基于項目式教學進行模塊復習的實踐探索

武衍杰 江合佩 楊伏勇

摘要： 以化學反應原理助力“碳達峰、碳中和”為主題，運用項目式教學進行《化學反應原理》模塊的復習。以“什么是碳達峰、碳中和”“為什么提出碳達峰、碳中和”“如何實現碳達峰、碳中和”三個核心問題聚焦《化學反應原理》模塊中水溶液、熱力學、動力學、電化學等核心知識的遷移應用，彰顯化學學科價值。

關鍵詞： 項目式學習; 碳達峰、碳中和; 化學反應原理; 真實情境; 模塊復習

文章編號： 10056629（2022）06004008

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

復習課教學承載著整合知識、提升能力的價值，但上好復習課一直是一線教師的難題。特別是模塊復習課一般以綜合性習題講解為主，這種方式難以激發學生的學習興趣，學習的主動性難以發揮，也難以自主建構整合知識。項目式學習在實現學科知識、認識思路、學科觀念結構化方面具有獨特價值[1]。項目式學習倡導學生綜合利用所學知識解決陌生、復雜的問題，項目實施過程中學生調用結構化的學科知識和技能、學科思維方式以及學科價值觀念解決項目問題，形成能夠遷移應用的解決一類問題的思路和模型。本文以項目式教學的形式對高中《化學反應原理》模塊的復習進行探索。

1 項目教學主題分析

采用項目式教學進行模塊復習的關鍵是尋找合適的項目主題涵蓋模塊核心內容。《化學反應原理》模塊的核心內容包括水溶液、熱力學、動力學、電化學等知識。該模塊設置的目的在于引導學生進一步認識化學變化所遵循的基本原理，初步形成關于物質變化的科學觀念，了解化學反應中能量轉化所遵循的規律，贊賞運用化學反應原理對科學技術和人類文明所起的重要作用[2]。因此復習重點在于提升學生從原理層面對化學反應系統的、本質的認識，體現化學學科的社會價值。提出以化學反應原理助力“碳達峰、碳中和”為主題進行模塊復習具有如下優勢：

（1） “碳達峰、碳中和”是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，需要共同關注。特別是化學技術驅動“碳達峰、碳中和”是化學人必須思考的問題，這一主題可以體現化學學科價值，激發學生化學學習的動力。

（2） 從化學視角對“碳達峰、碳中和”這一素材解構可聚焦《化學反應原理》模塊的核心內容。如實現“碳達峰、碳中和”的化學路徑包括對CO2進行溶劑吸收、轉化利用等，而這些技術手段與熱力學、動力學、電化學等內容密切相關，可滿足整合模塊知識的要求。

（3） 該項目主題可在學生的深度參與中潛移默化地提升科學態度與社會責任感。如教學中針對“為什么提出碳達峰、碳中和”并不是直接呈現CO2過量排放帶來的系列問題，而是以具體探究“珊瑚礁的形成、消失與保護”任務為切入點，讓學生結合水溶液相關知識通過證據推理認同“碳達峰、碳中和”提出的意義。

2 項目教學目標

結合模塊復習要求，制定具體目標：

（1） 通過深度參與化學反應原理助力“碳達峰、碳中和”項目，體會化學學科在解決全球環境問題中的重要價值，增強化學學習興趣和社會責任感。

（2） 通過為什么提出“碳達峰、碳中和”任務，結合“水溶液”相關知識探究“珊瑚礁形成、消失、保護”問題，形成系統化、有序化的水溶液體系分析的一般思路。

（3） 通過如何實現“碳達峰、碳中和”任務，結合熱力學、動力學等相關知識探析化學溶劑吸收法、化學轉化利用法（非電化學轉化），建構工業生產條件選擇問題的一般思路。

（4） 結合熱力學、動力學、電化學相關知識探析化學轉化利用法（電化學轉化），鞏固并優化電化學認識模型，形成真實情境下分析物質轉化問題的思維模型。

3 項目任務及教學流程

遵循“是什么、為什么、怎么辦”的問題解決邏輯，將整個項目拆解為五個核心任務，分3個課時完成，各課時既具綜合性又有側重點，合力解決“碳達峰、碳中和”問題。如課時3重點指向“電化學”內容復習，但在項目推進過程中又涉及熱力學計算、動力學分析、電解質溶液知識等。整個項目在一個真實而有意義的主題下，打通了單元與單元間的界限，實現了模塊內綜合。教學流程如圖1所示。

4 項目實施及學生學習結果

4.1 什么是碳達峰、碳中和——了解碳達峰、碳中和的概念及提出背景

[情境導入]結合視頻或新聞引出“碳達峰、碳中和”項目主題（見圖2），提出問題“關于碳達峰、碳中和”你想了解什么？”，確定項目框架。

[學生匯報]遵循陌生問題解決邏輯，主要了解“什么是‘碳達峰、碳中和”“為什么提出‘碳達峰、碳中和”“如何實現‘碳達峰、碳中和”等問題。

[資料支持]提供主題相關資料[3]。

[學生]閱讀資料，了解主題背景及相關概念。

[教師過渡]近年來CO2過量排放引發了系列災難： 極端天氣、冰川消融、永久凍土層融化、珊瑚礁死亡等，“碳達峰、碳中和”就是在這樣的背景下提出的。可能單純地說這些問題，大家還不能真正建立兩者之間的關聯，下面以珊瑚礁死亡為例，體會“碳達峰、碳中和”提出的迫切性。

4.2 為什么提出碳達峰、碳中和——探究珊瑚礁的形成、消失與保護

[教師提問]珊瑚礁是珍貴的海洋資源，可以帶來多種利益： 提供食物、支撐旅游、保護海岸等。其形成主要依賴珊瑚蟲的鈣化作用形成石灰石外殼。海洋中的碳循環路徑如圖3所示，試用化學用語解釋珊瑚礁的形成。

[學生匯報]（1）海洋中存在Ca2+和CO2-3可直接生成CaCO3（Ca2++CO2-3CaCO3↓）;（2）從圖3可知鈣化作用生成CaCO3的同時還會生成CO2，存在反應Ca2++2HCO-3CaCO3↓+CO2↑+H2O。

[教師追問]上述兩個過程都能生成碳酸鈣，以哪一個反應為主呢？已知正常海水pH為8.0～8.3，海水中含碳元素微粒分布如圖4所示，判斷哪一個為主反應，并嘗試從平衡移動的角度解釋該反應為什么能夠發生？2F2A3059-57A6-4BF8-AB81-9286B84CB502

[學生討論匯報]海水中可能存在的平衡關系如表1所示。由圖4知，正常海水中HCO-3含量最多，因此鈣化作用主要與HCO-3相關。從反應結果來看，要形成碳酸鈣，必有Ca2++CO2-3CaCO3（s）平衡，該過程會造成溶液中CO2-3濃度減小，進而使HCO-3 CO2-3+H+平衡向右移動，造成溶液中H+濃度增大，從而發生H++HCO-3CO2↑+H2O過程（也有學生認為H+濃度增大使H2CO3HCO-3+H+平衡逆向移動）。總的來看是微觀的平衡移動引發宏觀反應，表現為珊瑚礁形成，因此總的主反應為Ca2++2HCO-3CaCO3↓+CO2↑+H2O。

[初步建構分析思路]海水為復雜水溶液體系，同學們分析了體系中存在的微粒及微粒間作用，根據信息找到各類平衡的主次關系，并根據宏觀反應結果（沉淀和氣體）逆推了微觀的平衡移動過程，其實這正是分析復雜水溶液體系的一般思路： 物質（微粒）→微粒間相互作用→微粒種類或數量的變化→宏觀現象，推理路徑之間相互印證，既能順向推理也能逆向推理。

[教師追問]反應Ca2++2HCO-3CaCO3↓+CO2↑+H2O的發生除了從定性角度理解，還能否從定量角度說明呢？[H2CO3 Ka1=10-6.51， Ka2=10-10.33; Ksp（CaCO3）=2.5×10-9]

[學生匯報]定量角度需計算反應的平衡常數K，根據已知數據可知K=Ka2/（Ksp×Ka1）=4×104.18，可見反應的平衡常數很大（濃度允許范圍內），說明Ca2+、 HCO-3在混合體系中很容易發生反應。

[師生歸納，優化認識思路]如圖5所示，注意微粒間作用的主次關系，另外分析微粒種類和數量的變化既可以有定性視角也可以有定量視角。

[認識思路運用]通過分析可知，珊瑚礁的形成主要與Ca2+、 HCO-3有關，請同學們利用上述認識思路分析為什么CO2排放量增多時，珊瑚礁會破壞？

[學生討論匯報1]首先分析體系中的微粒及存在的相互作用（同表1），當有過量CO2介入體系，平衡

被打破。由于CO2含量增加，H2CO3兩步電離平衡向右移動，造成CO2-3和H+濃度升高，會對CaCO3（s）

Ca2++CO2-3這一平衡產生兩個不同的作用結果，CO2-3濃度升高使平衡逆向移動，利于珊瑚礁的形成，

但H+濃度若大幅升高，又會結合CO2-3使平衡正向移動，珊瑚礁溶解。

[學生討論匯報2]通過主次關系可知，H2CO3的第一步電離肯定大于第二步電離，所以H+濃度變化肯定遠大于CO2-3濃度變化，因此少量增加CO2可能利于鈣化作用，但CO2含量若大幅度增加就會使珊瑚礁溶解，即CaCO3+CO2+H2O

Ca2++2HCO-3。

[教師總結并提問]我們利用水溶液分析思路證明了珊瑚礁的生存與大氣CO2含量密切相關，據相關預測，海水的pH本世紀末預計達到7.8，屆時珊瑚礁有可能消失[4]。保護珊瑚礁迫在眉睫，“碳達峰、碳中和”勢在必行！談談我們應如何保護珊瑚礁？

[學生匯報]保護珊瑚礁的關鍵是減少CO2的排放量： 一方面是從源頭上停止或減少CO2的排放，如節能減排或擴大利用無碳、低碳新能源等;另一方面是從終端入手，對排放的CO2進行捕集、封存或再利用。

4.3 如何實現碳達峰、碳中和——探析化學溶劑吸收法、化學轉化利用法（非電化學轉化）

[教師過渡]上節課大家談了助力“碳達峰、碳中和”的措施。但是從現實考慮，我國短時間內很難改變能源結構，而植樹造林對于CO2含量的改變也很難立竿見影。CO2的捕捉或再利用是可以考慮的辦法，基于CO2性質，應如何捕捉CO2？

[學生匯報]CO2是酸性氧化物，可利用堿性溶劑吸收。

[教師提問]目前，NH3（l）和（NH4）2CO3（aq）是常用工業捕碳劑，其中（NH4）2CO3（aq）與CO2可發生反應（NH4）2CO3（aq）+H2O（l）+CO2（g）

2NH4HCO3（aq），不同溫度下，（NH4）2CO3與CO2在密閉容器中發生反應的關系如圖6所示，判斷該反應的熱效應及利于反應自發的溫度條件。

[學生匯報1]由于反應的△S<0，反應要想自發則△G=△H-T△S<0，故△H<0，且反應在低溫條件下有利。

[學生匯報2]也可由圖6判斷，反應在T3溫度下平衡，繼續升溫CO2濃度升高，說明平衡逆向移動，故△H<0。

[教師追問]利用該反應捕捉CO2，應如何提高CO2的平衡轉化率？

[學生匯報]反應是一個放熱且氣體系數減小的反應，可采取降低溫度、增大體系壓強（增大CO2濃度）或提高碳酸銨濃度、及時更換吸收劑（分離碳酸氫銨）等方法。

[教師追問]低溫可提高CO2平衡轉化率，在實際吸收過程中是不是溫度越低越好？

[學生匯報]實際工業生產要考慮成本，所以除了關注平衡轉化率，還要關注反應時間，即考慮單位時間內的轉化率。實際生產中反應可能等不到平衡，這就需要增大反應速率以提高單位時間內的產量。因此CO2吸收過程，雖然降溫可增大平衡轉化率，但也會降低反應速率，所以要綜合兩方面因素來選擇溫度。

[建構分析模型]見圖7。

[教師提問]上述分析模型指導我們解決實際工業問題時既要考平衡態、又要考慮非平衡態（速率），據此請思考圖6中CO2濃度為什么先降低后升高？

[學生討論匯報1]從T1～T3區間，是反應建立平衡的過程，升高溫度，反應速率加快，一定時間內CO2捕獲量隨溫度的升高而提高;T3溫度下，反應達到平衡，繼續升高溫度，由于正反應是放熱反應，平衡逆向移動，相同時間內CO2捕獲量隨溫度的升高而降低。2F2A3059-57A6-4BF8-AB81-9286B84CB502

[學生討論匯報2]如果該反應使用了催化劑，T1～T3區間的變化也存在溫度升高、催化劑活性升高的可能，同理T3～T5段也存在溫度過高催化劑活性降低的可能。

[學生討論匯報3]T3～T5區間也存在溫度過高體系發生其他副反應的可能。

[師生歸納]對于一個實際的工業生產問題，要從熱力學和動力學兩個角度建立平衡前、平衡態、平衡后等不同的分析區間，要特別注意溫度這一因素的影響，具體分析思路如圖8所示。

[教師提問]利用NH3（l）或（NH4）2CO3（aq）捕碳可能存在什么問題？

[學生匯報]產物NH4HCO3不穩定，比如用其作為化肥，進入土壤后又發生分解，導致CO2再次逸出到大氣中;氨水吸收和再生時易揮發;氨水吸收劑存在安全性問題，如運行中泄漏、爆炸等。

[教師過渡和設疑]除了這種方法外科學家還試圖利用化學反應，將排放的CO2轉化為各種工業原料，既解決CO2排放超標又緩解能源短缺問題。如以CO2、 H2為原料通過磷化硼納米顆粒作為催化劑合成CH3OH[CO2（g）+3H2CH3OH（g）+H2O（g） △H=-49.5kJ/mol]，反應歷程如圖9所示。試對該催化劑進行評價。

[學生匯報]生成CO和HCHO的活化能遠高于生成甲醇，因此該催化劑可減少副反應（CO、 HCHO），對甲醇具有高選擇性;催化劑大大降低反應的活化能，加快合成CH3OH的速率;納米顆粒有利于反應物的吸附。

[教師追問]該方法要想投入生產，必須進一步提高甲醇產量，針對該方法，未來可在哪些方面繼續深入研究？

[學生討論匯報]投入生產，必須進一步加快單位時間內甲醇產量，從動力學機理角度分析，*CO+*OH+*H*CO+*H2O是反應的決速步驟，欲加快總反應速率，應設計能進一步降低決速步驟活化能的催化劑;此外從熱力學角度分析該反應是一個放熱反應，因此還應設計低溫條件下催化性能高的催化劑。

[教師評價與認識思路建構]非常好，通過這幾個問題的復習，大家學會了從熱力學、動力學兩個角度思考問題，大家的分析與科學家不謀而合，也期待大家未來在這一領域貢獻自己的力量。針對非均相催化反應歷程的研究，可形成如圖10的分析思路。

4.4 如何實現碳達峰、碳中和——探析化學轉化利用法（電化學轉化）

[教師過渡]CO2排放超標問題是全球性的，任何單一技術都不可能解決全部問題，新技術、新思路正在不斷涌現。近年來又有科學家運用電化學方法將CO2轉化為可利用的有機物（圖11）。

[教學設計]說明： 課題組已將該方法設計成完整的項目式教學并實施，供本課時參考[6]。但要注意本課時教學應著力于電化學裝置的設計，鞏固電化學認識模型。當然若課時允許教師也可引導學生建構真實情境下分析物質轉化問題的思維模型（圖12），實現模塊核心知識的再應用。

5 教學效果及反思

5.1 項目式教學能靈活實現不同層次教學內容的整合

項目式教學需要學生整合多方面知識解決問題，而知識的整合是多層次的，可以是單個或多個章節知識的整合、單個或多個模塊知識的整合，甚至可以是跨學科知識的整合。因此根據教學目的，教師可以設計針對不同層次教學內容整合的項目主題供學生探究，提升知識運用能力。本項目結束后，很多學生表示對該模塊的理解有了更高的站位和視野： 原來認為電化學內容與熱力學、動力學、水溶液沒有關聯，現在發現一個真實的電池設計問題就可以把這些內容有邏輯地聯系在一起，因此在解決與反應原理有關的真實問題時要“俯看”整個模塊內容，多思考內容間的關聯。這也促使我們思考項目式教學實踐是否應考慮結合學生的學習節點設計針對不同層次教學內容整合的項目式主題，以提升學生在不同階段的知識運用能力。

5.2 項目式教學能形成更具穩定性和遷移價值的認識方式

項目式教學強調學生的深度投入和體驗，使學生形成的認識方式更具穩定性和遷移價值。例如學生在探析“化學溶劑吸收法”原理的過程中形成的熱力學、動力學系統思維能快速遷移到“曲線分析”問題中，甚至在后續跨情境的“催化劑研究方向”問題上，也能從熱力學、動力學兩個角度考慮，可見通過項目式學習學生分析同質問題的認識方式趨于穩定。

5.3 項目式教學的任務設計既要關注現實意義又要指向學科核心內容的應用

項目任務的設計是項目式教學設計的難點。一方面，任務的設計必須具有現實意義，提出的學科問題確實是項目推進必須要解決的問題，避免情境與任務之間“兩張皮”，這樣學生才感興趣;另一方面項目任務的解決必須調用學科核心內容，特別是在高考壓力下，進行科普式項目式教學，難以被一線教師接納。本項目聚焦《化學反應原理》模塊核心內容，同時問題設計關照了高考的重難點內容。但項目使用過程中也發現不足，項目任務定性分析的多，定量計算的少，這是后續需改進的地方。

參考文獻：

[1][6]武衍杰， 江合佩， 楊伏勇. 基于化學教學內容“結構化”的項目式教學[J]. 化學教學， 2021， （3）： 44～50.

[2]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[3]https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1693640291827307921&wfr=spider&for=pc.

[4]陳雪霏， 韋剛健， 鄧文峰， 鄒潔瓊. 珊瑚礁海水pH變化及其對海洋酸化的意義[J]. 熱帶地理， 2016， 36（1）： 41～47.

[5]Shiyong Mou， Tongwei Wu， Bo Tang， and Xuping Sun. Boron Phosphide Nanoparticles： A Nonmetal Catalyst for High-Selectivity Electrochemical Reduction of CO2 to CH3OH [J]. Adv. Mater.， 2019， 31（36）： 1903499.

[7]江合佩， 劉炯明， 張賢金. “發展中的化學科學”項目式教學設計與實施[J]. 化學教學， 2021， （6）： 42～48.2F2A3059-57A6-4BF8-AB81-9286B84CB502