基于項目化學習的化學反應與能量單元復習課

賀陽

摘要：以微項目的形式將化學能與熱能、電能進行融合教學，通過對社會性議題“燃油車會‘消失’嗎”的討論，在證據(jù)推理、論證與反論證的過程中實現(xiàn)知識的結構化、在真實問題情境解決中實現(xiàn)用高階思維包裹低階思維，將學習素養(yǎng)轉化為持續(xù)的學習實踐，結合工程技術、經濟、環(huán)保，利用科學理論解決實際問題。

關鍵詞：燃油汽車；能源；化學能與熱能；電能；任務驅動

文章編號：1008-0546（2022）02-0076-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.017

本項目課題選自人教版高中化學第二冊第六章第一節(jié)化學與能量，是對研究與實踐欄目“了解車用能源”的改編。以真實的社會性議題為出發(fā)點，激發(fā)學生的認知沖突和探究欲望，引領學生對與化學有關的社會熱點問題做出正確的價值判斷，強化其社會參與意識，最終達到促進學生學科核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展的目的[1]。

一、驅動性問題的提出

以大慶油田為背景，百年油田自1959年以來已經過去60年，世界能源也面臨危機，有人說百年燃油時代將終結，燃油車將消失，各國政府也相繼出臺燃油車禁售時間表，中國海南2030年將禁售燃油車。那么燃油車真的會消失嗎？

二、項目解構、科學論證

項目實施計劃由教師與學生共同制定。在學生闡述自己觀點的過程中，提取出關鍵問題，例如：燃油車為什么要消失？傳統(tǒng)車用能源遇到哪些問題？用什么替代傳統(tǒng)車用能源？新能源汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展情況等。為了科學論證這個話題，我們需要對項目進行解構[2]，如圖1。

1.子項目一：車用能源的種類

第一小組學生結合工程技術、物理學知識，介紹了不同的驅動形式，匯報了車用能源的種類、能源轉化形式、車用燃料種類、汽油柴油標號的含義。燃油車是化學能轉化為機械能，純電動車是電能轉化為機械能，燃料電池汽車是化學能轉化為電能、電能轉化為機械能。

2.子項目二：為什么用醇化汽油替代傳統(tǒng)能源？

問題1：傳統(tǒng)能源面臨的問題有哪些？

學生觀點：石油是不可再生能源、傳統(tǒng)能源會引起環(huán)境污染、溫室效應等。教師進一步提供世界石油儲量、我國的能源結構、煤制油等資料。

問題2：汽車尾氣中有哪些污染？是如何產生的？會導致哪些環(huán)境問題？

學生觀點：酸雨、氮氧化合物及二氧化碳等。

學生會進一步提供論據(jù)，從價類二維角度（圖2）分析酸雨的產生，氮氧化合物和CO、碳氫化合物等成因，汽車尾氣管的高溫將空氣中的N2和O2反應生成NO，進一步氧化為NO2，再與水反應生成硝酸。另一組同學提出反對觀點，目前汽車尾氣管已經安裝三元催化轉化器，可將氮氧化物和CO轉化為綠色無污染的N2和CO2，因此汽車尾氣沒有污染。

在本輪學生觀點的碰撞中，我們發(fā)現(xiàn)學生已經建立了一定的物質轉化觀。教師繼續(xù)給出資料進行反論證，尾氣管會加速氨氣的排放，以促進學生更高階的物質轉化觀，發(fā)展科學素養(yǎng)。二氧化碳的排放，通過碳循環(huán)、巴黎協(xié)定，發(fā)展學生的科學發(fā)展觀，并指出催化劑的研究是一個極具魅力和應用前景的科研方向。

【資料】柴油車的脫硝裝置，用尿素CO（NH2）2做反應劑與氮氧化合物催化生成N2，但會出現(xiàn)尿素逃逸，分解產生氨。

汽車尾氣中除了氮氧化合物、碳氫化合物外，還有氨氣的存在。隨著三元催化轉化器的使用，機動車尾氣的氨排放量顯著增加，在發(fā)動機富燃料條件下運行會加速催化劑表面氨氣的反應過程。氨氣的生成過程歸功于NO和H2的反應，而H2來源于CO和H2O的反應[3]。

問題3：選擇替代能源時需要綜合考慮哪些問題？

學生觀點：熱值、低碳經濟、污染、來源、成本、安全等

學生結合熱值、低碳經濟、物質狀態(tài)、來源、環(huán)保等分析辛烷、甲烷、乙醇、氫氣的優(yōu)劣。通過計算相關數(shù)值，結合多種因素科學論證這個問題。

對于乙醇的優(yōu)點，教師提出是有人說碳零排放，激發(fā)學生的辯論意識，學生從守恒角度提出觀點不可能，并給出論據(jù)產物有二氧化碳。教師引導學生從乙醇可再生這個角度再分析（圖3），學生恍然大悟，進一步促進學生更高階的轉化觀和守恒觀。

教師進一步提出問題：你覺得乙醇燃料是否適合大規(guī)模推廣呢？

學生提出反對觀點：不行，黑龍江省和吉林省乙醇汽油站多、南方少，因為北大荒有糧。大部分乙醇來源于糧食，而中國是人口大國，乙醇燃料的應用會出現(xiàn)與人“爭糧”，使用乙醇燃料是要深思熟慮的。

問題4：對比蒸汽機、內燃機、燃料電池的能量轉化形式，從轉化效率、技術可行性等角度進行比較。

通過動畫演示三種裝置的工作原理，學生直觀的了解到能量轉化形式，從轉化效率、技術可行性角度進行論證。

3.子項目三：新能源汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展情況

問題1：新能源汽車的種類有哪些？

純電動、油電混、燃料電池汽車、增程式汽車等

問題2：結合電化學模型分析驅動電池的工作原理。

學生結合電化學分析模型分析燃料電池和鋰電池的工作原理：包括能量轉化形式、電流方向、閉合回路的形成，結合氧化還原反應分析物質的變化。以此進一步發(fā)展學生的學科素養(yǎng)-模型認知，運用所學知識解決實際問題的能力。

問題3：那你支持哪種新能源汽車呢？目前新能源汽車的優(yōu)點和存在的問題有哪些？

學生提出各自觀點，引出二者的優(yōu)劣。教師進一步指出這只是我們個人的觀念，國家層面呢？通過播放視頻“國器—中日車用能源，誰才是未來？”，幫助學生進一步了解中國和日本在新能源汽車上的不同路線及原因，發(fā)展學生的大局意識，政府所做出的決策一定是居于本國的國情，沒有孰優(yōu)孰劣之分，綜合考慮了科學技術與社會、環(huán)境、經濟、可持續(xù)發(fā)展等。

最后引出新能源汽車的發(fā)展將需要大量的電池研發(fā)人員，這是當代中國青年的責任使命與擔當。由學生進行介紹電池研發(fā)人員的工作、研發(fā)方向、薪資、大學對口專業(yè)、工作對口公司等。

結束語：前沙特阿拉伯石油部長曾說過：石器時代的結束不是因為石材的耗盡，而石油時代的終結也將在石油枯竭之前到來。

三、教學反思

1.注重學生實踐，關注學生實踐能力的提升

本節(jié)課以任務驅動為主線，有效地將能源、環(huán)境問題結合，在教學過程中，教師通過布置任務，組織學生查閱資料、辯證討論、歸納整理，模型分析燃料電池和鋰電池的工作原理，從能量轉化形式、電流方向、閉合回路的形成，進一步發(fā)展學生的模型認知素養(yǎng)，運用所學知識解決實際問題的能力。既能解決教學的重難點，又能培養(yǎng)學生科學探究的意識和能力。

2.注重學生自我評價，關注思維的進階提升

在每次運用核心知識解決具體問題后，都給學生提供了一個自我評測，讓學生了解自己的素養(yǎng)發(fā)展水平及目標。這個活動將工程技術、學科知識、社會問題結合起來，讓學生認識到在實際問題的解決過程中會面臨很多復雜情況，通過這個活動，鍛煉學生全面思考和分析問題的能力。在真實問題情境解決中實現(xiàn)用高階思維包裹低階思維，將學習素養(yǎng)轉化為持續(xù)的學習實踐。

參考文獻

[1]崔書菲.社會性科學議題在高中化學教學中的應用研究[D].煙臺：魯東大學，2020.

[2]夏雪梅.項目化學習設計[M].北京：教育科學出版社，2018.

[3]張昕，葉燕珠，劉建桂，等. STEM視域下高中化學“微項目”式學習實踐研究——以“論證重污染天氣‘汽車限行’的合理性”為例[J].福建基礎教育研究，2021（5）：118-120.

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