基于模型建構的高中化學項目式教學實踐
——以“天然氣中CO2和H2S 的協同去除”為例

陳永安

（廈門雙十中學，福建 廈門 361000）

一、設計背景

《普通高中化學課程標準（2017 年版）》提到，倡導真實問題情境的創設，重視教學內容的結構化設計，激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變［1］。項目式學習是以某一項目為教學載體，讓學生通過已有的知識或經驗以任務驅動的方式解決問題，進而達到核心素養的培養。在開展項目式教學時，應考慮學習主題情境的真實性。真實情境不僅要能涵蓋學科知識，同時在問題解決中能誘發學生的內心需求。

“模型認知”是高中化學核心素養中的一個方面。“模型認知”最初來源于蘇格蘭Kenneth Craik 提出的心智模型，他認為通過將外在事件轉化為內在模型，思維就可利用內在模型進行推理、預測和解釋事件。模型的建構是在模型認知的基礎上演變出來的，中學教學更側重的是知識模型的建構，利用建構的知識模型深化了學生對知識的理解，幫助學生進行深層次的思維訓練，提升問題解決能力，因此知識模型的建構是一種很重要而且很有效的學習工具，幫助學生日后在碰到復雜且多變的問題時，能夠“有章可循，有法可依”地解決問題。

利用真實情境進行模型的建構和應用能夠幫助學生將有序的知識系統化，從點到線再到面進行自主學習和探究，進而將抽象的問題具體化，同時，改變教師的教學視角，會用學生的視角審視自己的教學模式，提升自己的基礎教學。

對各種科學雜志的研究成果進行搜索，確定“天然氣中CO2和H2S 的協同去除”為項目式學習主題。

二、設計思路

本項目以“天然氣中CO2和H2S 協同去除”為主體，依次從元素價類二維模型結合熱力學計算設計去除理想方案、利用電化學理論模型設計電解裝置、再從工程思維、動力學角度設計電解裝置的實際模型，從而引導學生經歷一個完整的項目式學習。通過上述活動，學生在關鍵問題的解決中不斷地建構和運用模型，同時深刻體會科學家們研究的創造性。教學流程見圖1。

圖1 “天然氣中CO2和H2S 的協同去除”課堂教學流程

三、教學過程

（一）應用價類二維模型、熱力學計算設計理論去除方案

［教師］介紹天然氣中CO2和H2S 除去的必要性，同時在工業上兼具經濟和環境雙重效益的理想策略是將天然氣中CO2和H2S 氣體轉化為有價值的產品。

［布置任務］請同學們根據所學知識，設計去除天然氣中CO2和H2S 氣體的方案，填寫學案后進行交流。

［學生1］CO2和H2S 從物質類別的角度均屬于酸性氣體，因此使用的試劑是NaOH 溶液。

［學生2］從經濟成本上考慮，應使用Ca(OH)2溶液。

［教師點評］兩位同學能從類維角度設計除去CO2和H2S 的方案，同時從經濟成本上考慮更優化試劑，但這些方案在工業是否可行？給大家提供以下資料。

圖2

［學生3］不可行。通過資料1 可知CH4中的CO2和H2S 含量高，根據資料2 可知試劑的消耗量和成本高，且不可再生，不符合綠色化學思想。

［教師］既然從類維的角度設計分案是不行的，那還可以從什么角度入手？

［學生4］價維。因為CO2中的C 為+4 價可作為氧化劑，H2S 中的S 為-2 價可作為還原劑，二者發生氧化還原反應可實現同時去除。

［教師追問］反應的產物是什么？

［學生4］CO2不是典型的氧化劑，因此化合價的變化可能在鄰近價態中轉變，產物應是CO、S 和H2O。

［教師］從氧化還原反應的價態規律分析出反應產物，同時從工業生產角度來說也希望生成CO 和S，因為CO 可用于氣體燃料和生產醋酸等化工產品，S可用于制造硫酸、殺蟲劑等，這是一舉多得的好事。但前提是該反應要能發生，那怎么來判斷一個反應能發生？

［學生5］可根據△H-T△S進行判斷。通過查表和結合蓋斯定律可知該反應的△H＞0，由反應的物質狀態可知△S＜0，因而△H-T△S＞0，反應不能自發進行。

［教師］怎么設計才能使該反應進行？

［學生交流討論］借助電解可使反應進行。

［點評分析］此環節，學生從類維角度入手，初步設計去除方案，教師引入工程思維后，學生進一步從價維角度入手，同時結合熱力學計算分析反應可行性，進而通過所學知識提出反應不可行的解決方案。教師引導學生逐步建構解決真實情境的思維模型。

（二）初步設計電解池理論模型

［教師布置任務］以電解飽和NaCl 溶液為模型，寫出該反應的電極反應式和畫出電解裝置。同桌之間相互討論，填寫學案后進行交流。

［學生1］電極反應式：陽極H2S-2e-=S↓+2H+；陰極CO2+2e-+2H+=CO+H2O。選擇酸性電解質溶液，目的是防止CO2和H2S 反應，同時參考電解飽和NaCl 溶液的裝置選擇質子交換膜防止陰陽極的物質相互干擾，具體裝置圖為A。

圖3 學生對電解裝置設計的結果實例

［學生2］在前組的基礎上，我們組改變電極材料—多孔石墨電極，如圖B，主要是模仿氫氧燃料電池的電極，目的在吸附氣體，提高電解速率。

［教師點評］同學們利用之前所學模型進行電解裝置設計，同時考慮電解物質為氣體，應選用吸附氣體的電極材料。隨著科技發展，逐漸地用石墨烯電極代替多孔石墨電極，石墨烯是單層石墨，納米級別，吸附能力強，導電性能好，是現今優良的電極材料［2］。

［點評分析］結合之前所學的電化學知識和模型，學生自主設計電解理論裝置。教師將學生設計的電解裝置進行對比，引導他們能取長補短，進行自我論證。

（三）優化電解池模型實現從理論模型到實際模型的轉化

［教師］在實驗過程中發現CO2吸附率高，但是反應速率慢。如何提高CO2反應速率？

［學生1］增大CO2濃度（增大壓強），升溫。

［學生2］CO2的吸附率高，說明CO2濃度高（壓強大），增大濃度（增大壓強）方案不可行。

［學生3］在電解裝置中升溫，現實操作困難。

［教師點評］同學們通過影響化學反應速率的外界因素結合生產實際篩選提高方法，但是忽略了其中一種因素。（學生：催化劑。）怎么添加催化劑？

［學生］最好直接摻雜在電極上，在溶液中添加催化劑使得其與CO2的接觸面積變少，影響催化效果。

［教師］通過科學家們的不斷研究，為了兼顧綠色化學和經濟效益，選擇催化劑ZnO 摻雜在石墨烯電極中。

［教師追問］H2S 在吸附性強的石墨烯電極上仍吸附率低，如何提高H2S 的吸附率？請同學們利用“知識支持”的提示設計出解決方案。

圖4

［學生］可通過改變交換膜右側的電解質溶液，從而改變H2S 的去除途徑，提高其去除率，因此在交換膜右側電解質溶液中加入含Fe3+的物質。

［教師追問］具體發生的反應是什么？

［學生］溶液中發生2Fe3++H2S=2Fe2++S↓+2H+；陽極Fe2+-e-=Fe3+，因而Fe3+可進行循環使用。

［教師點評］在實際生產中，使用了Fe3+，則電解質溶液應為強酸性，實用性不強，因而使用EDTA-Fe3+，EDTA-Fe3+在弱酸性溶液中可使用，符合生產實際。

［教師補充］從能量轉化的角度上分析，可對直流電源進行優化，將其換成太陽能電池，進一步實現綠色化學。在工業生產中，為了使CO2和H2S 協同除去，應使CO2和H2S 從天然氣中分離出來，并在兩極上反應，則需設計一個經特殊處理的管道，從管道的一端通入天然氣，再分別從管道中逸出CO2和H2S。具體裝置為圖5。

［點評分析］此環節是本節課的難點，在解決CO2反應慢、H2S 吸附率低等問題都充分利用化學動力學進行方案設計及優化。H2S 的處理跳脫原體系，引入EDTA-Fe3+進行循環利用從而間接除去H2S。此環節有效地提升學生建構模型和應用模型的能力。

四、教學反思

（一）核心素養孕育于真實情境和模型建構

本節課從天然氣中CO2和H2S 協同去除的真實情境入手，提出多個核心問題，通過設計多樣化的教學活動，促進學生在活動中進行深度學習，同時利用模型建構和運用，不斷提升學生思維能力和解決問題的邏輯能力，從而建構結構化的知識體系。

圖5 優化的電解裝置

（二）核心素養發展于學生需求和問題解決

本節課引導學生發現問題、討論問題、解決問題，學生運用習得的知識和技能解決真實問題，進而提升關鍵能力和必備品格。教學時，每一個問題既是獨立又是關聯的，通過層層推進的問題幫助學生形成邏輯推理鏈，學生利用資料卡、知識支持等獲取和加工信息，從元素價類二維、化學熱力學和動力學上設計和優化方案，從而促使學生從學科知識向學科核心素養發展。

（三）核心素養依托于教師視角轉換

模型的建構需要教師關注學生思維習慣和問問題的動力來源，因此對于教師應該時刻反思本節課學生已有的知識框架是什么？如何在原有的知識框架及學生需求上擴展學生的知識深度和已有模型？因而，教師的課堂出發點應從學生的視角入手，通過讓學生自行繪出思維導圖建構知識模型。