù)。

微項(xiàng)目教學(xué)不僅授知識、傳技能，重在于啟智慧、出作品、提精神、育素養(yǎng)。著名的科學(xué)史學(xué)家薩爾頓（美）在《科學(xué)史導(dǎo)論》中指出：“單純教授科學(xué)知識和專業(yè)訓(xùn)練，則學(xué)習(xí)科學(xué)無教育價(jià)值。”學(xué)科知識不能脫離科學(xué)精神，脫離科學(xué)精神的學(xué)科教育“無神、無魂”。微項(xiàng)目教學(xué)融入科學(xué)精神，淡化應(yīng)試教育理念，利于素質(zhì)教育的實(shí)施、發(fā)展。

在探索活動(dòng)中，既能感受到探索的樂趣，也能激發(fā)創(chuàng)新的靈感。勒·夏特列通過改變外因研究化學(xué)反應(yīng)“產(chǎn)率”提高規(guī)律，從而總結(jié)出勒·夏特列原理。在探索活動(dòng)中，學(xué)生主動(dòng)求知、大膽懷疑、獨(dú)立思索、批判求是、不斷創(chuàng)新、協(xié)作共進(jìn)等科學(xué)精神得到發(fā)展。小組合作學(xué)習(xí)，不同智慧集中，慧出預(yù)想的作品。

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