基于項目化學習的“硫及其化合物”復習課教學

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

復習課從新的角度、新的高度，促進學科知識的結構化、系統(tǒng)化、功能化，使學生的認知水平、應用能力和價值觀念達到更好的層次，從而促進學生素養(yǎng)的發(fā)展[1。傳統(tǒng)的復習教學通常以知識梳理加習題講評，教學過程往往成為教師的單向灌輸，容易導致學生在學習過程中重復訓練和被動接受。由于缺少思維建構過程和歸納整合，表現(xiàn)為零散性、記憶性的淺表學習狀態(tài)，對知識的理解難以真正深化和遷移應用，故在應對新情境問題、變式思維問題時，會無從下手、生搬硬套，導致復習課促進學生素養(yǎng)發(fā)展的功能未能真正發(fā)揮。項目化學習作為一種基于建構主義的教與學的方法論，從“學”的視角，通過學科或跨學科的驅(qū)動性問題的探索和解決過程，調(diào)動相應的知識、能力、品質(zhì)等形成公開的項目成果，獲得對核心知識和學習歷程的深刻理解，并在新情境中進行遷移應用2；從“教”的視角，根據(jù)學生興趣將學習任務項目化，提供必要的學習支架，引導學生通過信息資料開展研究、方案設計和實驗探究操作，在問題的解決中，實現(xiàn)知識的重構、能力的提升和高階思維的發(fā)展[3]。利用真實情境進行項目化復習課教學，使得學生對知識的回憶、提取和重組，是學生面對更加復雜的學習情境時理解特定信息、實現(xiàn)知識整合和問題解決的策略行為[4]。以江蘇省2024年高中化學優(yōu)質(zhì)課評比一等獎課例“船舶廢氣中 SO₂ 的脫除工藝設計”教學為例，探討基于項目化學習的復習課教學[5]

1 項目主題分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課程標準”）關于硫及其化合物相互轉化的內(nèi)容要求為“結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解硫及其化合物的主要性質(zhì)，認識這些物質(zhì)在生產(chǎn)中的應用和對生態(tài)環(huán)境的影響；認識物質(zhì)及其轉化在促進社會文明進步、自然資源綜合利用和環(huán)境保護中的重要價值”；重要學業(yè)要求為“能從物質(zhì)類別、元素價態(tài)的角度，預測物質(zhì)的化學性質(zhì)和變化，設計實驗驗證，并能分析、解釋有關實驗現(xiàn)象”“能有意識地運用所學知識或?qū)で笙嚓P證據(jù)參與社會性議題的討論”；學業(yè)質(zhì)量水平4中要求“能在物質(zhì)及其變化的情境中，依據(jù)需要選擇不同方法，從不同角度對物質(zhì)及其變化進行分析和推斷；能依據(jù)‘綠色化學’思想分析某些化學品生產(chǎn)和應用存在的問題，提出處理或解決的方案\"等[6]。可見，硫及其化合物相關知識不僅承載著重要的元素化學知識，更是發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”“科學態(tài)度與社會責任”等學科核心素養(yǎng)的重要載體。

在新授課中學生基本掌握了硫及其化合物的重要物理性質(zhì)、化學性質(zhì)，能夠用化學方程式等化學用語表達硫及其化合物的相互轉化過程，并能夠運用“價-類”二維圖將元素化合價和物質(zhì)類別兩個視角結合起來認識硫及其化合物相互轉化的實質(zhì)和特征。這一階段的學習中，大部分學生仍存在著對無機元素化合物轉化過程的知識不夠系統(tǒng)、認知視角不全面等局限性，還缺乏從多個維度認識物質(zhì)性質(zhì)及其轉化關系的學習機會，缺少運用結構化的知識去系統(tǒng)分析以及解決真實問題的學習時空，因而尚未充分認識原理選擇和條件控制在物質(zhì)轉化關系中的重要性。因此，本復習課教學不僅要進一步鞏固硫及其化合物的知識結構，更重要的是學生能夠調(diào)用相關知識體系和認識思路去解決新情境中的真實問題，建立基于物質(zhì)轉化及條件控制的綜合應用化學-技術-工程知識解決實際問題的一般思路模型，從而實現(xiàn)知識的功能化和素養(yǎng)化。

SO₂ 帶來的環(huán)境問題一直是全社會重點關注的議題。“課程標準”要求能有意識地運用所學知識參與社會性議題的討論，能運用綠色化學思想解決化學問題等。考慮到全球\"限硫令”的出臺[7與近些年航運界船舶脫硫塔行業(yè)的興起，以船舶廢氣中 SO₂ 的脫除設計為真實情境，開展項目化學習，綜合應用硫及其化合物知識體系及化學反應原理相關知識解決船舶脫硫塔工藝設計的實際問題，引導學生將已有知識進行結構化整合，建立解決實際問題的一般思路和方法，促進核心素養(yǎng)的發(fā)展。

2 項目教學目標

（1）能夠自主建構硫及其化合物的“價-類”二維圖并分析船舶廢氣中 SO₂ 的產(chǎn)生與脫除原理。（2）能夠設計船舶廢氣中 SO₂ 的轉化利用工藝流程，并基于真實情境進行評價和優(yōu)化認識化學反應的選擇和條件控制對物質(zhì)轉化的重要影響。（3）能夠分析說明物質(zhì)轉化在環(huán)境治理、資源利用等方面的重要作用，樹立綠色化學理念，增強社會責任感。

3 項目實施過程

本項目以船舶脫硫工藝設計為真實任務，通過“船舶廢氣中二氧化硫是如何產(chǎn)生的，有何危害”“如何除去船舶廢氣中的二氧化硫”“如何優(yōu)化船舶廢氣脫硫工藝”三個連續(xù)性問題，驅(qū)動學生完成三個子任務并展示項目成果，教學流程如圖1所示。

設計1.小組合作，結合已知信息設計脫硫新任務三：探究船舶廢氣 工藝 能進一步優(yōu)化脫硫工藝，并脫硫新工藝 2.實驗探究最佳pH條件 分析選擇最佳工藝條件3.分析pH對氧化速率的影響展示各環(huán)節(jié)工藝流程，再現(xiàn) 體驗化學工程師的成就感和項目成果展示思維進階過程 社會責任感

3.1 情境引人

隨著國際貿(mào)易和航運事業(yè)的不斷發(fā)展，船舶成為國際物流交易的主要交通工具，船舶運輸帶來的廢氣污染問題在全球范圍受到關注。據(jù)聯(lián)合國計劃署和國際海事組織統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，船舶廢氣年排放 SO₂ 量約占全球排放總量的16.36%[8]

3.2任務一分析船舶廢氣的主要成分及危害

［資料卡1]船用燃料油一般為重油，是石油加工中分餾及裂化的殘渣油，主要由碳、氫元素組成，硫含量0.05%～3.5% ，另外還有少量N元素。含硫物質(zhì)主要有S、HS、二硫化物及硫醇、硫醚等多種有機物[9]

[問題]船舶廢氣的主要成分有哪些，可能帶來哪些危害？

［學生]根據(jù)資料卡思考并回答船舶廢氣中存在CO₂ 、 SO₂ 、 NO_x 、固體小顆粒等成分，可能帶來酸雨、霧霾等危害。

[問題]從船用燃料油燃燒到酸雨的形成，含硫物質(zhì)是如何轉化的？這些轉化體現(xiàn)了二氧化硫具有哪些性質(zhì)？

［學生]分析含硫物質(zhì)之間的轉化過程，激活已有的“價-類”二維結構。分析通過氧化還原反應實現(xiàn)不同價態(tài)含硫物質(zhì)之間的轉化，通過非氧化還原反應實現(xiàn)相同價態(tài)含硫物質(zhì)之間的轉化。從物質(zhì)類別和元素價態(tài)角度分析 SO₂ 的性質(zhì)，并進一步完善“價-類”二維圖如圖2所示。

設計意圖：基于真實情境，引導學生激活已有認知中的硫及其化合物性質(zhì)以及相互轉化關系分析問題，并完善知識體系，為后續(xù)船舶廢氣的脫硫工藝設計奠定知識基礎。

3.3任務二設計船舶廢氣中 SO₂ 的脫除工藝

[資料卡2]隨著國際社會對環(huán)境保護標準的要求日益提高，航運業(yè)的環(huán)保法規(guī)也愈發(fā)嚴格。自2020年1月1日起，國際海事組織（IMO）正式在全球范圍內(nèi)實施船用燃油硫含量不超過 0.50% 的規(guī)定，即全球“限硫令”[10]。業(yè)界內(nèi)現(xiàn)有三種應對方式，即使用低硫燃料油、使用液化天然氣等替代燃料、在船上安裝脫硫塔（廢氣清洗裝置）。近些年，隨著低硫燃料油價格的持續(xù)攀升，越來越多的船主選擇安裝脫硫塔（構造示意圖見圖3），船舶脫硫塔行業(yè)應運而生。

［學生活動1]小組合作，提出脫除船舶廢氣中 SO₂ 的方法，并設計工藝流程圖。小組代表展示：氧化法、還原法、堿性物質(zhì)吸收法等。

NaOHNaSNa2sO Cmasosa SQ Msa SHsO HHso S aso 堿sCa（OH+SO=CaSO+HO 12NHHD+SD=WHSD+HO 250+0SOS+HO=HS 2H₂S+SO₂=3Sl+H₂O

[問題]船舶廢氣脫硫工藝設計應重點考慮哪些因素？

[學生]根據(jù)船舶航行的實際條件，分析船舶脫硫工藝選擇的要點：吸收效率、占地面積、原料穩(wěn)定性與安全性、便于運輸、原料成本、產(chǎn)物資源化利用等。

[追問]剛才提出的脫除船舶廢氣中 SO₂ 的方法是否都適用？

[學生]對活動1提出的脫硫方法進行組內(nèi)評價和小組間互評，選擇出 ΔNaOH 或 Ca（OH）₂ 吸收法，因為該吸收法相較于其他方法，存在吸收效率高、便于存儲運輸、安全性能高等優(yōu)勢。

設計意圖：引導學生將理論上的可行性與實際上的可行性相結合，對物質(zhì)轉化路徑進行評價篩選，初步建立應用化學知識解決實際問題的一般思路。

[問題]那么，選用哪一種堿更為適宜呢？

[實驗探究]比較NaOH吸收法和石灰-石膏（石灰乳）法的吸收效果，裝置如圖5所示。

實驗用品： NaOH 溶液、石灰乳、 SO₂ 、集氣袋、注射器、雙通閥、過濾器。

實驗步驟：如圖5所示，準備兩套實驗裝置作對照試驗。打開閥門1，同時將注射器1內(nèi)的 5mLNaOH 溶液或石灰乳分別注入盛有 SO₂ 的集氣袋中，并振蕩集氣袋；將集氣袋倒置，打開閥門2，分別將反應后的液體吸入注射器2。

［學生匯報]實驗現(xiàn)象：注人NaOH溶液的集氣袋變癟速度更快，吸收液溫度升高；將吸收液吸出時，注人石灰乳的管路堵塞。實驗結論： NaOH 溶液吸收效率更高，反應放熱，石灰-石膏法容易堵塞設備。

［小結]兩種方法各有優(yōu)缺點。NaOH吸收法：吸收效率高，設備占地面積小，但成本高；石灰-石膏法：成本低，可回收利用石膏，但吸收效率低，吸收塔易堵塞，設備占地面積大。

[問題]是否能綜合兩者優(yōu)點設計工藝流程？

[學生活動2]根據(jù)船舶航行條件，結合NaOH吸收法和石灰-石膏法的優(yōu)點，設計“雙堿脫硫法”工藝流程（見圖6）。

[學生]氣液逆流，增大接觸面積和接觸時間，從而提高吸收效率。

設計意圖：通過實驗探究選擇脫硫方法，強化證據(jù)推理意識，辯證分析兩種反應的優(yōu)缺點，對脫硫工藝進行評價和改進，提升工程思維能力。

3.4任務三探究船舶廢氣脫硫新工藝

[問題]雙堿脫硫法中，吸收液的稀釋和循環(huán)使用過程都需要淡水，對于遠洋航行的船舶來講，會大大增加淡水負載。 CaSO₄ 的回收經(jīng)濟價值低且市場趨于飽和，船舶廢氣脫硫后往往將產(chǎn)物做廢棄處理，造成了二次污染和硫資源的浪費。工藝應如何進一步改進？

[學生]找到一種工藝能直接利用海水且轉化的副產(chǎn)品更有利用價值。

[引導]再回到圖2的“價-類”二維圖中，從 SO₂ 到亞硫酸鹽或硫酸鹽需要加什么？除了前面所用到的兩種堿外，還有可能用哪種堿可達到目的？

[資料卡3]鎂法脫硫：將 MgO 加水調(diào)制成Mg（OH）₂ 漿液，吸收煙氣中的 SO₂ ，吸收液經(jīng)氧化、分離提純得到副產(chǎn)品。海水法脫硫：利用海水的弱堿性，吸收除去煙氣中的 SO₂ 。（已知： 20% 時， MgS0₃ 的溶解度為 0.57g，MgS0₄ 的溶解度為 25.5g ）

［學生活動3]小組合作，結合鎂法脫硫和海水脫硫法，設計工藝流程，并說明工藝優(yōu)點。

[學生]展示流程圖并說明工藝優(yōu)點（見圖7）。

[問題]鎂基-海水法脫硫效果受 ΔpH 的影響[12]，如何確定最佳pH條件？

［實驗探究]探究鎂基-海水法脫硫工藝的最佳pH條件。實驗用品：模擬煙氣 .15%Mg（OH）₂ 漿液、 .NaOH 溶液 ??pH 傳感器、 .SO₂ 傳感器、四口燒瓶、燒杯、導管、磁力攪拌器。實驗裝置如圖8所示。

連續(xù)通入模擬煙氣，測定吸收液的pH和尾氣中SO₂ 的濃度，實驗結果如圖9所示。

[學生分析]隨著模擬煙氣的通入， Mg（OH）₂ 漿液pH先保持穩(wěn)定后逐漸降低，尾氣中 SO₂ 濃度先保持不變后逐漸增大，時間為21s時，尾氣中 SO₂ 濃度開始逐漸增大，說明吸收效果變差，選擇此時對應的 pH 約為7.5為最佳條件。

[追問] pHgt;7.5 時， SO₂ 吸收效果均較好，為什么

不選擇更大的 pH 條件？

[學生] pHgt;7 .5， SO₂ 脫除率變化不大，且Mg（OH）₂ 漿液利用率降低，造成原料的浪費。

[追問] pHlt;7.5 會造成怎樣的影響？

[學生］ pH 過小，脫硫效果變差，并加快設備腐蝕。

[小結]綜合考慮 Mg（OH）₂ 漿液利用率和 SO₂ 吸收效率選擇最佳 pH 條件為7.5。實際脫硫過程中，是通過調(diào)節(jié)單位時間內(nèi) Mg（OH）₂ 漿液的噴淋量來實現(xiàn)pH 的控制。

[問題]在催化劑作用下 O₂ 將 MgSO₃ 氧化為MgSO₄ 。 0₂ 氧化溶液中 SO₃^2- 的離子方程式為 2S0₃^2-+ 。在其他條件相同時，漿料中 0₂ 氧化 MgS0₃ 的化學反應速率隨 ΔpH 變化曲線如圖10所示。在 pH=6～8 范圍內(nèi)， pH 增大， MgS0₃ 的氧化速率增大，其主要原因是什么？

[學生]pH增大，溶液中 SO₃^2- 離子濃度增大，化學反應速率加快。

[追問]從設備角度思考，為什么需要加快氧化速率？

[學生]將難溶于水的 MgS0₃ 氧化為易溶于水的MgSO₄ ，從而避免設備堵塞。

［教師]由大連海事大學研發(fā)的鎂基-海水法船用脫硫系統(tǒng)，巧妙結合鎂法和海水法脫硫的技術特點，采用成套減阻增效措施，攻克困擾綠色高效船舶海洋運輸?shù)膰H技術難題，開發(fā)出的海運船舶硫排放控制裝備，打破了歐美企業(yè)對高端船配市場的壟斷，使中國船舶脫硫技術躋身世界一流水平[13]

設計意圖：根據(jù)海洋船舶脫硫的特定情境，結合資料卡信息，優(yōu)化設計海運船舶脫硫工藝，促進知識的遷移應用，發(fā)展批判性思維和創(chuàng)造性思維；通過數(shù)字化實驗探究以及圖表數(shù)據(jù)的分析、解釋，發(fā)展學生信息獲取及加工能力，認識物質(zhì)轉化過程中條件控制的重要性；通過我國科學家的成果展示，增強科技自信和民族自豪感。

3.5 整理歸納

（1）船舶廢氣脫硫工藝演進以及其中所蘊含的化學原理，如圖11所示。

（2）綜合運用化學-技術-工程知識解決實際問題的一般思路，如圖12所示。

設計意圖：將思維過程結構化并形成一般思路，強化化學知識的應用價值，為進一步的遷移應用打下基礎。

4項目學習效果與反思

在課堂學習中，學生化身工程師，始終圍繞硫及其化合物的性質(zhì)以及相互轉化的“價-類”二維知識結構圖，結合船舶實際生產(chǎn)情境，設計并優(yōu)化船舶脫硫工藝。學生的設計經(jīng)歷了從堿吸收法到雙堿脫硫法，進而為遠洋航行的船舶尋找最佳脫硫工藝的思維迭代過程。課堂教學中，學生通過頭腦風暴、小組合作、工藝流程展示、實驗探究等多種活動解決實際問題，能積極主動參與項目的各個環(huán)節(jié)，組內(nèi)有效溝通，分工明確，結合項目背景，調(diào)用已學知識提出解決問題的一般方法，自信展示項目成果，并結合實際情況反思質(zhì)疑，接受評價反饋并改進解決方案。例如，學生在優(yōu)化完成雙堿脫硫工藝后，進一步提出了“遠洋航行的船舶可否直接利用海水”的質(zhì)疑，自然推動了項目任務三的生成與解決。在鎂基-海水脫硫法工藝條件控制的教學環(huán)節(jié)，融合了2023年江蘇化學高考試題內(nèi)容，學生能夠分析解釋在一定條件下， pH 增大導致 MgSO₃ 的氧化速率增大的主要原因，以及實際脫硫過程中，加快 MgS0₃ 氧化速率的原因。經(jīng)過任務一和任務二完成過程中化學思維與工程思維的融合訓練，學生在處理此類問題時，不僅能從化學反應原理的理論角度分析問題，也能從實際設備維護、原料利用率等角度綜合思考，思維方式得到了質(zhì)的提升，項目化學習取得預期的成果。

本項目盡管是復習課，但教學中仍重視“以實驗為基礎”，將實驗儀器改進和數(shù)字化傳感器相結合，通過圖8實驗創(chuàng)新裝置模擬不同脫硫工藝的吸收效率以及對設備的影響體現(xiàn)綠色化學理念，用pH傳感器和 SO₂ 傳感器探究鎂基-海水脫硫法的最佳 pH 條件。通過對實驗結果的分析，發(fā)展學生的信息獲取與加工能力，體會基于證據(jù)進行分析和推理對科學探究活動的重要性。將實驗結論遷移運用到實際船舶脫硫工藝，認識化學反應的選擇和條件控制對物質(zhì)轉化的重要影響，以及化學學科知識對工業(yè)實際生產(chǎn)的指導意義，達成了項目化教學目標。

利用項目化學習進行復習課教學設計，需要關注項目本身的適切性：一是項目本身要來源于真實的生產(chǎn)生活實際且能夠承載主要核心知識。如在備課之初，選擇的是“濕地中的硫循環(huán)及硫化物污染防治”為情境，但硫化物污染的形成和治理所涉及的主干知識較少，學生也頗為陌生，所以改為聚焦 SO₂ 污染這一更具普遍價值的社會性議題中去尋找新的情境，且問題解決中核心知識覆蓋面大，便于學生知識結構的建構與遷移；二是項目任務的設計要關注學生的已有認知水平，在學生原有知識和能力水平上，搭建臺階，通過完成層層遞進的項目任務，完成學科知識的整合和思維能力的提升。如從“雙堿法脫硫”到“鎂法”脫硫的過程中，學生并不能一下子就想到用 Mg（OH）₂ ，這時，引導學生再次回到硫及其化合物的“價-類”二維圖中，思考從二氧化硫到亞硫酸鹽或硫酸鹽的轉化需要的物質(zhì)是什么？還有什么堿可實現(xiàn)脫硫并獲得有用產(chǎn)品的自的？從而自然引人“鎂法”脫硫。總之，需根據(jù)學生的心理、認知能力選取富載知識點的項目，讓學生親歷綜合運用結構化的知識解決實際問題的過程，實現(xiàn)化學知識的再發(fā)現(xiàn)和再創(chuàng)造。

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