涵育科學態度和社會責任的學科育人實踐

張靈麗

摘要： 以“碳中和”為例運用項目化學習方式，引導學生了解什么是碳中和以及實現碳中和的四種主要途徑： 碳捕集、碳循環、碳替代、碳封存。探討碳循環及二氧化碳為核心的物質轉化過程以及氣候、環境和碳循環的關系。引導學生從個人做起，制定低碳行動方案;了解碳中和的技術展望，提高認識化學學科價值，培育科學態度與社會責任擔當。

關鍵詞： 碳中和; 項目化學習; 科學態度; 社會責任; 教學設計

文章編號： 10056629（2022）06006005

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

2020年9月22日，中國國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上首次宣布中國將努力爭取到2060年實現碳中和的氣候目標。化學教師有責任引導學生從化學的視角來認識碳中和這一社會熱點問題。為此，筆者以項目化學習的方式設計碳中和課例，引導學生了解什么是碳中和、如何實現碳中和、碳中和的技術展望以及碳中和的重要意義。

1 設計思路

“碳中和”是科學技術社會環境相互關系及可持續發展大概念的具體表現，是二氧化碳溫室氣體過量排放導致氣候變暖等環境問題引發的社會性議題和人類共同面對的挑戰，具有重要的現實意義。通過“碳中和”項目化學習的設計，讓學生從個人、國家、國際不同層面制定碳中和方案，引導學生關注社會熱點問題，學會用化學知識解決實際問題，彰顯化學學科價值，發展學生的社會責任意識。

項目化學習通過真實和具有挑戰性的任務，使學生逐步獲得知識、技能和關鍵品格[1]。通過創設真實情景，對知識加以遷移應用，進而解決問題，體現化學知識的應用價值，使學生能力和化學思維均得到不同程度的提升[2]。本文以項目化學習的方式，設計碳中和教學案例，通過探究碳循環和二氧化碳的性質與變化等知識，學生逐漸養成變化觀念來解決化學問題;通過查閱文獻資料和實驗探究，學生形成化學思維，發展創新意識;通過感受二氧化碳對人類的生活、生產、環境的重要作用以及影響，學生養成科學態度及社會責任擔當意識，發揮化學課程的全面育人功能。

2 教學流程

“碳中和”復習課是滬教版九年級《化學》（上冊）第2章和（下冊）第7章的內容。“碳中和”復習圍繞“二氧化碳”展開，課程形式是校本課程。

項目流程設計如圖1所示。

3 教學過程

3.1 任務一： 什么是碳中和？

[情境1]播放視頻： 習近平承諾中國實現碳達峰到碳中和的時間。

[問題1]你們知道什么是“碳中和”嗎？

[學生]碳中和是指在規定時間內，二氧化碳的人為移除與人為排放相抵消。

[問題2]為什么要實現碳中和？什么是溫室效應的危害？

[資料]人類進入工業化以來，二氧化碳排放量不斷增加，導致全球氣溫升高，冰川融化、海平面上升等諸多環境問題，人類賴以生存的環境面臨著前所未有的威脅與挑戰。據統計，自1850年以來大氣中二氧化碳濃度持續上升，全球氣溫上升了

0.9～1.2℃，海平面升高了20cm。特別是近30年來，全球海平面上升速度達到0.32cm/a，到本世紀末，如果全球氣候升溫達到2℃，海平面升高將達到36～87cm，99%的珊瑚礁將消失，陸地上約13%的生態系統將遭到破壞，許多植物和動物面臨著滅絕的風險。下圖是主要國家二氧化碳排放量統計，如圖2所示[3]。

[問題3]二氧化碳的來源？

[學生]化石燃料的燃燒、動植物的呼吸、碳酸鹽礦石的分解等等。

[教師]關于溫室效應，你需要知道兩個數字，第一個是510億，第二個是0。510億是全球每年向大氣中排放的溫室氣體的大致噸數。0是我們需要達成的目標。源于人類活動的溫室氣體排放量的占比如表1所示[4]。

設計意圖： 關注可持續發展的熱點問題，初步形成“低碳行動”的價值認同;提升閱讀理解和信息獲取的能力，提高交流表達的能力，促進社會責任、國際理解的素養發展。

3.2 任務二： 設計碳中和方案

3.2.1 碳捕集

[問題1]你知道二氧化碳的消耗途徑嗎？

[學生]光合作用、二氧化碳的溶解、用堿性溶液吸收。

[問題2]根據已學過的二氧化碳的制備和二氧化碳的性質，請你設計二氧化碳的捕集方案，并驗證二氧化碳被成功捕捉。

[儀器和藥品]錐形瓶、長頸漏斗、試管、雙孔橡皮塞、玻璃導管;大理石、稀鹽酸、氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液、石灰水、碳酸鈉溶液、碳酸鉀溶液、酚酞試液、紫色石蕊試液。

[學生分組實驗]學生設計如下幾種實驗方案： 用大理石和稀鹽酸制備二氧化碳，將二氧化碳通入試管中，觀察現象（試管里的液體有： ①澄清石灰水;②氫氧化鈉溶液/氫氧化鉀溶液;③滴有酚酞的碳酸鉀溶液/碳酸鈉溶液）。向試管②中滴入稀鹽酸，觀察現象。

[展示]學生設計的實驗方案及裝置，如圖3所示。

[問題3]從經濟成本的角度分析： 你設計的捕集二氧化碳的方案在工業生產上的可行性。

[學生]經濟成本高。

[資料]化學吸收法是利用弱堿性吸收劑與CO2反應生成不穩定的鹽類，然后鹽類在一定的條件下（如加熱）又逆向分解釋放出CO2，從而達到捕集和利用CO2的目的。化學吸收法吸收量大、吸收效果好、吸收劑能循環利用并能得到高純度的CO2。化學吸收劑分為液體吸收劑和固體吸收劑，其中采用液體吸收劑的熱鉀堿法、有機胺吸收法和氨水法等發展比較成熟，應用比較廣泛。

[例題]CO2是最主要的溫室氣體，也是巨大的碳資源，CO2的低能耗捕集、轉化和利用正受到世界各國的廣泛關注。

利用NaOH溶液吸收CO2，部分轉化關系見圖4。反應①的化學方程式為??? ，該轉化中循環使用的物質是??? 。利用Na2CO3溶液或K2CO3溶液吸收低濃度的CO2，將其轉化為NaHCO3或KHCO3，NaHCO3或KHCO3受熱分解生成高濃度的CO2儲存利用，生成的Na2CO3或K2CO3循環使用以降低生產成本。0C08243A-51F4-437F-B86D-3F38A0BE4A02

設計意圖： 發展學生以實驗為主的科學探究能力，能根據所學的化學知識設計實驗方案，并進行實驗驗證;對探究實驗進行反思和評價，會用科學語言描述過程與結論，培養合作交流、信息提取、自主學習等能力。

[問題4]除了碳捕集之外，你還能設計出其他方案來減少二氧化碳的排放嗎？

[學生]從源頭上減少二氧化碳的排放，如減少化石燃料的燃燒;發展新能源，如氫能、太陽能、風能、核能、地熱能;植樹造林等。

[教師]減少碳排放、實現碳中和的對策目前還有碳循環、碳替代、碳封存等主要途徑。

3.2.2 碳循環

[教師]你知道什么是碳循環嗎？

[例題]為降低溫室氣體含量，科學家正在研究一種新型的“人造樹葉”。假設每1升“人造樹葉”每天可從空氣中吸收二氧化碳880g并轉化為乙醇（C2H5OH），對應化學方程式為2CO2+3H2O一定條件C2H5OH+3O2。若每天一棵樹平均可吸收44g CO2，則一升“人造樹葉”一天吸收的CO2相當于幾棵樹吸收的CO2。

[學生]20棵。

設計意圖： 學會用數據和事實說話。從定量計算角度，分析碳中和方案的可行性和設想。將二氧化碳轉化為其他物質，初步建立物質轉化觀和守恒觀，發展定性和定量相結合的研究視角。解謎探尋“人造樹葉”這一科學前沿資料，激發學生熱愛、鉆研化學的好奇心，形成科學態度和社會責任擔當意識。

3.2.3 碳替代

[教師]你了解的碳替代方案有哪些？目前最理想的綠色能源是什么？存在的問題是什么？

[學生]開發新能源。目前最理想的新能源是氫能源，最大的問題是技術問題，如何廉價制氫、安全儲存及運輸問題。

[資料]氫能是公認的高熱值清潔能源。目前，氫氣的來源如圖5所示。化石資源制氫最為成熟。水煤氣變換反應： CO+H2O催化劑△CO2+H2，是化石資源制氫過程中的重要反應之一。北京大學團隊研究了在不同溫度下，多種催化劑對水煤氣變換反應中CO轉化率的影響，結果如圖6所示。電解水制氫過程簡便，但造價高昂，利用太陽能制氫是未來的發展方向，“人造太陽”的探索也就應運而生。我囯“人造太陽”大科學裝置“東方超環”利用的是核聚變，當氘、氚核聚變溫度達到1億攝氏度、持續時間超過1000秒，就能形成持續反應，為水分解提供能量。2020年4月，“東方超環”實現了1億攝氏度運行近10秒，取得重大突破。

設計意圖： 關注科技動態，進一步體會和感受科學原理在解釋自然現象、解決實際問題方案中的重要作用，發展科學價值觀。將科學技術和社會生活相聯系，形成科學技術工程環境與可持續續發展的核心觀念，強化科學價值觀，發展社會責任、國家認同、國際理解的素養。

3.2.4 碳封存

[教師]你了解過火力發電廠產生的二氧化碳的后續處理嗎？

[學生]將二氧化碳加壓降溫制成液態二氧化碳或干冰，運輸到油氣田封存。

[資料]碳封存是指將大型發電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放源產生的二氧化碳收集起來，并用各種方法儲存以避免其排放到大氣中的一種技術。主要的封存技術有三種： 含鹽堿水層封存、油氣層封存和煤氣層封存。利用現有油氣田封存二氧化碳，將二氧化碳注入油氣層起到驅油作用，既提高采收率，又實現了碳封存，被認為是未來的主流方向，也是我國的主流發展方向[5]。

[教師演示]模擬二氧化碳油氣田封存實驗： 將大理石和稀鹽酸反應產生的二氧化碳通入裝有油的廣口瓶中，廣口瓶中的油被壓入燒杯中，如圖7所示。

[問題]請課下查閱資料，了解油氣田封存液態二氧化碳的原理和條件。

設計意圖： 提高閱讀理解和信息加工處理能力，能對化學有關的熱點問題做出正確的價值判斷，能參與有關化學問題的社會實踐活動。根據工業生產實際，能設計模擬實驗方案，對模擬實驗做出合理的分析和判斷，培養創新精神。了解我國碳中和的具體行動，關注社會生活生產實際，強化社會責任感。

3.3 任務三： 低碳行動和碳中和的技術展望

[資料1]中國的節能減排行動取得了顯著成效。2019年，單位國內生產總值二氧化碳的排放，較2005年降低了48.1%，其中非化石能源占比為15.3%，已經提前和超額完成2020年氣候行動目標[6]。

[資料2]汽車、卡車、飛機、輪船等交通運輸工具的溫室氣體排放量所占百分比情況，如圖8所示[7]。

[問題1]低碳行動從我做起，說說日常生活中你的做法？

[學生]綠色出行（步行或騎行或公共交通）、控制白色污染，少用塑料制品（購物用環保袋）、種植綠色植物（植樹造林）、垃圾分類回收再利用、紙張雙面使用、建造冬暖夏涼的綠色建筑、節約食物杜絕浪費、少吃肉、減少使用一次性餐具等。

[教師]請設計一張海報宣傳低碳行動。

[問題2]實現碳中和，你認為最重要的是什么？

[學生]實現技術突破，減少化石燃料的使用，發展新能源。

[資料3]碳替代是實現碳中和的中堅力量。未來中國向世界能源消費結構的新趨勢靠攏發展，實現從現階段的四分天下轉變為“一大三小”新格局（“一大”為新能源，“三小”為煤、石油、天然氣），加快氫能、新材料儲能、可控核聚變等顛覆性技術攻關及其工業化，為宜居地球、綠色地球做貢獻。圖9是2019～2050年全球能源結構的變化趨勢[8]。

設計意圖： 培養學生形成節約資源、保護環境的可持續發展意識和價值追求，從自身做起，形成簡約適度、綠色低碳的生活方式。激發學生的社會責任感，熱愛科學，樹立用科學技術改變能源結構和人類生存環境的決心，引導學生從化學視角認識物質世界，初步形成物質及其變化的基本觀念，啟迪科學思維，加深認識化學的社會價值。

4 教學反思

化學教學的意義在于培養學生嚴謹而理性的思維方式、崇尚真理和樹立綠色發展的意識，具有科學的全面的價值判斷能力。而科學態度與社會責任素養不僅僅體現在對學生的價值觀與理想以及可持續發展理念的形成，同時也表達了化學學科教學的最終歸宿點是為了培養能擔當民族復興大任的時代新人所必須具有的現代科學意識[9]。本節課以“碳中和”為例，運用項目化的學習方式，以二氧化碳的性質和轉化知識為核心，設計碳捕集的開放型實驗，通過碳循環的定量計算、科學文獻資料的介紹，了解碳封存和碳替代技術，幫助學生建立從科學原理到低碳行動的方案，再具體到社會生活實踐的認知模型，學會以理性、綜合、創新的思維來分析和解決環境問題，將綠色化學和可持續發展觀念轉化為具體的行動，激發學生發自內心的愛國情懷和社會責任感、嚴謹求實的學習態度與報效祖國的理想追求，形成理性的情感認同與實證性的行為習慣相融合，實現“知、情、行”的統一。

參考文獻：

[1]房喻， 徐端鈞. 普通高中化學課程標準（2017年版）解讀[M]. 北京： 高等教育出版社， 2018.

[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.

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[7]比爾·蓋茨. 氣候經濟與人類未來——比爾·蓋茨給世界的解決方案[M]. 北京： 中信出版集團股份公司， 2021： 55， 164.

[5]周佳， 馬利民. 碳捕集和封存技術與整體煤氣化聯合循環發電技術[J]. 中國人口·資源與環境， 2013， （11）： 288～291.

[6]余碧瑩， 趙光普， 安潤穎， 陳景明等. 碳中和目標下中國碳排放路徑研究[J]. 北京理工大學學報， 2021， （3）： 18～24.

[9]顧建辛. 關于化學核心素養培育的微觀思考——基于“科學態度與社會責任”內涵及目標指向的意義[J]. 化學教學， 2021， （4）： 3～4.0C08243A-51F4-437F-B86D-3F38A0BE4A02