基于“科工整合”的“速率和平衡”大單元復(fù)習(xí)教學(xué)

王換榮 陳進(jìn)前

摘要： 工程思維是在“科學(xué)實踐活動中凝練出科學(xué)思維”的基礎(chǔ)上建立的一種可操作性的高階思維。依據(jù)工程活動“設(shè)計與決策、研發(fā)、實施、實現(xiàn)”四個層次，以“利用工業(yè)廢氣中的CO2為碳源催化加氫合成甲醇”為例展開五步教學(xué)，基于“科工整合”實施“速率和平衡”大單元復(fù)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生站在“全過程”的視域高度形成“利用化學(xué)反應(yīng)規(guī)律調(diào)控化學(xué)反應(yīng)”的新認(rèn)識，構(gòu)建“設(shè)計化學(xué)反應(yīng)解決化工問題”的一般思路。

關(guān)鍵詞： 科工整合； CO2催化加氫； 大單元復(fù)習(xí)； 科學(xué)思維； 工程思維

文章編號： 10056629（2024）01005207

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

實際生產(chǎn)和生活中，人們需要建立科學(xué)思維來分辨各種事物的相同和相異，辨析復(fù)雜體系中多因素之間的相互關(guān)聯(lián)，并能剖析多因素形成的多維立體網(wǎng)絡(luò)，最終實現(xiàn)不斷的創(chuàng)新和創(chuàng)造［1］。科學(xué)思維重視科學(xué)探究的過程和方法，而工程實踐過程中往往伴隨著科學(xué)探究過程。

化學(xué)與生產(chǎn)生活緊密相聯(lián)，化學(xué)教學(xué)中的科學(xué)思維與工程思維密不可分。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）規(guī)定的五大核心素養(yǎng)中的“變化觀念與平衡思想”和“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是從學(xué)科思維方式視角對化學(xué)科學(xué)思維的描述。而工程思維正是以某真實問題為驅(qū)動框架、具體情境為探究載體，讓學(xué)生在任務(wù)的驅(qū)動下通過合作、交流等方式解決問題。可見，將化學(xué)學(xué)科知識運用于化工生產(chǎn)需要工程思維，在化學(xué)教學(xué)中有必要貫穿工程思維［2］。

1 思維的概述

1.1 思維及科學(xué)思維的概念界定

思維是在社會實踐中產(chǎn)生的人類所特有的思想和精神活動，具體指在各種現(xiàn)象、各類概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和綜合、判斷和推理等認(rèn)識活動的過程［3］。通常，工程思維、科學(xué)思維和藝術(shù)思維是三種不同的思維方式［4］。

科學(xué)思維是指為正確而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣J(rèn)識客觀事物，人腦借助信息符號加工處理感性材料的思辨途徑和認(rèn)識方法。科學(xué)思維形成并作用于科學(xué)認(rèn)識活動，是連接實踐與理論的橋梁［5］。《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出：“化學(xué)科學(xué)思維是從化學(xué)視角對客觀現(xiàn)象獨立思考、判斷、質(zhì)疑與批判，并提出創(chuàng)造性見解的能力；研究物質(zhì)及其變化規(guī)律的思路與方法；建立宏觀、微觀、符號、圖像四重表征的認(rèn)識方式。［6］”具體的科學(xué)思維方法和化學(xué)科學(xué)思維方法見表1。化學(xué)科學(xué)自身獨特的思維方法體系，可以破解學(xué)生學(xué)習(xí)過程中“繁、難、亂”等困擾［7］。

1.2 工程思維的內(nèi)涵及特征

工程活動是實踐活動，工程思維則是實踐性思維。工程思維的目的是“建造技術(shù)人工物，即創(chuàng)造工程活動的產(chǎn)品”，非但包括實物，還包括各種“信息和服務(wù)產(chǎn)品”。工程思維的過程可看作“設(shè)計出一個恰當(dāng)?shù)膶崿F(xiàn)工程目標(biāo)的操作路徑的過程”［9］。可見，工程思維具有邏輯性、靈活性、深刻性等思維的一般特征，也具有創(chuàng)新性、情境性、系統(tǒng)性等顯著特點［10］。換言之，工程思維具備可行性和操作性。

2013年美國頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，首次將科學(xué)與工程實踐整合進(jìn)了基礎(chǔ)教育階段，著力發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維。我國《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》和化學(xué)、生物、技術(shù)等學(xué)科的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）

也首次融進(jìn)了工程技術(shù)，提出工程技術(shù)的核心是設(shè)計，目的是解決實際問題和制造產(chǎn)品。工程思維屬于高階思維，對提升學(xué)生的核心素養(yǎng)意義深遠(yuǎn)［11］。

化學(xué)教學(xué)中的工程思維異于工程領(lǐng)域中的工程思維［12］，它是立足于科學(xué)思維的培養(yǎng)，將學(xué)習(xí)化學(xué)知識和技能的過程沉浸于相應(yīng)的工業(yè)情境中，并能解釋、解決真實境域中的問題［13］，并不斷修正學(xué)生運用統(tǒng)籌性思維權(quán)衡解決問題的思維方式。

2 主題及教學(xué)目標(biāo)的確立

科學(xué)和工程相互交叉、關(guān)聯(lián)。因此，“科工整合”是化學(xué)教學(xué)中工程思維培養(yǎng)的有效路徑。設(shè)計一個化學(xué)反應(yīng)用于實際化工生產(chǎn)時，必然遇到選擇適宜反應(yīng)條件的問題。新課標(biāo)要

求教學(xué)中要創(chuàng)設(shè)化工生產(chǎn)路線的選擇等真實情境，組織學(xué)生開展基于能量利用需求、綜合優(yōu)化反應(yīng)條件及能量轉(zhuǎn)化路徑、裝置等活動，形成合理利用能量的意識和思路，提升“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”和“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”的核心素養(yǎng)。基于上述分析，將研究主題確定為“基于科工整合的速率和平衡大單元復(fù)習(xí)教學(xué)——以催化加氫讓二氧化碳變廢為寶為例”。

預(yù)設(shè)以下教學(xué)目標(biāo)：通過設(shè)計并選擇“利用工業(yè)廢氣中CO2合成甲醇”的反應(yīng)及對反應(yīng)條件的綜合優(yōu)化，體會反應(yīng)的焓變、熵變、速率和平衡相關(guān)知識的應(yīng)用價值，形成從物質(zhì)轉(zhuǎn)化及反應(yīng)的方向、快慢、限度等多個角度綜合分析、解決工業(yè)問題的基本思路；樹立綠色化學(xué)理念，認(rèn)識到利用化學(xué)反應(yīng)將無用物轉(zhuǎn)化為有用物是解決環(huán)境問題的重要途徑；知道開發(fā)低溫下具有高活性和高選擇性的催化劑對促進(jìn)化工發(fā)展的重大意義。

3 教學(xué)實踐過程

3.1 創(chuàng)設(shè)情境，運用工程思維確定探究任務(wù)

［教師介紹課題背景］當(dāng)今世界面對的兩大技術(shù)難題都圍繞“燃料”展開，一是化石燃料趨于耗盡，二是CO2排放量超標(biāo)。

［提出問題］你能以工程師的角色，運用化學(xué)反應(yīng)原理，設(shè)法利用CO2來合成新的能源變廢為寶，改變能源結(jié)構(gòu)嗎？觀看“化石能源趨于耗盡”的視頻，進(jìn)行小組討論。

3.2 搭建橋梁，運用工程思維分解任務(wù)

把全班同學(xué)分成8個小組，6人一組。確定從5個任務(wù)展開探索，師生共同規(guī)劃確定研究方案。

3.2.1 任務(wù)1 設(shè)計化學(xué)反應(yīng)——以CO2為碳源，選擇氫源來合成甲醇

［信息支持］甲醇易傳輸，可以單獨或者與汽油混合作為汽車燃料，將成為21世紀(jì)最有競爭力的清潔燃料之一。隨著能源日漸減少，人們正在積極尋找新的碳源來合成甲醇。目前，最有希望開展大規(guī)模應(yīng)用的是CO2加氫生成甲醇的反應(yīng)。

［過渡］基于此，確定本節(jié)課的主題是“利用工業(yè)廢氣中的CO2來合成甲醇”。

［問題］你能以CO2為碳源，從化合價的角度選擇氫源合成甲醇，并寫出方程式嗎？

［學(xué)生］CO2中的碳從+4價降低到甲醇中的-2價，選擇常用的含氫還原劑H2，方程式是CO2+3H2CH3OH+H2O。

［問題］你能從“原料來源廣泛、廉價易得”這個角度來選擇氫源嗎？

［學(xué)生］水！方程式是2CO2+4H2O2CH3OH+3O2。

［總結(jié)］我們可以遵循元素觀、守恒觀和價態(tài)觀來設(shè)計化學(xué)反應(yīng)。

3.2.2 任務(wù)2 選擇化學(xué)反應(yīng)——依據(jù)

ΔG=ΔH－TΔS＜0，判斷反應(yīng)的自發(fā)性

［過渡］我們設(shè)計的這兩個反應(yīng)不一定可行。

［信息支持］給出298K、 100kPa條件下焓變和熵變的數(shù)據(jù)，假設(shè)反應(yīng)ΔH、 ΔS不隨溫度的改變而變化。

Ⅰ：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）

ΔH1=-48.97kJ·mol-1

ΔS1=-177.16J·mol-1·K-1

Ⅱ：CO2（g）+2H2O（g）CH3OH（g）+3/2O2（g）

ΔH2=+676.48kJ·mol-1

ΔS2=-43.87J·mol-1·K-1

［問題］如何分析這兩個反應(yīng)的可行性？

［學(xué)生］根據(jù)吉布斯自由能變ΔG=ΔH-TΔS＜0，反應(yīng)能自發(fā)。反應(yīng)Ⅰ的ΔH＜0， ΔS＜0，低溫能自發(fā)。反應(yīng)Ⅱ的ΔH＞0， ΔS＜0，在任何溫度下均不自發(fā)。

［總結(jié)］ΔG＜0只能用于判斷等溫、等壓及只做體積功條件下，反應(yīng)正向自發(fā)進(jìn)行的趨勢，但反應(yīng)能否實際發(fā)生還涉及速率問題。

3.2.3 任務(wù)3 微觀分析化學(xué)反應(yīng)——結(jié)合能壘圖，解釋反應(yīng)過程

［信息支持］給出恒容密閉容器中，加入CO2、 H2和催化劑PST、 500℃時反應(yīng)歷程和能壘圖1。TS表示過渡態(tài)，*表示吸附在催化劑表面的物種。

［過渡］已知TS為過渡態(tài)，圖1中共3個過渡態(tài)，第3個過渡態(tài)使用了催化劑。

［問題］你能結(jié)合反應(yīng)歷程分析使用催化劑PST時的兩個基元反應(yīng)嗎？

［學(xué)生］第1個是CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g），第2個是CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）。

［問題］這兩個基元反應(yīng)中，哪個是決速步驟？

［學(xué)生］慢反應(yīng)是決速步驟，根據(jù)活化能大的為慢反應(yīng)，圖1中顯示第1個基元反應(yīng)是慢反應(yīng)，第2個則是快反應(yīng)。

［問題］你能畫出反應(yīng)歷程和能量變化圖嗎？

［學(xué)生］第1個基元反應(yīng)吸熱，第2個放熱，且第1個的活化能大于第2個。

［過渡］投影并指出圖2中的細(xì)節(jié)，強(qiáng)調(diào)要標(biāo)出具體的反應(yīng)物和生成物及各物質(zhì)的狀態(tài)和計量數(shù)。

［問題］結(jié)合反應(yīng)歷程分析，科研人員在調(diào)試反應(yīng)條件的過程中，監(jiān)測到了除甲醇之外的什么物質(zhì)，為什么？

［學(xué)生］CO。說明在發(fā)生主反應(yīng)的過程中存在副反應(yīng)：CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）。

［問題］在生產(chǎn)中，要盡可能地促進(jìn)主反應(yīng)而抑制副反應(yīng)的發(fā)生，可以采取什么措施？

［學(xué)生］選擇合適的催化劑，提高主產(chǎn)物甲醇的選擇性。

［問題］你能結(jié)合歷程圖，分析此溫度下催化劑PST如何較好地提高甲醇的選擇性嗎？

［學(xué)生］生成過渡態(tài)1和2的主、副反應(yīng)歷程都相同，不同的是生成過渡態(tài)3的這一步。如果沒有催化劑，CO2和H2就會發(fā)生副反應(yīng)。催化劑的存在使得活化能降低生成甲醇。

［教師補(bǔ)充］反應(yīng)歷程中，決定催化劑選擇性較高的步驟是生成過渡態(tài)3的這一步。

［問題］你能書寫生成過渡態(tài)3的方程式嗎？

［學(xué)生］CO*（g）+H2O（g）+2H2（g）CO（g）+H2O（g）+2H2（g）或CO*（g）CO（g）。

3.2.4 任務(wù)4 選擇反應(yīng)條件——依據(jù)實驗參數(shù)，多角度考慮因素。

［過渡］微觀上副反應(yīng)的發(fā)生導(dǎo)致了甲醇的選擇性較低。工業(yè)中主要依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，從催化劑的角度來選擇反應(yīng)條件，提高甲醇的選擇性。

［信息支持］給出溫度553K、總壓4MPa下，n（H2）∶n（CO2）=3∶1時，不同催化劑組成對甲醇產(chǎn)率、選擇性及副產(chǎn)物CO選擇性的影響，見表2。

［問題］你認(rèn)為工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)選擇第幾組催化劑？依據(jù)是什么？

［學(xué)生］若從甲醇純度的角度來看，選擇第3組催化劑。若從甲醇產(chǎn)率的角度來看，選擇第4組催化劑。即3、 4組均可，只是催化劑組分的比例不同。

［過渡］我們還能從濃度的角度來選擇反應(yīng)條件。

［信息支持］給出總壓2MPa、溫度553K下，催化劑為CuOZnOAl2O3時，隨著H2和CO2物質(zhì)的量之比增大，得到CO2的轉(zhuǎn)化率α和甲醇產(chǎn)率的值，見表3。

［問題］總壓恒定，增大H2與CO2的投料比，二者的濃度如何變化？CO2的轉(zhuǎn)化率和CH3OH的產(chǎn)率如何變化？

［學(xué)生］壓強(qiáng)不變，隨著H2比例的增多，H2的濃度增大，CO2的濃度減小，CO2的轉(zhuǎn)化率增大，甲醇的產(chǎn)率也增大。

［問題］H2與CO2選擇怎樣的比例比較好？

［學(xué)生］3∶1。因為3∶1時CO2的轉(zhuǎn)化率比較大，甲醇的產(chǎn)率也比較大，且繼續(xù)增大H2的比例，成本增大，但CO2的轉(zhuǎn)化率和甲醇的產(chǎn)率增大幅度均不大。

［過渡］好，選擇3∶1。現(xiàn)將H2與CO2比例不同對CO2轉(zhuǎn)化率和甲醇產(chǎn)率的影響轉(zhuǎn)化成折線圖3。

［問題］選擇CuO/ZnO/Al2O3這組催化劑時，不論H2和CO2的比例多大，副產(chǎn)物CO的產(chǎn)率終歸在甲醇之上，為什么？

［學(xué)生］依據(jù)信息支持4中第1組，當(dāng)催化劑是CuO/ZnO/Al2O3時，CH3OH選擇性只有40%，CO選擇性是60%。因此，催化劑的選擇至關(guān)重要。

［過渡］我們還能從溫度的角度來選擇條件。

［信息支持］給出總壓為5MPa， n（H2）∶n（CO2）=3∶1，催化劑為Cu/Zn/Al/Zr納米纖維。在不同溫度下，反應(yīng)相同時間的甲醇產(chǎn)率，見圖4。

［問題］為什么溫度在480到520K范圍內(nèi)甲醇產(chǎn)率升高？

［學(xué)生］溫度升高，速率加快。且在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)，溫度越高，催化劑活性越大。

［問題］520K之后產(chǎn)率為什么降低？

［學(xué)生］可能溫度升高，主反應(yīng)逆向移動。還有可能溫度高于520K，促進(jìn)了副反應(yīng)的進(jìn)行，或催化劑的活性降低。

［總結(jié)］今后面對溫度對主產(chǎn)物產(chǎn)率的影響時，可以從三個角度來回答。一是主反應(yīng)的速率和平衡移動的問題，二是副反應(yīng)，三是催化劑活性。

［信息支持］主反應(yīng)在不同溫度下的平衡常數(shù)如表4。

［問題］表格中的平衡常數(shù)均較小，也就是主反應(yīng)難以達(dá)到平衡。因此，在實際生產(chǎn)中如何提高甲醇產(chǎn)量？

［學(xué)生］提高單位時間內(nèi)甲醇的產(chǎn)量。也就是說，最高效的提高甲醇產(chǎn)量的方法是選擇高效的催化劑。

［問題］在實際工業(yè)生產(chǎn)中，分析溫度對主產(chǎn)物產(chǎn)率的影響，哪個角度最關(guān)鍵？

［學(xué)生］催化劑的活性和選擇性在實際生產(chǎn)中起到關(guān)鍵性的作用。故溫度的選擇常是根據(jù)催化劑的活性范圍來確定。

［總結(jié)］綜上，我們結(jié)合反應(yīng)機(jī)理和實驗參數(shù)，可以綜合優(yōu)化催化劑的選擇條件，選擇第四組催化劑，溫度為520K。開發(fā)在較低溫度下具有優(yōu)良活性和選擇性的催化劑，將會是未來研究的重點。2021年諾貝爾化學(xué)獎就是有關(guān)“有機(jī)小分子的不對稱催化”方面的。

3.2.5 任務(wù)5 綜合優(yōu)化條件——結(jié)合生產(chǎn)實際，建立思維模型

［問題］以上，我們在實現(xiàn)CO2催化加氫合成甲醇的工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)該從哪些角度來選擇反應(yīng)條件，涉及哪些影響因素呢？

［學(xué)生］從動力學(xué)（反應(yīng)速率）和熱力學(xué)（化學(xué)平衡）兩個角度考慮，速率從溫度、濃度、壓強(qiáng)和催化劑這些影響因素分析，平衡從溫度、濃度和壓強(qiáng)來分析。

［教師補(bǔ)充］當(dāng)然還要結(jié)合實際生產(chǎn)中的成本、工藝、安全性、綠色化學(xué)等方面來綜合選擇條件。

［問題］結(jié)合以上影響因素，我們建立選擇反應(yīng)條件的思維模型，你能補(bǔ)充下列思維模型嗎？

［學(xué)生］口述并完成圖5。

［總結(jié)］今后在面對復(fù)雜的反應(yīng)條件選擇時，可以利用圖5中建立的思維模型。

［過渡］利用模型，我們可以選擇CO2催化加氫合成甲醇的壓強(qiáng)。

［信息支持］給出523K下，n（H2）∶n（CO2）=3∶1，催化劑為Cu/Zn/Al/Zr納米纖維時，不同總壓對甲醇產(chǎn)率的影響如圖6。

［問題］圖中壓強(qiáng)越大，甲醇產(chǎn)率越高。你準(zhǔn)備選擇多大的壓強(qiáng)？

［學(xué)生］4到5MPa。壓強(qiáng)不宜太大，存在安全隱患。

［問題］壓強(qiáng)增大對副反應(yīng)的平衡有影響嗎？

［學(xué)生］有影響。盡管副反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量之和不變。但這是多平衡體系，增大壓強(qiáng)，主反應(yīng)平衡正移，CO2和H2的濃度減小，對副反應(yīng)造成影響。

［過渡］現(xiàn)在，我們已經(jīng)選出CO2催化加氫合成甲醇的條件。在實際生產(chǎn)中，反應(yīng)生成的水加速了催化劑中Cu活性組分的燒結(jié)團(tuán)聚，使得催化劑活性降低。

［問題］給出恒壓、CO2和H2體積比為1∶3，不同溫度下，有、無分子篩膜時，甲醇的產(chǎn)率如圖7所示。如何將水分離？

［學(xué)生］可用分子篩膜選擇性地分離出水，也可將氣態(tài)水液化而分離。

［教師補(bǔ)充］實際生產(chǎn)中，除去分離水，還增加了廢氣CO2的富集裝置和副產(chǎn)物CO的回收裝置，并將剩余的CO2與H2重新通入反應(yīng)器，提高CO2與H2的利用率。

3.3 修改完善，運用工程思維建立模型

［過渡］你們作為工程師，已經(jīng)完成了主題學(xué)習(xí)，大家設(shè)計的這個反應(yīng)能投入實際生產(chǎn)嗎？下面看這則視頻。這是位于河南安陽，世界上規(guī)模最大的CO2加氫催化合成甲醇的生產(chǎn)工廠。同學(xué)們，變廢為寶實現(xiàn)了！

［總結(jié)］到此，我們得出圖8中5步設(shè)計化學(xué)反應(yīng)解決化工問題的一般思路。在實際生產(chǎn)中，開發(fā)在較低溫度下具有優(yōu)良活性和選擇性的催化劑是首選。

［展望］今后，面對合成新物質(zhì)時，你準(zhǔn)備采用怎樣的思路分析其可能性并綜合優(yōu)化條件？比如CO2與氫源合成乙烯、乙醇和二甲醚等化工產(chǎn)品。

4 教學(xué)反思

科學(xué)活動重在發(fā)現(xiàn)和理解客觀世界，工程活動指向改造客觀世界。將科學(xué)思維和工程思維整合，實質(zhì)是理論性思維和實踐性思維的融合。以科工整合思維的視野設(shè)置教學(xué)內(nèi)容的豐富性遠(yuǎn)大于單純的化學(xué)課程，目的是培養(yǎng)創(chuàng)新實踐人才。科工整合要從規(guī)劃、設(shè)計、選擇、優(yōu)化、調(diào)整、反饋等全盤考慮，師生通過對應(yīng)的決策、設(shè)計、實踐和評價等工程活動，培養(yǎng)學(xué)生的籌劃思維、系統(tǒng)思維和創(chuàng)新思維等。

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