發(fā)展學生“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)的項目式教學設計

劉學超 江合佩 周建

摘要：探究汽車尾氣中有害氣體CO和NO的治理方案需要運用多學科知識協(xié)同解決。對尾氣處理反應機理的探究，不僅可以幫助學生建立運用氧化還原反應、熱力學、動力學等知識解決實際問題的一般思路，進行思維建模；還有助于學生樹立“變化觀念與平衡思想”，養(yǎng)成科學態(tài)度，提升社會責任，彰顯化學學科的育人功能和學科價值。

關(guān)鍵詞：化學學科核心素養(yǎng)；變化觀念與平衡思想；項目式教學；化學反應的調(diào)控

1 項目教學主題分析

只有抓住學科核心素養(yǎng)，才能抓住學科教育的根本^[1] 。北師大肖川教授認為：“從學科角度講，要為素養(yǎng)而教（用學科教人），學科及其教學是為學生素養(yǎng)服務的，而不是為學科而教”。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》在“基本理念”中明確提出：以發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)為主旨，重視開展素養(yǎng)為本的教學，倡導真實問題情境的創(chuàng)設，促進學生學習方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實踐能力^[2] 。

項目式教學以建構(gòu)主義理論為指導，將教學目標融入具體的學習任務中，利用項目活動中創(chuàng)設的驅(qū)動性問題，引導學生深度學習，發(fā)展能力，達成培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的目標。因此，項目式教學被認為是最具核心素養(yǎng)融合發(fā)展效力的教學^[3] 。

以汽車尾氣治理為真實情境開展項目式教學，可以促使學生在解決實際問題的過程中實現(xiàn)知識的結(jié)構(gòu)化，促進學生學科核心素養(yǎng)的發(fā)展，形成適應其終身發(fā)展所需的必備品格和關(guān)鍵能力。本項目主題源于魯科版（2019）高中化學必修1第3章微項目——論證重污染天氣“汽車限行”的合理性^[4] ，以及魯科版（2019）高中化學選擇性必修1“化學反應的方向”一節(jié)的“聯(lián)想·質(zhì)疑”欄目和“身邊的化學”欄目^[5] 。適用于高二年級選擇性必修1第2章后的單元復習。項目的實施將會使學生對汽車尾氣治理知識的認識形成有機整體，提升對化學反應的調(diào)控所需知識的運用能力。

1.1項目核心知識及素養(yǎng)發(fā)展價值

知識層面：從熱力學視角判斷尾氣轉(zhuǎn)化的可行性，從動力學視角調(diào)控尾氣轉(zhuǎn)化的效率，使學生在面對真實情境下的復雜反應體系時，能夠自主運用知識多角度分析、發(fā)展解決實際問題的能力。

素養(yǎng)層面：通過開展活動，提高學生的證據(jù)意識，培養(yǎng)加工、處理信息的能力；以化學學科知識為主體，結(jié)合多學科知識協(xié)同解決實際問題，發(fā)展“變化觀念與平衡思想”，養(yǎng)成科學態(tài)度。

1.2.項目內(nèi)容結(jié)構(gòu)

利用學科核心知識解決真實復雜問題是開展項式教學的主要目的^[6] 。本項目以汽車尾氣中CO和NO的治理為活動載體，引導學生從“價─類”二維視角分析尾氣轉(zhuǎn)化的可行性的理想判斷到從熱力學視角的反應趨勢判斷；結(jié)合尾氣轉(zhuǎn)化歷程，激發(fā)探究欲望，引領(lǐng)學生開展如何提高尾氣轉(zhuǎn)化效率的深度學習，歸納催化劑在化學反應的調(diào)控中的作用，逐步發(fā)展學生的工程思維與學科核心素養(yǎng)。本項目基本內(nèi)容與設計思路如圖1所示。

教學設計過程中將“變化觀念與平衡思想”作為核心素養(yǎng)的主培育點，遴選“變化觀念”與“平衡思想”兩個大概念進行統(tǒng)攝，將其拆解為凸顯學科認識視角和思維方式的次級大概念，圍繞物質(zhì)的分類觀、價態(tài)觀、變化觀、化學反應的調(diào)控觀等次級大概念梳理教學內(nèi)容，再將次級概念進一步拆解為基本概念，尋找本項目涉及到的具體知識進行匹配，形成了“汽車尾氣中有害氣體CO和NO治理”的項目式教學知識層級，如圖2所示。

2 項目教學目標

課程目標是對學生學習及發(fā)展結(jié)果的期待，是課程內(nèi)容選擇、教學活動設計、學業(yè)質(zhì)量確立的基本方向和依據(jù)。結(jié)合《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》的要求，^[2] 制定本項目教學的目標如下：

（1）通過探究CO和NO轉(zhuǎn)化的可行性，協(xié)同學生歸納整合化學反應發(fā)生的依據(jù)，培養(yǎng)科學嚴謹?shù)膶W習態(tài)度。

（2）通過探究CO和NO轉(zhuǎn)化機理，認識催化劑在調(diào)控反應機理中的重要作用，培養(yǎng)學生分析問題的能力。

（3）通過探究CO和NO轉(zhuǎn)化的適宜條件，加深對速率和限度影響因素的理解，提出提高尾氣轉(zhuǎn)化效率的具體措施，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。

3 項目任務及教學流程

根據(jù)項目式教學特點及教學目標，結(jié)合真實問題抽提出“變化觀念”和“平衡思想”的大概念統(tǒng)攝下的學科核心知識。教學中設計3個不斷進階的活動任務，讓學生親歷問題的解決過程。

任務1：探究汽車尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化的可行性。匯報展示汽車尾氣中CO和NO的來源及尾氣轉(zhuǎn)化的可行性依據(jù)。自主調(diào)用氧化還原、熱力學等知識解決實際問題，增強證據(jù)意識。

任務2：探究汽車尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化的反應機理。運用催化劑調(diào)控尾氣轉(zhuǎn)化機理，通過數(shù)據(jù)分析明確提高尾氣轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵，建立解決實際問題的一般思路。

任務3：探究汽車尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化的適宜條件。結(jié)合內(nèi)燃機的實際情況及尾氣轉(zhuǎn)化反應的特征，確定提高轉(zhuǎn)化效率的可行方案，探討催化劑設計結(jié)構(gòu)及評價，形成工程思維。

具體流程設計如圖3所示。

4 項目實施及學生學習結(jié)果

[情境引入]近年，我國“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”成果顯著。成績固然可喜，但必須理智地看到，有些污染物排放量還是處于上升趨勢，尤其是城市空氣污染物排放總量的罪魁禍首——機動車尾氣，其排放的一氧化碳和碳氫化合物超過80%，氮氧化物和顆粒物超過90%。

任務1.探究汽車尾氣中NO和CO轉(zhuǎn)化方案的可行性

活動1.認識汽車尾氣中NO和CO的來源

[教師]汽車尾氣的主要有害成分是NO和CO，它們是怎樣產(chǎn)生的呢？

[學生]汽油、柴油的主要成分是烴，烴不完全燃燒產(chǎn)生CO；空氣中的N₂在電火花放電條件下與O₂作用生成NO。

[教師]怎樣使用燃油汽車可以有效降低有害氣體的排放？

[學生匯報]減少尾氣排放的關(guān)鍵因素是讓燃油燃燒充分，建議使用汽車時要做到：

1.使用優(yōu)質(zhì)油品；2.定期保養(yǎng)，及時更換空濾和油濾；3.養(yǎng)成良好的駕駛習慣等。

活動2.探究汽車尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化的可行性

[教師]將CO和NO轉(zhuǎn)化為N₂和CO₂是處理尾氣的重要方式。判斷反應：2NO+2CO

2CO₂+N₂發(fā)生的依據(jù)是什么呢？

[學生]NO中N元素為+2價，可降為0價，具有氧化性，CO中C元素為+2價，可升為+4價，具有還原性，兩者發(fā)生氧化還原反應生成N₂和CO₂。

[追問]從價態(tài)角度分析，理論上該反應是能夠發(fā)生的，能否通過數(shù)據(jù)進行深入判斷呢？

[學生]用吉布斯自由能進行數(shù)據(jù)判斷。

[教師]請結(jié)合以下提供的資料，分析汽車尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化的可行性。

[資料]

[師生歸納]判斷化學反應能否發(fā)生的依據(jù)（見表2）：

任務2：探究汽車尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化的反應機理

活動1.汽車尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化的過程分析

[教師]通過分析，尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化是可行的。反應歷程怎樣呢？

[資料]我國學者研究了均相NO－CO的反應歷程，反應路徑中每一階段內(nèi)各駐點的能量均為

相對于此階段內(nèi)反應物能量的能量之差，TS代表過渡態(tài)，反應過程中的復雜中間產(chǎn)物直接用IM表示。（均相 NO-CO的反應歷程如圖4所示）

[教師]由圖4可知，整個反應分為三個基元反應階段。進行尾氣轉(zhuǎn)化時，應特別關(guān)注反應幾？為什么？

[學生1]?關(guān)注反應①。反應①的活化能最大，反應速率最慢，決定尾氣轉(zhuǎn)化的快慢。

[學生2] 關(guān)注反應②。反應②的活化能最小，反應速率最快，若不抑制反應②的進行，導致尾氣中N₂O的含量升高，不利于生成N₂。

[追問]你認為采取怎樣的措施在提高反應①速率的同時又能抑制反應②的進行呢？說說你的理由？

[學生]尋找合適的催化劑。催化劑具有高效性和選擇性，可以提高反應①的速率，抑制反應②的進行。

[教師]請歸納催化劑對化學反應的作用。

[學生歸納]1.能改變反應歷程；2.能降低反應的活化能；3.能加快化學反應速率。

活動2.汽車尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化的速率與限度分析

[教師]根據(jù)資料提供的數(shù)據(jù)，你認為能否有效消除NO、CO尾氣污染？

[追問]既然可以有效去除NO、CO，為何汽車尾氣中仍存留一定量的NO和CO呢？

[學生]可能反應沒有達到平衡，尾氣就被排出排氣管。

[追問]沒有達到平衡狀態(tài)的主要原因可能是什么呢？

[學生討論]主要原因可能是：1.反應速率太慢；2.尾氣在內(nèi)燃機中存留時間太短等。

[教師]同學們的分析是否正確呢？請結(jié)合以下資料證明你的猜測？

[資料]在一密閉容器中，某科研團隊用氣體傳感器測得某溫度下，不同時間的NO和CO濃度（見表3）：

可見，反應速率很慢，平衡時反應物轉(zhuǎn)化率很高。該反應4s即可達到平衡，平衡所需時間較短，排出的尾氣中仍含有一定濃度的NO和CO，其原因是反應速率過慢，沒有達到平衡，氣體就被排出。

[教師點評]通過分析可知，降低尾氣中CO和NO含量的關(guān)鍵是提高反應速率。

任務3.探究汽車尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化的適宜條件

活動1. 探討提高尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化效率的措施

[學生展示]提高汽車尾氣中CO和NO反應速率和限度的措施：（如圖5所示）

[教師]結(jié)合汽車內(nèi)燃機的實際情況，你認為采取什么措施可以提高汽車尾氣的轉(zhuǎn)化效率？

[學生]結(jié)合內(nèi)燃機的實際情況，改變濃度、壓強、溫度等措施均不現(xiàn)實，應采用催化劑來提高轉(zhuǎn)化效率。

[教師點評]催化劑雖不影響平衡移動，不改變平衡轉(zhuǎn)化率，但在提高反應速率的同時提高瞬時轉(zhuǎn)化率，從而可以有效提高尾氣轉(zhuǎn)化效率。

活動2.探究不同催化劑對尾氣中CO和NO轉(zhuǎn)化效率的影響

[資料]目前汽車排氣管內(nèi)部主要裝有三元催化劑裝置，在催化劑表面通過發(fā)生吸附、解吸消除CO、NO等污染物。反應機理如下[Pt（s）表示催化劑，右上角帶“*”表示吸附狀態(tài)]：

Ⅰ：NO+Pt（s）=NO（*） ???????Ⅱ：CO+Pt（s）=CO（*）

Ⅲ：NO（*）=N（*）+O（*）????????Ⅳ：CO（*）+O（*）=CO₂+2Pt（s）

Ⅴ：N（*）+N（*）=N₂+2Pt（s）?????Ⅵ：NO（*）+N（*）=N₂O+2Pt（s）

尾氣中反應物及生成物濃度隨溫度的變化關(guān)系（如圖6所示）。

[教師]三元催化劑有主體和載體兩部分構(gòu)成，主體是催化劑的主要部分，載體是催化劑的支架。你認為應選擇何種結(jié)構(gòu)的載體？

[學生]選擇表面積大的載體，如做層狀結(jié)構(gòu)，可以增大尾氣與催化劑的接觸面，使反應更充分，提高催化效率。

[追問]層狀結(jié)構(gòu)的確可以增大接觸面積，還有沒有更好的結(jié)構(gòu)呢？

[學生]做成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，接觸面積更大，催化效率更好。

[教師]結(jié)合上述資料分析，使用三元催化劑的最佳溫度大約是多少？

[學生1]350 ℃左右，從圖6左可知，溫度從250 ℃升至350?℃的過程中，反應物濃度急劇減小，說明反應速率急劇加快，此溫度下催化劑活性最強，350?℃時CO和NO的濃度較低。

[學生2]不同意同學1的觀點，從圖6右看，350 ℃時，有害氣體N₂O的濃度較大，說明此時尾氣大都轉(zhuǎn)化為N₂O，沒有轉(zhuǎn)化為N₂。將溫度控制在400?℃左右比較合適。從圖6左看，400?℃時CO和NO的濃度仍然較低，從圖6右看，400?℃時CO₂和N₂的濃度較高，說明反應以2NO+2CO2CO₂+N₂為主。

[教師點評]對問題的分析不能僅看單一因素，綜合分析才有意義。

[教師]結(jié)合上圖進行分析，哪種品牌的催化器效果更好？

[學生]M品牌催化器效果更好。因為在M催化器催化下總壓減小快，即反應速率快，催化效率高。

[教師]評價催化劑優(yōu)劣的指標有哪些？

[學生匯報]催化劑的優(yōu)劣指標有高效性、選擇性和使用壽命等。

[資料]該研究中心為探究溫度對M品牌的催化器催化效果的影響，將固定比例的NO和CO混合氣體以一定的流速通過裝有該三元催化器的排氣管，相同時間內(nèi)測量尾氣中的NO的含量，得出脫氮率（即NO的轉(zhuǎn)化率）隨溫度的變化關(guān)系如下（如圖8所示）：

[教師]通過大量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，圖中BC段為平衡狀態(tài)，且平衡脫氮率=m-n×10^-4T²（100℃≤T≤1000℃，m、n為常數(shù)），那1000℃時的D點是否表示平衡脫氮率？

[學生1]D點表示平衡脫氮率。尾氣轉(zhuǎn)化反應為放熱反應，升溫平衡逆向移動，脫氮率降低，故D點是平衡點，表示平衡脫氮率。

[教師]同意同學1的觀點嗎？

[學生討論]應該用平衡脫氮率=m-n×10^-4T²進行驗證。

[追問]什么原因造成D點脫氮率小于平衡脫氮率的呢？

[學生]D點可能因溫度過高使催化劑活性降低反應速率減小，在給定的時間反應未達平衡。

[教師點評]催化劑的使用要特別注意催化劑的活性溫度。尾氣從汽車發(fā)動機排出至剛進入三元催化器的溫度是800℃左右，經(jīng)過前級三元催化器的溫度是600℃左右，消聲器中段的溫度下降至300℃左右，在尾段溫度為150℃左右，尾氣排出時溫度為100℃左右。可見，研制尾氣經(jīng)過不同階段的高效催化劑，對降低汽車尾氣中CO和NO的排放意義重大。

5 項目教學評價

該項目式教學以“汽車尾氣中有害氣體CO和NO的治理”為載體，開展深度學習，旨在著重培養(yǎng)學生“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養(yǎng)。而學生核心素養(yǎng)與能力的培養(yǎng)與提升，僅依靠終結(jié)性紙筆測試的評價方式很難全面真實反映學生的學習效果，可采用過程性和表現(xiàn)性評價相結(jié)合的方式，根據(jù)學生的課堂實際表現(xiàn)來檢測項目實施效果（見表4）。

從課堂實時反饋情況來看，大部分學生能在教師的引導下完成任務，建立起工程思維與分析問題的認知模型，并能系統(tǒng)思考分析問題，核心素養(yǎng)得到了很好的發(fā)展。實施本項目后，再進行紙筆性測試，學生成績提高明顯，項目實施效果顯著。

6 項目教學效果與反思

本項目活動中學生通過完成3個相互關(guān)聯(lián)、逐層遞進的學習任務，經(jīng)歷真實情境下問題的解決過程，不僅整合了化學反應的方向、反應限度和速率等知識，且較真實的體驗化學知識在實際生產(chǎn)、生活中的應用價值。具體成長表現(xiàn)列舉如下：

一是基于項目化學習開展汽車尾氣中CO和NO的轉(zhuǎn)化機理探究，通過數(shù)據(jù)分析了解了汽車尾氣轉(zhuǎn)化程度極大，但反應速率極慢的特點，得出采用催化劑提高尾氣轉(zhuǎn)化效率的必要性。在解決綜合問題的過程中實現(xiàn)了知識的結(jié)構(gòu)化發(fā)展，培養(yǎng)了適應社會發(fā)展所需的必備品格和關(guān)鍵能力。

二是通過參與精心設計的學習活動，圍繞如何提高轉(zhuǎn)化效率進行生生討論、師生互動等活動，在質(zhì)疑與探討中優(yōu)化了尾氣轉(zhuǎn)化反應的條件。樹立了“變化觀念與平衡思想”，培養(yǎng)了科學態(tài)度，實現(xiàn)從學科價值到社會價值視角的進階發(fā)展，發(fā)展了高階思維。

三是關(guān)注學生的過程體驗，突出實踐性、應用性。通過開展汽車尾氣中CO和NO的治理分析，學生知道了有害氣體產(chǎn)生的原因，明確了如何正確使用汽車，掌握了催化器測評方法，加深了對學科本質(zhì)的理解。從熱力學、動力學視角思考，利用所學知識解決實際問題，形成了解決一般問題的思路與方法。在解決問題的過程中，發(fā)展了學科思維和遷移應用的能力，促進了學科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展。

教師通過該項目的切身實踐，深刻地體會到項目式教學的教學價值和育人功能。

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