科學精神視域下二氧化碳甲醇化微項目教學實踐

史培艷 劉翠

摘要：科學精神是指批判、求實、實證、創新、協作等精神，是高中化學學科核心素養5大維度之一的“科學態度與社會責任”的重要內涵之一。以CO2甲醇化微項目為主線，利用熱力學和動力學原理分析化學反應的方向、限度、速率、機理，基于數據、圖式、理論等求實、求證、創新，突顯微項目教學對科學精神獨特的培育價值。

關鍵詞：科學精神；二氧化碳甲醇化；微項目教學；化學學科核心素養

文章編號：1008-0546（2022）02-0058-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.012

一、科學精神的內涵

從認識論角度，任鴻雋提出“科學精神”即“求真理”；竺可楨指出“科學精神”即“求是”。從方法論角度，波普爾（奧）指出“科學精神”即“質疑和批判”。從社會規范角度，庫恩（美）指出科學精神的核心是“求證”。科學精神是科學在其歷史發展中形成的思維方式、價值取向、行為規范和傳統的總和，是指人們在科學活動中具備的意識和態度，是科技工作者所應有的信念、意志、氣度、品質、責任感和使命感[1]。新時代下的科學精神內涵主要是指求知探索、求真求實、懷疑批判、開拓創新、團隊協作、敬業獻身等精神。科學精神是指批判、求實、實證、創新、協作等精神，是高中化學學科核心素養的重要組成。

二、科學精神的培育價值

十九大報告中，習近平總書記強調“建設科技強國，弘揚科學精神”。化學是材料科學、生命科學、環境科學、能源科學、信息科學等現代科學技術的重要基礎，是落實立德樹人根本任務、發展素質教育、弘揚科學精神、提升學生核心素養的重要載體[2]。在化學教學過程中培育學生科學精神，有利于激發學生學習化學的好奇心、興趣和積極性，有利于提升學習化學的效率和效能，有利于培育學生批判、探索、求證、創新等科學精神。

在二氧化碳甲醇化微項目教學實踐中，通過觀看習近平總書記應對氣候變化新舉措和科學家把二氧化碳轉化為甲醇視頻，學生了解“碳中和”方法，辯證看待CO2，CO2不僅是溫室氣體，更是重要的碳能源，培育學生辯證批判精神。通過小組合作討論二氧化碳甲醇化進階化問題，培養學生探索、協作精神；通過二氧化碳甲醇化綜合問題研討，融合核心價值、核心素養、關鍵能力、必備知識，實現學科素養、學科精神、學科育人的有效整合。

三、教學案例

1.二氧化碳甲醇化進展

化學上，利用加氫催化、電催化、光催化等將二氧化碳轉化為有機原料，如利用廢氣二氧化碳制備甲醇是實現碳循環、碳中和的重要途徑。

1927年，美國最早利用二氧化碳加氫催化制備甲醇，主要利用ZnO-Cr-Cu催化劑，甲醇的產率為68%[3]。1972年，日本首次利用光照射TiO2電極分解水制氫還原二氧化碳合成甲醇[4]。二氧化碳甲醇化的關鍵是激活惰性氣體二氧化碳，找到高效的催化劑是激活二氧化碳的最好方法。經過科學家的長期探索與研究，目前使用的催化劑主要有Cu基催化劑、貴金屬催化劑、In2O3催化劑等。2009年，日本三井化學公司制備甲醇，耗二氧化碳約100 t/年[4]。2012年，碳循環國際公司CRI耗二氧化碳約5600 t/年，目前年耗二氧化碳5萬—10萬噸[4]。2016年中科院山西煤炭化學研究所和中科院上海高等研究院利用單管試驗實現二氧化碳加氫制甲醇，2018年中科院大連化學物理研究所采用“液態陽光”二氧化碳加氫合成甲醇，2019年河南順成集團引進CRT技術實現二氧化碳加氫制甲醇，2020年國內首套二氧化碳加氫制甲醇的工業裝置開工[5]……

2.微項目主題分析

“二氧化碳甲醇化”微項目是對《化學反應原理》中反應方向、限度、速率、機理核心知識的綜合復習。通過熱力學原理判斷反應的方向和限度；通過動力學原理判斷轉化率、脫除率、去除率、產率等“率”的影響因素（本質是化學反應速率的影響因素）和化學反應機理。

高三學生學完所有模塊化學知識，已經具備知識關聯化建構能力，但在解決綜合性、主題化習題時，不能完整的作答，缺乏科學性。通過微項目教學實踐，和學生共同把化學核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識融合于知識結構和思維認知模型中，提升學生的復雜問題解決能力[6]和高階思維能力[7]。

3.微項目教學目標

（1）通過“碳中和”途徑之一碳循環，從化學學科本質角度認識化學對社會可持續發展的價值；通過二氧化碳功與過，培育學生辯證批判精神。

（2）根據熱力學中吉布斯自由能變探索二氧化碳甲醇化的可能性，診斷學生利用數據和理論判斷化學反應方向的能力，培育學生質疑、求實精神。

（3）利用熱力學中勒夏特列原理分析二氧化碳甲醇化平衡移動方向，探析濃度、壓強、溫度對化學平衡移動方向和轉化率的影響，培育學生探索、求證精神。

（4）利用動力學原理分析、解決二氧化碳甲醇化“率”的歸因問題，從宏觀到微觀分析反應機理，構建思維認知模型，發展學生宏觀辨識、微觀探析、證據推理、模型認知素養和科學思維能力，培育學生團結協作、專心致志、嚴謹不茍和遷移創新的科學精神。

4.微項目教學流程（圖1）

5.微項目教學過程

（1）任務1：辯證看待，理性批判

二氧化碳被認為是引發全球氣溫升高、沙漠化加劇、多種生物面臨滅絕、多種氣候事件頻發的“罪魁禍首”。2021年4月22日（世界地球日）習近平總書記根據氣候問題進一步提出到2030年實現碳達峰，2060年前達到碳中和。從化學學科角度，將二氧化碳資源化，轉化為清潔能源是重要的碳中和方法。研究者受植物光合作用啟發將二氧化碳加氫催化，目前能將二氧化碳按每年萬噸單位計量轉化為甲醇。

【驅動問題】如何看待二氧化碳？二氧化碳是一種惰性的氧化物，能轉化為有機物嗎？

【學生匯報】需辯證看待二氧化碳，它不僅是一種溫室氣體，還是一種重要的碳資源。根據二氧化碳甲醇化進展，說明一定條件下二氧化碳可以轉化為低碳的有機物。

（2）任務2：探索趨勢，析因求實

【驅動問題】二氧化碳加氫催化合成甲醇的工業化優勢如何？如何分析？

【提供信息】

圖2及表1數據資料。

【活動1】根據資料1，利用吉布斯自由能變探索二氧化碳甲醇化的方向。

【學生匯報】根據數據求實。△H=-48.97 kJ·mol-1<0，反應放熱，體系的能量降低，具有自發傾向；△S=-177.16 J·mol-1·K-1<0，體系的熵減，具有非自發傾向；根據吉布斯自由能變方程計算，△G=△HT△S =[-48.97-298×（-177.16）×0.001]KJ·mol- 1≈3.82 KJ·mol-1>0，非自發；若想自發進行，需降低溫度。

【教師評價和追問】大家能利用焓變和熵變綜合判斷等溫、等壓條件下反應的方向。△G<0，反應自發進行；△G>0，反應非自發進行；△G=0，反應達到化學平衡狀態[9]。除了用吉布斯自由能變判斷反應的方向，還有什么方法？

【學生匯報】用化學平衡常數判斷。化學平衡常數越大，反應進行的程度就越強。通過濃度商Q與化學平衡常數K大小比較判斷反應的方向。QK，反應逆向進行；Q=K，反應達到化學平衡[9]。

【活動2】根據圖2和表1數據，根據勒夏特列原理探索反應條件對平衡移動的影響。

【學生匯報】根據圖2數據變化趨勢知：增大壓強，平衡正向移動，甲醇的產率增大；520 K之前，溫度升高，反應物濃度和溫度協同作用，反應正向進行，甲醇產率升高[9]；因為該反應正向放熱，逆向吸熱，濃度和溫度競爭作用，溫度影響強于濃度影響，520 K之后，溫度升高，平衡逆向移動，甲醇產率降低；表1中數據得知，n（H2）：n（CO2）值增大，平衡正向移動，二氧化碳的轉化率升高[9]，即增大一種反應物濃度，另一反應物的轉化率增大，因n（H2）：n（CO2）值起始時較小，甲醇的物質的量增大程度較大，甲醇平衡時物質的量分數先增大，當n（H2）：n（CO2）值增大程度大于甲醇物質的量增大程度，甲醇的物質的量分數又減小，所以甲醇平衡時物質的量分數先增大后減小。

[教師評價并小結]大家能根據數據和圖式信息判斷平衡移動的方向，實質是根據勒·夏特列平衡移動原理來判斷。

（3）任務3：宏微探析，精準求證

【活動1】根據圖2、表1數據，從動力學角度對二氧化碳轉化率和甲醇產率進行歸因。

【學生匯報】從動力學角度對轉化率、產率等進行歸因，本質上是分析濃度、催化劑、溫度、壓強、接觸面等外界因素對化學反應速率的影響。增大濃度，單位體積內活化分子數增多，有效碰撞頻率增大，反之減小；升高溫度，增大單位體積內活化分子百分數，反之，減小；增大氣體壓強，相當于增大氣體反應物濃度，有效碰撞頻率增大，反之減小；使用催化劑，降低活化能；增大接觸面，有效碰撞次數增多[9]。

【教師評價和追問】大家能從動力學中碰撞理論對化學反應速率歸因。其中催化劑組成不同對甲醇產率和選擇性有何影響？如何從微觀角度分析CO2催化加氫合成CH3OH的機理？

【提供信息】

資料2：Cu基催化劑主要用于CO2加氫制甲醇，已工業化約50年，在220-300℃和5-10 MPa條件下，CO2的轉化率高，甲醇的選擇性和產率很高[8]（表2）。

催化劑表面氣相反應歷程為吸附、表面反應、脫附、擴散[10]。多名研究者利用不同實驗手段和理論研究CO2催化加氫合成CH3OH的機理。如圖3（其中吸附在催化劑表面的物種用*標注）和圖4[11]。

【活動2】分析催化劑不同組成對反應影響及催化機理

【學生匯報】催化劑的組成不同，催化活性不同，組成改變會影響甲醇的產率和選擇性。

【學生匯報】從過渡態理論角度分析：銅基催化劑吸附的CO2加氫先生成C-H鍵（*HCOO），*HCOO加氫轉化為*H2COO（二氧亞甲基），*H2COO失氧轉化為*H2CO（甲醛），*H2CO加氫轉化為*H3CO（甲氧基），*H3CO加氫轉化為CH3OH。

（4）學以致用，遷移創新

利用機理認知模型遷移應用到新問題中，如圖5，學生寫出用二氧化碳在Na-Fe3O4/HZSM-5催化劑上生成汽油C8H16的化學方程式。

6.教學效果和反思

本節課借助二氧化碳甲醇化微項目，從工業原料、生產條件、熱力學、動力學角度探索二氧化碳甲醇化的方向、限度、快慢、機理。學生宏觀上明白“率”的影響因素，學會歸因；微觀上明白反應機理，學會符號表征。學生在質疑、求實、求證中構建思維認知模型，外顯二氧化碳甲醇化分析過程，如圖6。

從學生的匯報和成果可以得出，學生能夠判定指定條件下反應的方向、限度，學會平衡移動方向、速率單方歸因。提高原料轉化率和反應速率的條件相沖突時，學生不能全面的綜合考慮因素進行歸因。

四、微項目教學實踐對科學精神培育的獨特價值

微項目教學是以微項目為載體，在真實情境中小組合作探究學習，構成要素為情境、內容、活動、結果。

微項目教學為科學精神培育提供真實實踐情境場所，激奇生趣，探中求知。好奇心是“科學家的美德”，也是學生求索的動力。學生因奇生趣，就會有探索的欲望，敢于懷疑、批判、求是。約西亞·威拉德·吉布斯（美）因好奇“冷水為什么不能把熱量傳給熱水”而提出“混亂度”，進而提出反應方向判斷依據。

微項目教學不僅授知識、傳技能，重在于啟智慧、出作品、提精神、育素養。著名的科學史學家薩爾頓（美）在《科學史導論》中指出：“單純教授科學知識和專業訓練，則學習科學無教育價值。”學科知識不能脫離科學精神，脫離科學精神的學科教育“無神、無魂”。微項目教學融入科學精神，淡化應試教育理念，利于素質教育的實施、發展。

在探索活動中，既能感受到探索的樂趣，也能激發創新的靈感。勒·夏特列通過改變外因研究化學反應“產率”提高規律，從而總結出勒·夏特列原理。在探索活動中，學生主動求知、大膽懷疑、獨立思索、批判求是、不斷創新、協作共進等科學精神得到發展。小組合作學習，不同智慧集中，慧出預想的作品。

參考文獻

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