基于“綠色化學”理念的內容結構化教學設計與實踐

張現霞

摘要： 內容的結構化是促進學生從化學學科知識向化學學科素養轉化的關鍵?！熬G色化學”具有豐富的內涵，能貫穿化工生產的全過程。以“工業制硫酸”為例，基于“綠色化學”理念開展內容結構化教學的設計與實踐：基于知識關聯的結構化，分析討論“工業制硫酸”的生產原理、生產條件、能量利用、三廢治理、原料評價等；概括化工生產的基本思路，開展基于認識思路的結構化；不斷建構、完善、應用“綠色化學”的核心觀念，提升核心觀念的結構化水平；基于案例實踐經驗，形成高中化學內容結構化的“教”“學”設計思路。

關鍵詞： 高中化學； 內容結構化； 綠色化學； 工業制硫酸

文章編號： 10056629（2023）11004908 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

結構化是按照對象內部要素的邏輯關系，進行連接、組合形成結構的過程，重在對事物內部基本結構進行探索，認識各要素之間的基本關系，探索內在基本規律［1］?！陡咧谢瘜W課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）中先后共出現了29次與“結構化”相關的表述，指出：內容的結構化是促進學生從化學學科知識向化學學科素養轉化的關鍵，主要有基于知識關聯、認識思路、核心觀念三種結構化形式，教師在組織教學內容時應高度重視化學知識的結構化設計，充分認識知識結構化對于學生化學學科核心素養發展的重要性，尤其是應有目的、有計劃地進行“認識思路”和“核心觀念”的結構化設計，逐步提升學生的結構化水平，發展化學學科核心素養［2］。

教育部2022年10月26日印發《綠色低碳發展國民教育體系建設實施方案》，要求基礎教育階段要培養踐行綠色低碳理念、適應綠色低碳社會、引領綠色低碳發展的新一代青少年?！熬G色化學”是在全球資源日益短缺和環境日趨惡化背景下提出的新理念，Anastas和Warner于1998年提出了“綠色化學”十二條原則，并為國際化學界所公認［3］。蔣葉濤等將這十二條原則分為三塊：總體原則（防污優先、原子經濟、綠色合成、安全意識），用料原則（原料無毒無害、可再生，產品無毒無害、可降解），過程原則（少用助劑、少衍生化、條件溫和、催化高效）［4］。課程標準中共有15處出現了“綠色化學”，其中有8處與化工生產有關?！熬G色化學”已成為化工生產領域的共識，是化工生產單元教學的核心觀念。

硫酸是最重要的化工產品之一，我國最早的硫酸廠可追溯到1876年投產的天津機器局［5］，硫酸工業目前仍在不斷發展中。高中階段“工業制硫酸”的教學內容既是“非金屬及其化合物的性質與應用”的情境素材，又是“運用反應速率和化學平衡原理綜合調控化學反應”的真實案例，在幫助學生建立知識結構化、認識思路結構化和核心觀念結構化方面大有可為。鑒于此，研究嘗試以滬科版必修第二冊“工業制硫酸”為例，開展基于“綠色化學”理念的內容結構化的教學設計與實踐，嘗試提煉高中化學內容結構化的“教”“學”設計思路。

2 教材及思路分析

教材以“硫酸的重要用途→生產原理的確定→原料的選擇→反應條件的控制→能量的利用→三廢的處理”為線索展開教學內容結構化設計（見圖1）。

在分析生產原理時，教材設置了“想一想”欄目，引導學生從硫酸的組成、硫元素的化合價等角度進行分析，教師可以組織學生應用硫的“價類”轉化關系設計轉化路徑，從中概括確定化工生產反應原理和反應原料的基本思路。

在選擇原料時，教材從成本、反應條件、廢渣和尾氣處理、物能循環利用等角度進行了闡述，教師可以組織學生對不同原料進行優劣勢分析，引導學生主動思考化工生產對環境和社會的影響，從而領悟“綠色化學”的用料原則。

在介紹生產過程時，教材通過“想一想”欄目，引導學生利用化學反應速率和化學平衡原理，討論促進SO2又快又多地轉化為SO3的反應條件，教師可以組織學生從中概括提高產出的基本思路，領悟“綠色化學”的過程原則和原子經濟原則。

在討論能量利用和三廢處理時，教材先提出能耗和污染問題，引導學生運用所學知識解決問題，教師可以組織學生從中概括化工生產中充分利用能量及治理三廢的基本思路，領悟“綠色化學”的防污優先、綠色合成、安全意識等原則。

通過深入分析還發現，“原料選擇”和“三廢處理”存在因果關系，若按照教材順序，即在學習“三廢處理”前討論“原料選擇”，這不利于學生全面自主分析原料的優劣勢。因此，本研究將內容邏輯改為“生產原理的確定→生產條件的控制→能量的利用→三廢的處理→原料的評價→發展的方向”的順序。為確保學生能充分開展討論、探究，本課內容分2課時進行。

3 教學目標設計

（1） 根據硫元素的“價類”轉化關系，結合化學史，設計從原料到硫酸產品的轉化路徑，概括工業制硫酸的一般流程，運用化學反應速率和化學平衡理論討論和解決硫鐵礦制硫酸中的問題，提煉化工生產中確定反應原理和反應原料、提高產出率的基本思路。

（2） 了解硫鐵礦制硫酸的實際生產過程、三廢處理和能源利用等，從物能利用和環境保護等角度對制備硫酸的不同原料進行評價，概括化工生產中治理三廢和充分利用能量的基本思路。

（3） 通過分析工業制硫酸的反應原理、反應原料、生產過程、產品處理、能量利用、工藝發展等，樹立并領悟“綠色化學”理念的豐富內涵，形成資源全面節約、物能充分利用的意識。

4 課時內容結構教學流程設計

根據以上分析，具體課時內容和結構化教學流程見圖2。

5 教學過程

5.1 第1課時工業制硫酸的反應原理和生產過程

環節一：工業制硫酸的轉化路徑

［化學史情境］教材第59頁：早期的硫酸制備。

［情境任務］根據硫的“價類”轉化關系，結合化學史，設計由含硫原料制硫酸的轉化路徑，用流程圖簡要表示工業制硫酸的主要階段，概括化工生產中確定反應原理和反應原料的基本思路。

［學生討論及評價標準建議］

方案1：1000多年前，綠礬、膽礬煅燒SO3→H2SO4

方案2：18世紀，硫黃、硝石燃燒SO2氮氧化合物SO3→H2SO4

方案3：19世紀后期，硫鐵礦煅燒SO2SO3→H2SO4

工業制硫酸簡要流程圖（見圖3）。

確定化工生產反應原理和反應原料的基本思路：從化工產品的組成和性質角度逆向推理，根據反應原理設計科學的轉化路徑，選擇易獲取、含量豐富的原料。

設計意圖：在化學史情境中利用硫的“價類”關系分析不同歷史階段制備硫酸的方案，從基于知識關聯的結構化走向基于認識思路的結構化，提煉確定化工生產中反應原理和反應原料的基本思路，初步領悟“綠色化學”的用料原則。

環節二：接觸法制備硫酸的反應原理

［情境任務］建國初期，基于硫鐵礦資源較豐富、硫黃資源較匱乏的實際國情，我國硫酸工業的主要原料是硫鐵礦。用化學方程式表示硫鐵礦制硫酸的反應原理，利用化學反應速率和化學平衡原理討論在造氣、轉化、吸收三個階段，理論上如何提高硫酸的產出，概括化工生產中提高產出的基本思路。

［學生討論及評價標準建議］

第一階段：造氣 4FeS2+11O2煅燒2Fe2O3+8SO2，通過粉碎硫鐵礦、氣固逆流等方式，增大接觸面積，使反應充分進行。

第二階段：轉化 2SO2+O2高溫催化劑2SO3，通過使用高效催化劑、增大反應物濃度等方式，在適宜的溫度、較高的壓強條件下提高反應速率；在較高壓強、較低溫度條件下通過通入過量O2、循環利用未轉化的原料、及時分離SO3等方式提高SO2的轉化率。

第三階段：吸收 SO3+H2OH2SO4，采用氣液逆流的方式，增大接觸面積，提高SO3的吸收效率。

化工生產中提高產出的基本思路：調控反應溫度、壓強、濃度、催化劑等條件加快反應速率；通過調控反應條件促使平衡向生成物的方向移動和原料循環利用等方式提高原料利用率；采用逆流原理使反應充分進行等。

設計意圖：以硫鐵礦制硫酸的一轉一吸工藝為例，從理論角度討論提高產出的措施，從基于知識關聯的結構化走向基于認識思路的結構化，概括化工生產中提高產出的基本思路，引導學生體會化學原理對實際生產的指導作用，初步領悟“綠色化學”的原子經濟原則。

環節三：硫鐵礦制備硫酸的生產過程

［資料補充］（1） 轉化階段，SO2和O2在不同溫度、不同壓強下的原料轉化率如表1所示。

（2） 轉化階段在475℃、 1atm條件下，使用V2O5作為催化劑時的反應速率比不用催化劑提高1.6×108倍。催化劑對反應具有選擇性，其活性受溫度影響很大，在長期受熱和化學作用時會發生一些不可逆的變化即催化劑中毒。

［分析討論］根據以上數據和信息，討論在實際硫鐵礦制硫酸的第二階段適宜采用怎樣的反應條件？

［學生討論及評價標準建議］（1）常壓下SO2的轉化率已經很高，如果繼續加壓，會對設備的耐壓性能提出更高要求，增加成本，故選擇常壓。（2）催化劑對提高反應速率至關重要，實際生產中以V2O5作為催化劑，需防止催化劑中毒并為其提供適宜溫度（400～500℃），以確保催化劑的催化效能，同時反應速率、SO2的平衡轉化率都比較理想。綜上，硫鐵礦制硫酸的第二階段的實際反應條件是：V2O5做催化劑、常壓、400～500℃。

［真實化工情境］理論分析可以指導實際化工生產，但實際化工生產還需考慮現實因素，觀看工廠真實的硫鐵礦制硫酸視頻。

［情境任務］用流程圖簡要表示硫鐵礦制硫酸的實際生產過程（見圖4）。

［學生討論及評價標準建議］見圖4。

［觀念提升］在實際化工生產中，需從產量、成本、環保等多角度綜合考慮生產條件和工藝流程，其中粉碎硫鐵礦、循環利用原料、逆流吸收SO3等措施都是為了提高原料利用率，這正是“綠色化學”所倡導的高原子經濟性。

設計意圖：以硫鐵礦制硫酸為例，結合實際生產的相關數據、生產設備和工藝流程，分析化工生產中所需考慮的實際因素，引導學生進一步領悟“綠色化學”的原子經濟、催化高效、條件溫和等原則。

5.2 第2課時 我國工業制硫酸的發展

環節一：從物能利用角度全面評價硫鐵礦制硫酸

［銜接引入］“綠色化學”不僅倡導高原子經濟性，也倡導高能源利用率。

［情境任務］結合教材第58頁SO2在接觸室中的多段催化氧化示意圖（見圖5）和第60頁“硫酸工業中熱能的合理利用”文本，分析討論硫鐵礦制硫酸工業中哪些過程需要消耗能量？在這些過程中如何提高能源利用率？概括化工生產中充分利用能量的基本思路。

［學生討論及評價標準建議］

礦石粉碎機、鼓風機、電爐、泵等需要電能，接觸室內需要為催化劑維持適宜溫度，也需要能量。

提高能源利用率的措施：提高煤等燃料的燃燒效率；造氣階段在沸騰爐外設置廢熱鍋爐回收高溫廢熱；轉化階段把熱交換器和接觸室合為一體，充分利用轉化階段的反應熱。

化工生產中充分利用能量的基本思路：提高燃料燃燒效率；充分利用反應自身放出的熱量，如采用廢熱鍋爐、熱交換器等。

［分析討論］描述圖5接觸室中SO2和O2的流動方向，分析轉化過程中的能量變化和能量利用。

［學生討論及評價標準建議］

SO2和O2進入接觸室，從熱交換器的內管流過，再從接觸室頂部進入催化劑層，而后從熱交換器外管流出，進入下一層催化劑，最后從轉化器下方流出。

SO2轉化為SO3是一個放熱的可逆反應，使用熱交換器，經頂層催化劑反應后的SO2和O2從熱交換器外管流出，放出的熱量可用于預熱內管中還未反應的、待加熱的原料，同時為外管中的SO2和O2降溫，使其進入下一層催化劑時仍維持在催化劑最佳活性溫度。

［情境過渡］“綠色化學”倡導高原子經濟性和高能源利用率，其目的是使過程和終端達到零排放或零污染。

［情境任務］硫鐵礦制硫酸過程中的三廢主要成分有哪些？是否需要處理？如何處理？概括化工生產中治理三廢的基本思路。

［學生討論及評價標準建議］

廢氣主要成分有SO2、硫酸霧、顆粒物等，若不處理直接排放會污染大氣?？煽紤]使用堿性溶液進行吸收，如用NaOH溶液、石灰乳、氨水等，用石灰乳吸收SO2獲得的產物可用作石膏，用氨水吸收SO2獲得的產物可作氮肥。

若排出的是沒有被污染的冷卻廢水，則可循環利用。若排出的是酸性廢水，不處理直接排放會造成水體污染，可用石灰乳等堿性物質中和處理。

廢渣主要成分有氧化鐵、硫化亞鐵及其他有害物質，如不處理則會造成土壤污染。若廢渣中含鐵量高，可直接作為煉鐵的原料或制備鐵的系列化工產品；若含鐵量低、有害物質含量高，則需要預處理后再用于煉鐵。

化工生產中治理三廢的基本思路：采用化工聯合思想將三廢轉化為有用的產品即變廢為寶；通過化學反應將三廢轉化為無毒無害的物質。

［觀念提升］化工生產中要做到零排放或零污染，可從物質和能量兩方面思考。物質方面，一是提高原子經濟性，盡可能提高產出，如使用合適的催化劑、適宜的溫度和壓強、原料循環利用、化工聯合生產等；二是關注三廢的治理，將其轉化為無毒無害或有用的產品。能量方面，一是使用新能源，如太陽能等；二是提高能源的綜合利用效率，如固體燃料粉碎、液體燃料霧化、使用熱交換器等。

設計意圖：從物質轉化和能量利用角度分析熱交換器的設計原理和三廢處理方式，從基于知識關聯的結構化走向基于認識思路的結構化，概括化工生產中充分利用能量及治理三廢的基本思路；再從基于認識思路的結構化走向基于核心觀念的結構化，歸納總結化工生產中實現零排放、零污染的路徑，引導學生感悟“綠色化學”是貫穿化工生產全過程的核心觀念，并領悟其綠色合成、安全意識的原則。

環節二：我國硫酸工業的發展現狀

［情境任務］近年來，我國硫酸工業不斷推陳出新，以硫鐵礦為原料制備的硫酸占比不斷下降，2019年我國工業制硫酸的原料結構分布見圖6。相較于硫鐵礦，硫黃制酸的優勢有哪些？目前我國冶煉煙氣制酸的比例正穩步提升，試分析其原因。

［學生討論及評價標準建議］

硫鐵礦制酸會產生三廢，治理成本大、能耗高、硫資源利用率低。相較于硫鐵礦，硫黃是制硫酸的優質原料，具有生產流程短、三廢治理量小等優勢，但我國硫黃資源少，主要依賴進口。冶煉煙氣是冶煉金屬硫化礦產生的含SO2的煙氣，可用來生產硫酸，有色金屬工業的發展可帶動冶煉煙氣制酸的發展，故我國冶煉煙氣制酸的比例穩步提升。

［觀念提升］“綠色化學”倡導從源頭做起，盡量采用無毒無害、治理成本低的原料，獲得環境友好產物。

設計意圖：對制硫酸的不同原料進行全面評價，引導學生形成化工聯合思想，領悟“綠色化學”的用料原則和防污優先原則。

［觀念升華］綜合考慮工業制硫酸的反應原理、原料選擇、生產過程、產品處理、能量利用、工藝發展等，提煉化工生產基本思路，完善“綠色化學”核心觀念。

化工生產基本思路見圖7。

“綠色化學”核心觀念見圖8（參照人教版必修二對“綠色化學”的闡釋［7］）。

環節三：遷移與評價

（1） 海水曬鹽后的母液（苦鹵）常用作提取溴的原料，其原因是什么？

（2） 工業合成氨氣的原料氮氣一般來源于空氣，氫氣主要來源于水和碳氫化合物，實際生產中維持氫氮比為2.8～2.9，其目的是什么？為了提高原料利用率，還能采取哪些措施？

設計意圖：引導學生運用“綠色化學”理念分析化工生產相關問題，發展并評估學生遷移知識解決問題的能力。

6 教學反思

6.1 對單元結構化教學的思考

化工生產是國民經濟基礎產業之一，是化學學科知識轉化為社會價值的具體體現。“綠色化學”是化工生產的核心觀念，也是學生“科學態度與社會責任”素養的具體體現。基于“綠色化學”理念開展化工生產單元教學，既有利于促進學生從化學知識向化學學科核心素養的轉化，也有利于教師把握教學內容的本質和關鍵，體現了化學學科獨特的“綠色低碳”育人價值。

研究嘗試對“工業制硫酸”進行結構化設計，不斷引導學生建構、完善“綠色化學”核心觀念，后續可將其用于其他化工生產案例的學習，如純堿工業、氨工業、硝酸化工、石油化工等，形成基于“綠色化學”理念的化工生產單元結構化教學設計思路（見圖9）。

6.2 關于內容結構化“教”“學”設計的思考

學習是學生主動地在頭腦內部構造認知結構的過程［8］，認識思路和核心觀念統稱為認知結構［9］，知識結構化是認知結構化的基礎。教師在教學中應該主動地從“知識關聯”“認識思路”和“核心觀念”三方面入手，進行內容結構化教學設計與實踐；學生在學習中亦應當主動地在教師引導下從知識結構化轉向認知結構化，這樣才能讓學科核心素養切實落地（見圖10）。

此外，教師的教學設計要基于學生學習起點，符合學生認知規律，同時也要關注學生視野的拓展，鼓勵學生主動了解學科發展現狀、關注未來發展方向。例如目前我國硫酸工業已發展到兩轉兩吸工藝階段，教師可以引導學生主動應用“綠色化學”核心觀念分析化工生產中的新問題，進一步將核心觀念內化為學科思維。

參考文獻：

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