發展化學學科能力和工程思維的項目式學習

王星喬 滕瑛巧 潘嫵璠 包朝龍

摘要：以“煉化企業含硫廢氣的處理”為主題，開展高中化學項目式學習。通過完成“了解含硫廢氣主要成分”“探討含硫廢氣的處理方法”“分析含硫廢氣的資源化工藝”“監測含硫尾氣的排放量”等四個子項目，鞏固物質分類、氧化還原反應、元素化合物、定量計算等核心知識，發展化學學科能力和工程思維，形成環境問題的認知思維模型。

關鍵詞：項目式學習；學科能力；工程思維；含硫廢氣

文章編號：10056629（2023）06005206中圖分類號：G633.8文獻標識碼：B

1 項目主題價值分析

項目式學習以學生為主體，讓學生在真實的問題情境中實踐，并在探究和解決問題的過程中獲得基本知識和技能、關鍵能力和必備品格^［1］。將項目主題確定為“煉化企業含硫廢氣的處理”，主要是因為該主題具有如下教學價值及功能：

（1） 承載核心知識。本項目主題與高中必修課程主題2“非金屬及其化合物”、主題5“化學與社會發展”密切相關，利用物質類別通性、氧化還原反應、定量計算等核心知識探究含硫廢氣的處理方法、資源化利用途徑及含量監測等問題，構建含硫物質間相互轉化的價類二維圖，初步形成從物質性質及其轉化認識環境污染的成因、主要危害及防治措施的視角，使得知識關聯與認識思路結構化。

（2） 發展學科能力。根據王磊教授提出的“3×3”能力框架模型^［2］，本項目主題涉及的能力發展點如表1所示，通過多樣化的能力活動幫助學生在解決“真問題”中培養“真能力”。

（3） 培育工程思維。工程思維的主體是工程師、企業家和管理者，它的核心是籌劃性地運用各種知識解決工程實踐問題，主要包含創造性思維、系統性思維、權衡性思維、價值性思維、雙贏思維^［3］。含硫廢氣資源化工藝的設計、評價及克勞斯法工藝流程示意圖的繪制等活動項目要求學生創造性地從資源化利用、原子經濟性、成本能耗低、條件要求低、反應速率快、綠色無污染等視角系統考慮工程實踐問題，合理匹配并權衡各要素，為社會生產出有價值的產品，同時獲得最佳經濟效益。

2 項目學習目標

該項目在學生學習人教版教材必修第二冊第五章“化工生產中的重要非金屬元素”時實施，學生已有物質分類、物質的量、離子反應、氧化還原反應、原子結構與元素周期律、金屬單質與典型化合物的性質知識，根據課程標準相關要求，擬達到如下目標：

（1） 通過參考資料的閱讀與信息檢索，能說出煉化企業含硫廢氣的主要成分、產生原理和危害；

（2） 通過“含硫廢氣處理方法的探討”，建立物質性質、物質轉化與環境問題處理之間的關聯，形成基于物質類別、元素價態認識物質化學性質的認識模型并能設計實驗進行驗證；

（3） 通過“含硫廢氣的資源化工藝分析”，能從資源化利用、原子經濟性、成本能耗、條件要求、反應速率、安全綠色等視角分析工藝實際問題、權衡利弊，初步形成工程思維；

（4） 能運用碘量法定量分析尾氣中SO₂的含量，體會定量分析的價值，贊賞政府、企業為改善環境所作出的持續努力；

（5） 能綜合利用認識模型、實踐模型撰寫含硫廢氣處理的相關小論文，提出含氮廢氣處理的可操作性方案。

3 項目任務及教學流程

以“煉化企業含硫廢氣的處理”作為總項目，經學生討論拆解為四個遞進式子項目，以問題為驅動，以活動為載體，在真實情境中發展學生的化學學科能力和工程思維。四個子項目、問題線、活動線及發展線如圖1所示。

4 項目實施過程

4.1 子項目1——了解含硫廢氣的主要成分

［項目背景］隨著我國經濟的快速發展，石油需求量以每年5%的速率增長，大量原油需進口，其中以中東含硫量較高的原油為主。其在原油加工過程中產生大量含硫廢氣，不僅會使催化劑中毒、致使生產條件惡化、設備的腐蝕，且會造成嚴重的環境污染^［4］。

［項目拆解］學生經過討論，對以下問題感興趣：含硫廢氣的成分是什么，它是如何產生的？如何處理含硫廢氣？能否資源化利用？如何監測排放的尾氣是否達標？根據學生感興趣的問題，將總項目拆分為四個子項目。

［學生活動］通過互聯網查閱煉化企業含硫廢氣的相關信息，閱讀教師項目學習單上提供的資料。

［交流展示］原油中有硫醇、硫醚等含硫的物質，這些物質受熱分解后會產生硫化氫；為脫除油品中的硫或提高油品質量，煉化企業會采用加氫工藝，油品中的硫化物在氫壓和催化劑的條件下將轉化為硫化氫。

設計意圖：課前通過布置查閱資料活動任務讓學生了解煉化企業含硫廢氣的初始成分（H₂S）以及產生原因，引發學生對煉化企業環保問題的關注，增強社會責任感。

4.2 子項目2——探討含硫廢氣的處理方法

［教師］含硫廢氣的主要成分是H₂S，這是一種具有惡臭、劇毒、易燃的氣體。

［學生展示］課前整理的價類二維圖，如圖2所示。

［提問］如何處理H₂S呢？請小組設計方案，并給出你們的依據。

［學生活動］討論H₂S的處理方案。

［學生1］H₂S是二元酸，可以用堿液吸收，例如NaOH、 Ca（OH）₂等。

［學生2］H₂S中硫元素處于最低價態，應該具有還原性，可以用酸性高錳酸鉀這樣的強氧化劑吸收。

［學生3］可以用硫酸銅溶液吸收，因為硫化氫可以與硫酸銅反應生成硫化銅，我們組查閱資料時了解到這一信息（同學們投來贊許目光）。

［教師點評］H₂S是二元弱酸，肯定可以用堿液吸收處理，剛才同學也從資料中了解到硫酸銅可以吸收H₂S，這主要是它們發生如下反應：CuSO₄+H₂S====CuS↓+H₂SO₄。那-2價硫是否真具有還原性呢？

［實驗探究］-2價硫元素的還原性。

實驗用品：Na₂S溶液，Na₂SO₃溶液，KI溶液，淀粉，酸性KMnO₄溶液，稀硫酸。

［學生活動］設計實驗方案并動手實驗。

［學生1］我們小組取適量Na₂S溶液，再滴加數滴酸性KMnO₄溶液，觀察到酸性KMnO₄溶液紫紅色褪去，說明Na₂S具有還原性；但往Na₂S溶液中滴加Na₂SO₃溶液并未出現預期的淡黃色沉淀。

［學生2］我們在Na₂S、Na₂SO₃混合溶液中滴加稀硫酸，出現了淡黃色渾濁物，說明Na₂S在酸性條件下可以被Na₂SO₃氧化。

［師生歸納］物質氧化性和還原性探究思路，如圖3所示。

［子項目成果］環境問題的認識視角，如圖4所示。

設計意圖：H₂S并不是課程標準和教材規定的需要系統學習的含硫重要化合物，學生對此物質較為陌生。安排學生討論H₂S的處理方案并說明依據這一學習活動，其實也是對學生的評價，探查學生是否具有類別和價態的自主分析角度與能力。根據假設，讓學生根據提供的實驗藥品自主設計實驗方案，動手實驗獲取證據，有目的、有計劃地引導學生運用化學科學思維方式和方法認識H₂S的性質。通過這一子項目，外顯物質氧化性和還原性的探究思路、環境問題的認識視角，認識物質性質及其轉化在環境保護中的重要價值。

4.3 子項目3——分析含硫廢氣的資源化工藝

［提問］如果你是化工工程師，選擇處理方式時要考慮哪些因素？

［學生］需考慮吸收劑的價格、處理設備成本、吸收效果、產物能否再利用以及經濟效益等。

［教師點評］要達到低能耗、低成本、安全性、產物再利用、吸收速率快、轉化率高、條件溫和等要求。

［教師］資源化利用是實現可持續發展的重要途徑，工業上含硫廢氣如何進行資源化利用呢？

［學生］可將H₂S轉化為硫黃或硫酸，因為這兩種含硫物質應用廣泛。

［追問］你會考慮轉化為哪種資源化產品？請給出理由。

［學生］將其轉化為硫黃，工藝流程上較簡化。

［教師］煉化企業主要將硫化氫轉化為硫黃。請同學們利用價類二維圖設計工業上轉化為硫黃的可能方案。

［學生活動］討論硫化氫轉化為硫黃的可能方式。

［方案1］可以用空氣（氧氣）氧化硫化氫；也可以用氯氣氧化硫化氫。

［方案2］我們組認為可以用SO₂與H₂S歸中反應制硫黃。

［方案3］H₂S可以直接受熱分解制硫黃。

［師生評價］空氣（氧氣）來源廣、成本低，但不易控制，氧氣過量會生成二氧化硫；氯氣較空氣（氧氣）成本要高些；H₂S直接受熱分解獲得硫黃的同時也獲得氫氣，氫氣是綠色能源，這一方案較有前景，但從目前來看能耗高、轉化率低，難以大規模應用^［5］。

［追問］SO₂與H₂S歸中反應制硫黃具有可控性，但如何獲得二氧化硫，如何優化這一方案？

［學生］可以讓部分硫化氫充分氧化生成二氧化硫，再讓SO₂與H₂S歸中反應制硫黃。

［教師］你的想法很好，這正是煉化企業處理含硫廢氣普遍使用的方法——克勞斯法。

［提供信息］克勞斯法的基本原理^［6］：

［提問］根據克勞斯法的基本原理，若要使硫化氫中的硫元素全部轉化為硫單質，熱反應階段需控制多少比例的硫化氫被氧化？

［學生］催化轉化階段H₂S與SO₂物質的量之比為2∶1，則熱反應階段需控制1/3的硫化氫被氧化。

［學生活動］參照硫酸生產工藝流程圖，嘗試畫出克勞斯法的工藝流程圖。

［學生作品］學生繪制的流程圖，如圖5所示。

［師生評價］從原料轉化率、能量利用、綠色環保等角度進行評價。

［投影展示］克勞斯法工藝流程圖，如圖6所示。

［教師］實際工藝中需要考慮能量的利用、尾氣處理以及原料的充分轉化，因為一次性轉化往往達不到標準要求，所以實際工藝中需要增加二級轉化器乃至三級轉化器，這就要求具備工程思維。

［子項目成果］工程思維的內涵要素與分析視角，如圖7所示。

設計意圖：利用問題“如果你是化工工程師，選擇處理方式時要考慮哪些因素？”診斷學生工程思維分析視角水平并通過教師點評使之系統化、結構化。含硫廢氣資源化方案的探討活動，要求學生綜合運用物質性質的認識視角、工程思維的分析視角權衡方案、優化方案，培養學生的系統性思維、權衡性思維與價值性思維。克勞斯法工藝流程圖的繪制則是讓學生系統、權衡地進行工程設計，理解工藝設計的理性和方法，逐步迭代優化工程方案，發展遷移創新能力。

4.4 子項目4——監測含硫尾氣的排放量

［教師］通過克勞斯法處理的尾氣可以直接排放嗎？

［提供信息］克勞斯法硫黃回收工藝受反應溫度下熱力學平衡限制，即使采用活性良好的催化劑和三級轉化工藝，常規克勞斯裝置的硫回收率最高只能達到97%左右，尾氣中含有大量H₂S、液硫和有機硫化物，灼燒后最終以SO₂的形式排入大氣^［8］。

［教師］石油煉制工業污染物排放標準（GB 315702015）規定，SO₂一般區域不得超過400mg/m³，在執行大氣污染物特別排放限值的區域不得超過100mg/m³。國標中同時規定了大氣污染物濃度測定方法標準，碘量法是其中之一^［9］。

［提供信息］煙氣中的二氧化硫被氨基磺酸銨混合溶液吸收，用碘標準溶液滴定。按滴定量計算二氧化硫濃度。反應的方程式如下：SO₂+H₂O====H₂SO₃；H₂SO₃+H₂O+I₂====H₂SO₄+2HI。測定范圍：100～400mg/m³；在測定范圍內，方法的批內誤差不大于±6%^［10］。

［提問］如何表征碘標準溶液與試樣恰好完全反應？

［學生］滴定前往試樣中滴加幾滴淀粉溶液，當溶液顏色由無色恰好變為藍色時，表示恰好完全反應。

［思考］采集某煉化廠尾氣40L（標準狀況下），充分吸收后，用濃度為0.005mol/L碘標準溶液滴定，消耗碘標準溶液20.00mL，該尾氣是否符合排放標準？

［學生］經計算，煉化廠尾氣中二氧化硫的濃度為160mg/m³。

［教師］碘量法是手工監測的一種方式，現在國家對環保要求很高，因此鎮海煉化采用紫外吸收法、紫外熒光法等現代化監測方法，以便達到自動、實時、準確等要求。

［呈現圖片］寧波：千只白鷺定居煉化廠。

［教師］白鷺對水質、空氣的要求極高，稱為大自然的“生態檢驗師”。寧波鎮海煉化的技術創新、環境改善，也是當前中國技術創新、改善環境的一個縮影。

［提煉認識思路］從物質、物質性質與物質變化的角度認識環境問題的危害、產生與防治，以工程思維指導實際處理方案的抉擇，如圖8所示。

設計意圖：了解煉化企業尾氣中SO₂的來源以及碘量法測定尾氣中SO₂含量的基本原理，使學生樹立尾氣需定量監測的意識。從工程角度分析，定量檢測需從手工監測走向自動化監測，簡要介紹紫外吸收法、紫外熒光法等現代化監測方法。呈現白鷺滿園圖片，目的在于增進學生對石化企業的理解，贊賞政府、企業為改善環境所作出的持續努力。

4.5 項目成果展示

［教師］經過上述學習，請同學們以小組為單位撰寫煉化企業含硫廢氣處理相關小論文及設計含氮廢氣（NO_x）的處理方案。

［展示交流］略。

設計意圖：撰寫小論文外顯本項目的研究成果，評價學生能否運用所學內容認識、處理環境問題，并使之形成系統化、結構化的思維模型。在此基礎上提出含氮廢氣（NO_x）的處理方案，展現學生的設計創意，發展學生的遷移創新能力和社會責任感。

5 項目學習實踐反思

本項目基于環境保護開發主題，以“煉化企業含硫廢氣的處理”為總項目，拆解為四個遞進式子項目，以問題為驅動，以活動為載體，鞏固物質分類、氧化還原反應、元素化合物、定量計算等核心知識，發展學科能力，培育工程思維。在此過程中，外顯依據物質性質及其變化認識環境問題（成因、危害、防治）的視角和思路，以工程思維為指導權衡方案、優化方案，促使學生遷移解決含氮廢氣的處理等陌生情境問題，實現從化學學科知識向化學學科核心素養的轉化。

在項目式教學實踐過程中，學生經歷查閱資料、交流分享、設計方案、評價方案、動手實驗等一系列有廣度有深度的活動，成為了學習主體。在成果交流環節，有的小組基于查閱的資料擴充介紹了克勞斯法，有的小組還介紹了一種硫化氫全新、高效利用的工藝——硫化氫甲烷重整法，明顯感受到學生的學習熱情，收獲了滿滿的成就體驗感。作為教師，應主動閱讀專業書籍與文獻資料，不斷拓展、提升課堂教學的廣度與深度。

（致謝：感謝中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司天然氣研究院陳昌介高級工程師對本文的指導！）

參考文獻：

［1］侯肖，胡久華. 在常規課堂教學中實施項目式學習——以化學教學為例［J］. 教育學報，2016，（4）： 39～43.

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［3］鄒國華，劉帥，蔡小蔓等. 化學教學中培養工程思維： 內涵、必要性及實現途徑［J］. 化學教學，2020，（8）： 3～6.

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［7］陳昌介，李一平，李金金等. 天然氣凈化廠硫磺回收直流法與分流法克勞斯工藝探討［J］. 硫酸工業，2020，（8）： 23～26.

［8］陳賡良. 克勞斯法硫磺回收工藝技術發展評述［J］. 天然氣與石油，2013，（4）： 23～28.

［9］［10］石油煉制工業污染物排放標準（GB 315702015）.