“二氧化碳合成甲醇”項目式復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計

張仿剛 楊志義 付成超

（1.山東省莘縣第一中學(xué) 252400；2.聊城市第一實驗學(xué)校 252000）

一、項目內(nèi)容分析

本節(jié)內(nèi)容為“化學(xué)反應(yīng)原理”模塊專題復(fù)習(xí)“化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率”的最后一個課時的綜合提升課，依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和高考評價要求，本節(jié)課以“二氧化碳合成甲醇”這一真實科學(xué)研究和化工生產(chǎn)為例，探究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的反應(yīng)設(shè)計和反應(yīng)條件的優(yōu)化，旨在建構(gòu)綜合思維模型，并遷移解決真實化工生產(chǎn)問題。

1.課標(biāo)分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》對本節(jié)課教學(xué)內(nèi)容的學(xué)業(yè)要求強調(diào)［1］：

（1）通過吉布斯自由能和平衡常數(shù)判斷反應(yīng)的方向。

（2）能根據(jù)壓強、濃度、溫度判斷平衡移動方向并討論優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)的條件。

（3）能運用影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素解釋生產(chǎn)生活以及實驗室中的實際問題，討論化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化。

（4）結(jié)合典型案例，能從多個視角對化學(xué)反應(yīng)和化工生產(chǎn)條件進行綜合分析。

根據(jù)課標(biāo)要求，從知識角度看，本節(jié)課引導(dǎo)學(xué)生有效運用前4個課時復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)知識進行遷移運用；從素養(yǎng)角度看，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)多個認(rèn)識視角，定性視角（價類思想、勒夏特列原理）、定量視角（濃度商和平衡常數(shù)、耦合思想）、哲學(xué)視角（調(diào)控主副反應(yīng)、把握主次矛盾）等，通過本節(jié)課的復(fù)習(xí)，學(xué)生的多種化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得到了進一步發(fā)展。

2.高考要求

高考評價體系提出了“一核四層四翼”，并在此基礎(chǔ)上明確了考查載體，強調(diào)價值引領(lǐng)、素養(yǎng)為重，試題更加注重探究性、開放性和綜合性，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新力。因此復(fù)習(xí)務(wù)必選擇真實情境，并設(shè)計好“素養(yǎng)為本”的學(xué)習(xí)任務(wù)群，課例在情境上選用了二十大報告、我國科學(xué)家的兩項研究成果、一項企業(yè)投產(chǎn)案例，以厚植愛國主義情懷；在選材上廣泛參考各地教材和期刊論文；在圖表數(shù)據(jù)上務(wù)求真實可靠，選取了兩篇科研外文資料［2，3］；在試題選擇上力求典型適用，選用了三道高考試題和兩道模擬試題。遵循建構(gòu)主義理論設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)活動，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，立足學(xué)科理解和學(xué)習(xí)進階教學(xué)理念，情境線由簡到繁、知識線由易到難、思維度由淺入深，逐步拓展提升，整合學(xué)科概念，形成思維模型，并遷移應(yīng)用，既整合了學(xué)科知識，又培養(yǎng)了關(guān)鍵能力，提升了學(xué)科思想。

3.內(nèi)容分析

傳統(tǒng)的高三復(fù)習(xí)往往通過簡單地訓(xùn)練、講評，課堂空洞、枯燥乏味，無法形成系統(tǒng)的知識建構(gòu)和思維提升。從學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣看，單一的知識梳理加訓(xùn)練的模式已經(jīng)無法調(diào)動積極性，由于學(xué)生并未接觸過項目式學(xué)習(xí)，為提高復(fù)習(xí)的有效性，本節(jié)課大膽實踐項目式教學(xué)，項目內(nèi)容主要選取了社會熱點和科研熱點兼具的“碳達(dá)峰、碳中和”的二氧化碳資源化利用，主題鮮明、活動豐富、建構(gòu)清晰，結(jié)合科研數(shù)據(jù)和工業(yè)生產(chǎn)的實際應(yīng)用，圍繞物質(zhì)轉(zhuǎn)化這一主題，綜合資源、能源與環(huán)境等相關(guān)問題開展綜合復(fù)習(xí)，選取了貼近社會生產(chǎn)的真實、有意義、可操作的綜合性內(nèi)容，滿足課程標(biāo)準(zhǔn)的必備知識、關(guān)鍵能力和正確的價值觀導(dǎo)向，在復(fù)雜遞進的問題鏈中，學(xué)生積極調(diào)用結(jié)構(gòu)化知識和科學(xué)視角來解決真實問題，并形成可遷移的思維模型。

二、學(xué)生學(xué)情分析

1.學(xué)生基礎(chǔ)

從學(xué)生的學(xué)科能力發(fā)展看，通過高三前期全面的復(fù)習(xí)，學(xué)生對本專題所涉及的基礎(chǔ)知識和反應(yīng)原理經(jīng)過了系統(tǒng)的梳理，能夠從宏觀微觀、定性定量等多角度認(rèn)識化學(xué)變化，可以結(jié)合相關(guān)原理，解釋影響化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的因素，并結(jié)合生產(chǎn)、生活實際問題說明化學(xué)反應(yīng)中的能量變化和調(diào)控反應(yīng)條件。從心理發(fā)展來看，由于本部分邏輯推理要求高，而學(xué)生獲取信息、加工信息、圖表圖像分析的能力還不夠，綜合解決復(fù)雜問題的能力還不強，而高考試題、模擬試題比較難，所以大部分高三學(xué)生對本專題涉及的實際工業(yè)問題、多元平衡體系的綜合分析有畏難情緒，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高。

2.存在不足

主要有四點不足：處于孤立認(rèn)識水平，自主利用多角度或者多變量關(guān)系系統(tǒng)解決復(fù)雜問題的能力尚且欠缺；定量分析能力欠佳，尤其對于多平衡體系和復(fù)雜圖像不能合理解讀、準(zhǔn)確分析；學(xué)科思想單一，不能從整體角度去看待問題，不能把控主要矛盾和次要矛盾；答題不夠規(guī)范，邏輯推理不嚴(yán)密，學(xué)科語言不嚴(yán)謹(jǐn)。

因此本課復(fù)習(xí)目標(biāo)定位于建構(gòu)多角度認(rèn)識物質(zhì)轉(zhuǎn)化和反應(yīng)條件控制的思維模型，并形成答題模板，以綜合解決復(fù)雜的真實問題。

三、教學(xué)與評價目標(biāo)

（1）通過對CH3OH 合成反應(yīng)的設(shè)計，建立從價類二維、綜合判據(jù)和耦合思想設(shè)計化學(xué)反應(yīng)的思維模型，評價學(xué)生的發(fā)散思維和證據(jù)推理的能力。

（2）通過對CO2催化加氫制甲醇的熱力學(xué)、動力學(xué)分析，建構(gòu)從方向、限度和快慢角度調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的思維模型，評價學(xué)生從孤立分析到系統(tǒng)分析的能力。

（3）通過對化工實際生產(chǎn)的研究，學(xué)會“多、快、好、省”的綜合思維，樹立綠色化學(xué)觀念，學(xué)會分析圖像、處理數(shù)據(jù)，評價學(xué)生運用數(shù)學(xué)工具和化學(xué)思想綜合解決真實問題的能力。

四、教學(xué)設(shè)計思路

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》強調(diào)“以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進學(xué)科核心素養(yǎng)的落實”。本課時貫徹課程標(biāo)準(zhǔn)的教育理念，堅持宏觀把握、中觀建構(gòu)和微觀落實的原則，立足培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力，以“探究化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計與反應(yīng)條件的優(yōu)化”為課題，選擇社會熱點問題“碳達(dá)峰、碳中和”，圍繞“CO2合成甲醇”項目主題，以“具體事實→概念抽取→模型建構(gòu)→完善應(yīng)用”為主線索，重視物質(zhì)轉(zhuǎn)化大概念，創(chuàng)設(shè)真實情境，綜合運用化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率概念，基于學(xué)科理解和學(xué)習(xí)進階系統(tǒng)解決真實化工生產(chǎn)中的真實問題，促進了學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。具體地分為環(huán)環(huán)相扣的四個板塊：

（1）從設(shè)計反應(yīng)“CO2到甲醇的轉(zhuǎn)化”抽取出“價類二維、熱力學(xué)計算”等基本概念，遷移應(yīng)用中再通過“TiCl4的制取”補充“耦合思想”加以完善，進而提取出核心概念“反應(yīng)的方向與設(shè)計”。

（2）從選擇反應(yīng)條件，建構(gòu)化工生產(chǎn)“多、快、好、省”調(diào)控反應(yīng)條件的思維模型，并孤立運用“熱力學(xué)”（化學(xué)平衡、平衡轉(zhuǎn)化率、平衡產(chǎn)率）和“動力學(xué)”（化學(xué)反應(yīng)速率、反應(yīng)歷程）得出“可通過調(diào)控化學(xué)反應(yīng)限度和快慢獲得目標(biāo)物質(zhì)”的條件并不完全一致，必須系統(tǒng)研究、綜合優(yōu)化。

（3）通過分析真實的科研生產(chǎn)數(shù)據(jù)，綜合優(yōu)化“濃度、壓強、溫度、催化劑”四個反應(yīng)條件，結(jié)合“綠色化學(xué)、循環(huán)經(jīng)濟”概念，從物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)化、速率動力學(xué)、平衡熱力學(xué)等系統(tǒng)思維視角，建構(gòu)了分析復(fù)雜平衡體系條件控制的思維模型，提煉出“定性定量結(jié)合、調(diào)控主副反應(yīng)”等學(xué)科思想。

（4）從成果模型的遷移應(yīng)用中，完善“運用耦合思想、發(fā)展綠色工藝、把握主次矛盾”等思想，進一步形成“在正確的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任指導(dǎo)下，通過科學(xué)設(shè)計、工程技術(shù)和條件調(diào)控化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)造福人類”的學(xué)科大概念，發(fā)展學(xué)生“綠色化學(xué)”觀念和辯證思維的能力。

教學(xué)流程如圖1：

圖1 教學(xué)流程

五、教學(xué)設(shè)計

【情境導(dǎo)入】引入項目背景，展示二十大報告關(guān)于碳達(dá)峰碳減排的論述和甲醇作為清潔燃料的圖文資料（圖2所示），引導(dǎo)學(xué)生多角度認(rèn)識二氧化碳，知道它既是溫室氣體又是潛在的資源，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)資源利用意識，增強社會責(zé)任感。

圖2 情境素材

材料一：習(xí)近平總書記在黨的二十大報告中明確了到2035年我國發(fā)展的總體目標(biāo)，其中之一是“碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降，生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)，美麗中國目標(biāo)實現(xiàn)”。

材料二：甲醇是一種重要的清潔燃料，傳統(tǒng)上通過石油裂解和煤制備，而利用CO2直接轉(zhuǎn)化為甲醇，既可以減排CO2，又可以使人類不受到化石能源的限制。

【項目任務(wù)】引導(dǎo)學(xué)生拆解項目，按照工程設(shè)計的思路分成設(shè)計化學(xué)反應(yīng)、選擇反應(yīng)條件、優(yōu)化反應(yīng)條件三個子項目，目的是從宏觀把握項目研究的程序，讓學(xué)生清楚從哪里出發(fā)、到哪里去。

設(shè)計意圖：確定課堂主題，并從國家政策規(guī)劃到資源綠色應(yīng)用創(chuàng)設(shè)真實情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。

1.項目一：設(shè)計化學(xué)反應(yīng)

通過定性定量相結(jié)合來設(shè)計化學(xué)反應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識物質(zhì)轉(zhuǎn)化的兩種思路：價類二維和熱力學(xué)計算判據(jù)，通過展示我國科學(xué)家研究成果和實際生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化證實設(shè)想，從而發(fā)展科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任、證據(jù)推理和模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)，具體設(shè)計思路如表1所示。

表1 學(xué)生活動和設(shè)計意圖

【評價任務(wù)】診斷并發(fā)展學(xué)生對物質(zhì)轉(zhuǎn)化思路的認(rèn)識水平（基于概念原理水平）和化學(xué)價值的認(rèn)識水平（學(xué)科價值視角、社會價值視角）。

2.項目二：選擇反應(yīng)條件

建構(gòu)工業(yè)化生產(chǎn)條件的綜合思維模型，并從理論知識上分析出溫度條件的要求相互矛盾的結(jié)論，創(chuàng)設(shè)出認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心，使思維處于積極狀態(tài)，利于下一步的實際研究，具體設(shè)計思路如表2所示。

表2 學(xué)生活動和設(shè)計意圖

【評價任務(wù)】診斷學(xué)生系統(tǒng)考慮多種因素的分析水平（孤立水平、系統(tǒng)水平），利用熱力學(xué)和動力學(xué)理論分析應(yīng)用水平（基于概念原理水平），發(fā)展學(xué)生綜合分析和運用基本理論的能力。

3.項目三：優(yōu)化反應(yīng)條件

通過具體真實的數(shù)據(jù)圖表，逐一探究，讓學(xué)生自主分析，建立定性與定量結(jié)合分析平衡移動，同時與理論上的單一反應(yīng)分析產(chǎn)生認(rèn)知沖突后，引導(dǎo)學(xué)生建立起“調(diào)控主副反應(yīng)、把握主導(dǎo)作用”的辯證唯物主義觀點，發(fā)展科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)。為了增加學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，積極創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會像科學(xué)家一樣思考，睜眼看世界，比如引入兩篇外文資料的圖像全部是雙縱坐標(biāo)，同時以我國科學(xué)家的研究成果為例，增強學(xué)生的民族自豪感，具體設(shè)計思路如表3所示。

表3 學(xué)生活動和設(shè)計意圖

【評價任務(wù)】診斷學(xué)生從方向、限度和快慢角度調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的分析水平（基于概念原理水平），系統(tǒng)考慮多種因素影響的分析水平（孤立水平、系統(tǒng)水平），發(fā)展學(xué)生綜合分析和運用基本理論的能力。

4.模型應(yīng)用遷移創(chuàng)新

應(yīng)用思維模型解決具體真實問題，建立知識關(guān)聯(lián)，對化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率形成結(jié)構(gòu)化認(rèn)識，并優(yōu)化思維模型，從而建立反應(yīng)耦合、分壓比較和把握主次矛盾等思想方法，發(fā)展學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)，具體設(shè)計思路如表4所示。

表4 學(xué)生活動和設(shè)計意圖

【評價任務(wù)】診斷學(xué)生評價學(xué)生解決復(fù)雜問題的水平（孤立水平、系統(tǒng)水平），發(fā)展學(xué)生運用數(shù)學(xué)工具和化學(xué)思想分析圖像、處理數(shù)據(jù)，綜合解決真實問題的能力。

【課堂小結(jié)】引導(dǎo)學(xué)生整理完善思維模型，形成完整的思維框架，如圖3所示。

圖3 認(rèn)知模型

【結(jié)束語】利用諧音“常常地想和美美地答”作為結(jié)束語，強調(diào)本節(jié)課的難點和答題的規(guī)范，讓學(xué)生有種心靈的愉悅感，如圖4所示。

圖4 本節(jié)課的難點和答題的規(guī)范

【作業(yè)布置】專題訓(xùn)練和項目拓展，便于激發(fā)學(xué)有余力的學(xué)生關(guān)注CO2資源化利用的其他化學(xué)方法，以發(fā)展學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”核心素養(yǎng)。

六、教學(xué)反思

本節(jié)課采用項目式教學(xué)將專題內(nèi)容進行整合，不拘泥于教材，廣泛選材、精心選題，圍繞“CO2合成甲醇”主線索設(shè)計豐富而有創(chuàng)意的任務(wù)群，由簡單到復(fù)雜逐步深入，基于真實的問題情境，重視復(fù)習(xí)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，使學(xué)生積極參與問題的解決過程，探究化的學(xué)習(xí)方式培養(yǎng)學(xué)生的理解、實踐、創(chuàng)新能力，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

1.注重主題大概念統(tǒng)攝下的認(rèn)知建構(gòu)

本節(jié)課沒有停留在復(fù)習(xí)本章碎片化知識的層面，而是注重主題大概念統(tǒng)攝下的認(rèn)知建構(gòu)，實施知識關(guān)聯(lián)的項目化、結(jié)構(gòu)化的教學(xué)設(shè)計。大概念是基于具體事實基礎(chǔ)上抽象出來的、深層次的、可遷移的概念［6］。本節(jié)課確定物質(zhì)的轉(zhuǎn)化為核心概念，物質(zhì)的轉(zhuǎn)化是化學(xué)學(xué)科的大概念，如圖5所示：

圖5 本節(jié)課大概念解析

本課例教學(xué)內(nèi)容的選擇、任務(wù)活動的設(shè)計力求對物質(zhì)轉(zhuǎn)化大概念形成多個視角的認(rèn)識，以反應(yīng)的設(shè)計、條件的選擇和條件的優(yōu)化為主線，充分發(fā)展學(xué)生綜合應(yīng)用價類二維、熱力學(xué)計算、耦合思想、能量轉(zhuǎn)化、熱力學(xué)、動力學(xué)、辯證唯物主義等化學(xué)核心觀念在生產(chǎn)實踐應(yīng)用中的認(rèn)識思路。

2.注重創(chuàng)設(shè)真實富有價值的問題情境

教師在教學(xué)中注重緊密聯(lián)系生產(chǎn)和生活實際，創(chuàng)設(shè)豐富多樣的真實問題情境。如二十大報告對碳達(dá)峰碳減排的論述、甲醇清潔燃料的應(yīng)用、我國科學(xué)家利用二氧化碳合成淀粉、報道河南安陽建成合成甲醇聯(lián)產(chǎn)裝置并實現(xiàn)全面投產(chǎn)、展示李燦院士團隊發(fā)現(xiàn)了ZnO-ZrO2雙金屬固溶體氧化物催化劑及重要的研究數(shù)據(jù)、苯乙烯的生產(chǎn)中恒壓條件下?lián)饺胍欢康乃魵獾龋瑸閷W(xué)生提供實踐應(yīng)用、遷移創(chuàng)新的平臺，培育愛國情懷，展示學(xué)科獨特價值。

3.注重學(xué)科理解和思維進階的探究活動

本節(jié)課基于學(xué)科理解和思維進階，注重發(fā)展學(xué)生高階思維，聚焦學(xué)科核心價值，讓素養(yǎng)成為解決問題的主體。如在優(yōu)化反應(yīng)條件項目中，在分析濃度因素時僅涉及主反應(yīng)，而分析壓強因素時出現(xiàn)了副反應(yīng)，并通過高考試題展示兩個副反應(yīng)，為分析溫度因素的影響做好鋪墊。在學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計上，遵循了由具體到抽象、再到實踐的認(rèn)知規(guī)律，如在分析溫度因素時，以高考試題答案分析出分析多元平衡體系的答題模板后，接著以學(xué)生的生成性問題“溫度高于T1時甲醇的產(chǎn)率仍在增加”為抓手，引導(dǎo)學(xué)生再次分析影響副反應(yīng)II的兩種相互競爭的條件，討論得出CO濃度增加占主導(dǎo)因素，及時鞏固了思維模型。模型應(yīng)用的三道真實問題由易到難，利用數(shù)學(xué)工具、化學(xué)思維和化學(xué)認(rèn)識視角解決問題，感受科學(xué)思維之美，培養(yǎng)科學(xué)探究和創(chuàng)新意識，同時關(guān)注學(xué)生形成正確的價值觀。