在工業實際問題解決中發展模型認知素養

摘要：選取工業煙氣脫硝這一素材，以實際問題的解決過程為主線設計核心任務，圍繞氮氧化物的性質、轉化及條件控制等方面分析了工業實際問題的特點及功能價值，引導學生多角度對化學反應及化工生產條件進行綜合考量，培養學生基于證據分析問題的能力，形成從化學視角分析和解決實際問題的思路和方法，發展學生模型認知的學科核心素養。

關鍵詞：模型認知；核心素養；煙氣脫硝；實際問題

文章編號：1008-0546（2023）11-0061-05" 中圖分類號：G632.41" 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.11.013

模型認知不僅是化學科學發展的重要元素，也是化學學習中不可或缺的認知與能力。這些能力不僅有助于學生深刻理解知識是如何建構的，更有利于學生的知識遷移。［1］學生只有在真實的問題情境中，主動調用所學知識，有清晰明確的推理路徑，即具有穩定而全面的認識角度和思路去獨立完成一項系統任務，才能說明素養和能力要求得以達成。工業實際問題因具有陌生元素或物質的多種轉化、圖表和陌生信息的復雜關聯、高中主干知識各模塊的高度融合等特點，因此，解決此類問題要求學生能依據各類物質及其反應的不同特征尋找充分的證據，能夠解釋證據與結論之間的關系，能對實際問題中的關鍵要素進行分析以建構相應的模型，進一步優化模型以解釋或解決復雜的化學問題，所以工業實際問題在發展學生模型認知素養方面有其獨特的功能和價值。［2］本設計以“煙氣脫硝”作為教學內容的載體，將工業實際問題模型中關鍵要素設計成驅動性任務，通過開展證據與推理、模型與解釋、符號與表征等學習活動，引導學生自主構建認識模型，實現知識素養化。

一、教學背景分析

1.教學內容分析

本節課是基于真實問題解決的高三綜合復習課，以工業煙氣脫硝為素材，一是通過學生自主設計路線，聯系氮氧化物的性質等相關化學知識，鞏固認識物質性質的角度，同時讓學生體會實際工業生產中除了關注反應規律外，還要從速率和平衡等角度對反應進行優化，同時關注副反應。教學內容涉及到基本概念（氧化還原反應、離子反應）、基本理論（速率、平衡理論）、元素化合物知識的綜合應用、條件控制和評價，綜合性較強，基于實際問題解決的認識角度豐富且全面，能夠引導學生建立較完整的認識模型。通過對“工業煙氣脫硝”這一環境問題的關注，可培養學生從化學視角研究改善環境問題和變廢為寶的意識，傳達綠色化學理念，有利于正面認識化學科學對社會發展的影響。

2.學生情況分析

學生具備“價—類二維”角度，但在實際設計NO、 NO2的轉化路徑時，大多數學生仍是基于已學反應實現轉化，部分學生能從價態視角找到更多的物質（氧化劑、還原劑）或者采用電化學方法實現氮氧化物的轉化。學生具備運用氧化還原反應原理、水溶液中平衡、電化學等知識分析問題的能力，但對于設計的方案缺乏基于實際的評價思路，自主調用角度調控反應的能力欠缺，不能主動關聯反應的過程中存在的隱性影響因素，如副反應等。分析圖表提取關鍵信息的能力較弱，較難建立信息-知識-認識角度之間的關聯，利用陌生證據推理能力較弱。希望通過分析和解決陌生復雜的工業實際問題，將知識轉化為分析認識對象的角度，在問題解決的過程中，內化認識角度，發展學生模型認知的核心素養。

二、教學目標分析

1.教學目標

（1）能夠應用氧化還原反應原理、化學平衡移動原理、電化學等知識分析物質之間的反應，正確書寫化學方程式，運用化學反應規律和相關原理設計和評價方案。

（2）從速率和平衡角度對煙氣脫硝反應進行調控，形成多角度優化反應的思路和方法，建立解決實際問題的思維模型。

（3）經歷實際問題的解決過程，初步具備從工業視角看問題的能力，認識化學學科的重要社會價值。

2.評價目標

（1）通過對工業脫硝方案的交流與點評，診斷并發展學生對物質性質和實現物質轉化思路的認識水平。

（2）通過對絡合吸收法反應條件調控方案的討論和點評，以及對實際工藝流程中圖表的分析解釋，診斷并發展學生解決實際問題的能力水平。

（3）通過對工業實際問題解決思路的探討，診斷并發展學生對化學價值的認識水平。

三、教學設計思路與流程

本教學以設計煙氣脫硝方案為載體，使學生在運用學科知識解決實際問題的過程中自主構建認識模型，促進學生學科素養及學科能力的發展，課堂環節及每個環節中對應的實際問題、學生活動設計和模型建構如圖1所示。

四、教學實施過程

教學環節一：設計方案脫除NOx

【引入】NOx一般包括 NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5；一般世界各國制定的有關大氣污染物的排放標準中 NOx 污染物主要是指NO、NO2。李克強總理在2017年兩會上提出“打好藍天保衛戰”，2018年國務院發布《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》。計劃發布以來，我國各省市區城市二氧化硫、氮氧化物排放總量大幅度下降。

【任務一】自主設計多種脫除煙氣中NO、NO2的方案，與小組同學討論、完善設計思路，最后小組分享交流設計方案，并說出依據的原理。

【資料】

Ⅰ.廢氣中90%-95%的NOx 為NO；

Ⅱ.已知存在下列反應：NO + NO2+2NaOH =2NaNO2+ H2O；FeSO4+ NO" Fe（NO）SO4

【學生活動】匯報方案。方案一：NO、NO2→NO2→ HNO3；方案二：NO、NO2→NO ∶NO2（1∶1）→NaNO2；方案

三：NO、NO2→NO→Fe（NO）SO4；方案四：NO、NO2→NO3（-）；

方案五：NO、NO2→N2；方案六：電解。思考自己設計方案的角度，主要圍繞吸收效果，從反應限度、氧化劑用量等角度評價方案的合理性，初步形成設計思路。

教師介紹實際工業脫硝方法：干法（如 SCR/ SN? CR 法，以尿素、NH3、CO、CH 等作還原劑）、濕法（氧化還原吸收法、絡合吸收法、堿液吸收法等）。［3］提供資料，絡合吸收法：FeSO4+NO" Fe（NO）SO4 K=450，追問工業上選擇絡合吸收法可能的原因。學生從速率、可循環利用、成本等角度回答。

設計意圖：探查學生分析物質性質的角度，基于物質性質實現轉化，初步形成基于化學視角和工業視角評價轉化路徑的思維模型。

教學環節二：調控條件提高脫硝效率

【任務二】哪些因素會影響 FeSO4溶液對煙氣中 NO 的脫除效率（一段時間內 NO 脫除率）？小組討論交流如何調控條件提高脫硝效率？

已知：FeSO4（aq）+ NO（g） Fe（NO）SO4（aq）ΔH lt;0

【學生1】提高一段時間內 NO 脫除率應該考慮提高化學反應速率，應從溫度、濃度、壓強、催化劑等角度調控條件。

【學生2】一段時間內，該反應有可能已經達到平衡，因此不能忽略外界因素對化學平衡產生影響，進而影響脫除效率。

【學生活動】從速率和平衡角度分析濃度、溫度、壓強對脫硝效率的影響。具體見表1。

【教師追問】溫度升高，是否會間接影響其他因素，從而影響反應速率或使平衡發生移動？

【學生3】溫度升高可能使NO 的溶解度下降，從而使反應物的濃度下降，化學反應速率降低或平衡逆移。

【交流與討論】實際工業中，研究反應溫度對脫硝效率的影響如圖2所示。該圖呈現的結果與你對溫度調控的思路是否一致？如何解釋在15℃和60℃時， NO 脫除率都較低？

【學生4】該圖呈現的結果與我對溫度調控的思路一致。溫度較低時（15℃），解釋為反應未達平衡，從速率角度加以分析，溫度越低，反應速率緩慢，NO 脫除率較低；溫度較高時，一段時間內，反應已達平衡，溫度升高NO 的溶解度下降，平衡逆向移動；同時升溫也會導致平衡逆向移動。

【教師】引導學生歸納調控反應時應關注的角度，特別是對速率和平衡的影響涉及多種因素時，如何基于結論分析主要矛盾。

設計意圖：綜合運用化學反應原理相關知識，并結合實際情境多角度基于數據與事實進行合理性解釋與推理，建立關注多因素分析主次矛盾解決問題的思維路徑。

教學環節三：分析影響脫硝效率的原因

【思考】60℃時，隨時間的增加NO 脫除率下降的原因是什么？

資料：實際排放的煙氣中含氧量為3%～8%。

【學生活動】小組討論后匯報思路，可能是 Fe2+被 O2氧化，c（Fe2+）下降，導致平衡FeSO4（aq）+NO（g） Fe（NO）SO4（aq）逆向移動。進一步討論得出通過補充抗氧化劑的方法防止Fe2+被氧化。

【教師提問】工業上選取 FeSO4-Na2SO3作為復合吸收劑，用離子方程式表示Na2SO3的作用。

【學生回答】可能的兩個作用：

SO3（2）-+2Fe3++H2O =2Fe2++SO4（2）-+2H+；

2Na2SO3+2NO =2Na2SO4+N2↑。

【過渡】查閱資料知，Na2SO3作為一種還原劑，在濕法絡合脫硝反應中，經常被用作一種添加劑，用來還原氧化生成的 Fe3+，從而實現持續高效的煙氣脫硝。研究發現，Na2SO3溶液也可以與 NOx 發生反應，起到脫除的目的。

【任務三】以 FeSO4-Na2SO3復合吸收劑吸收煙氣中的 NO，圖3是不同初始pH 的溶液對脫硝效率的影響，從圖中你獲得了哪些結論？如何解釋？

【學生討論、匯報】結論：pH 過高或過低都會降低 NO 脫除率，pH=6時，脫硝效率達到最大。pH 較小時，脫硝效率急劇下降。解釋：pH 過大時，Fe2+逐漸沉淀，進而影響溶液的吸收效果；pH 過小時，SO3（2）-與 H+反應使c（SO3（2）-）減小，降低了對Fe2+的保護，減少了對NO 的吸收，導致脫硝效率下降。

教師補充，強酸性條件下會加速反應器的腐蝕，增加生產成本。因此，綜合考慮經濟因素和脫硝效率的影響，對本實驗體系弱酸性條件下（pH=6）會有較好的煙氣脫銷效果。師生總結解決工業實際問題的

設計意圖：培養學生對圖形、圖表的閱讀和初步加工的能力，通過分析解釋性任務提升學生將分析問題的過程和結論用正確的化學術語及文字、模型等表達的能力。通過對整節課的梳理，建立解決工業實際問題的思維模型。

五、教學反思

1.深入挖掘能夠承載認識模型完整建構的教學素材

將實際工業生產相關的文獻和數據進行重新整理，選擇適合高三復習的內容，再精心編排呈現形式，力爭將圖表、數據、文字等信息有機整合，核心環節包含陌生反應信息、絡合吸收法、實際工業中反應溫度、不同初始pH對脫硝效率的影響圖像等素材，引導學生自主應用認識物質性質的角度，系統動態地分析和設計物質轉化途徑或找到合理試劑，不斷調用“價類二維”角度解決物質轉化問題，在此基礎上，多角度調控反應，素材全面涵蓋模型建構的關鍵要素，學生在親歷實際問題的解決過程中，不斷豐富認識角度，形成認識思路。

2.設計連續驅動性任務充分凸顯實際問題的解決過程

遵循“煙氣脫硝”這一實際問題解決的基本思路，充分調動學生的探索積極性，抽提出一系列的問題解決線索。首先，提供工業實際中煙氣的主要成分及學生不熟悉的相關反應資料，讓學生基于已學知識和所給信息多角度設計轉化途徑；然后基于絡合吸收法，借助“提高一段時間內 NO 的脫除率”這一核心任務，引導學生主動從速率和平衡兩個角度調控反應，最后通過呈現實際工業中溫度、pH對脫硝效率的影響圖像，引導學生對反應的分析從單一因素過渡到多種因素，關注體系中的副反應，并能形成依據現象或結論分析主次矛盾的學科思維方法。從設計方案、選擇反應再到優化反應，層層深入，這一解決問題的思路符合工業實際，建構的認識模型具有較強的可遷移性。

3.注重外顯學生的思維過程完成模型的構建

本節課注重創設能夠展示學生思維過程的任務活動，如設計和匯報交流脫硝方案，評價方案是否符合工業實際情況，多角度優化反應等環節，需要學生通過多次交流研討和概括梳理活動，再進行小組合作、反思質疑呈現任務完成的結果，而解決核心問題的思維路徑較長，需要學生通過系統思考、合理邏輯推理才能獲得結論，因此能使不同能力水平的學生都得到充分展示。在此過程中教師就模型中的要素和要素關聯與學生展開充分的對話，通過認識性問題引導學生按照模型的思路進行問題解決，思維外顯有助于學生在面對真實陌生的實際問題時進行情境關聯、問題歸類，進而完成自主建模。

參考文獻

［1］楊玉琴，倪娟.證據推理與模型認知：內涵解析及實踐策略［J］.化學教育（中英文），2019，40（23）：3-29.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］王廣博. FeSO4/Na2SO3溶液吸收煙氣中NO 的研究［D］.大連：大連理工大學，2014.