“二氧化碳合成甲醇”項目式復習教學設計

張仿剛 楊志義 付成超

（1.山東省莘縣第一中學 252400；2.聊城市第一實驗學校 252000）

一、項目內容分析

本節內容為“化學反應原理”模塊專題復習“化學反應的方向、限度和速率”的最后一個課時的綜合提升課，依據課程標準和高考評價要求，本節課以“二氧化碳合成甲醇”這一真實科學研究和化工生產為例，探究物質轉化的反應設計和反應條件的優化，旨在建構綜合思維模型，并遷移解決真實化工生產問題。

1.課標分析

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》對本節課教學內容的學業要求強調［1］：

（1）通過吉布斯自由能和平衡常數判斷反應的方向。

（2）能根據壓強、濃度、溫度判斷平衡移動方向并討論優化化學反應的條件。

（3）能運用影響化學反應速率的因素解釋生產生活以及實驗室中的實際問題，討論化學反應條件的選擇和優化。

（4）結合典型案例，能從多個視角對化學反應和化工生產條件進行綜合分析。

根據課標要求，從知識角度看，本節課引導學生有效運用前4個課時復習的基礎知識進行遷移運用；從素養角度看，引導學生建構多個認識視角，定性視角（價類思想、勒夏特列原理）、定量視角（濃度商和平衡常數、耦合思想）、哲學視角（調控主副反應、把握主次矛盾）等，通過本節課的復習，學生的多種化學學科核心素養得到了進一步發展。

2.高考要求

高考評價體系提出了“一核四層四翼”，并在此基礎上明確了考查載體，強調價值引領、素養為重，試題更加注重探究性、開放性和綜合性，以培養學生的創造力和創新力。因此復習務必選擇真實情境，并設計好“素養為本”的學習任務群，課例在情境上選用了二十大報告、我國科學家的兩項研究成果、一項企業投產案例，以厚植愛國主義情懷；在選材上廣泛參考各地教材和期刊論文；在圖表數據上務求真實可靠，選取了兩篇科研外文資料［2，3］；在試題選擇上力求典型適用，選用了三道高考試題和兩道模擬試題。遵循建構主義理論設計學習任務活動，符合學生認知規律，立足學科理解和學習進階教學理念，情境線由簡到繁、知識線由易到難、思維度由淺入深，逐步拓展提升，整合學科概念，形成思維模型，并遷移應用，既整合了學科知識，又培養了關鍵能力，提升了學科思想。

3.內容分析

傳統的高三復習往往通過簡單地訓練、講評，課堂空洞、枯燥乏味，無法形成系統的知識建構和思維提升。從學生的學習興趣看，單一的知識梳理加訓練的模式已經無法調動積極性，由于學生并未接觸過項目式學習，為提高復習的有效性，本節課大膽實踐項目式教學，項目內容主要選取了社會熱點和科研熱點兼具的“碳達峰、碳中和”的二氧化碳資源化利用，主題鮮明、活動豐富、建構清晰，結合科研數據和工業生產的實際應用，圍繞物質轉化這一主題，綜合資源、能源與環境等相關問題開展綜合復習，選取了貼近社會生產的真實、有意義、可操作的綜合性內容，滿足課程標準的必備知識、關鍵能力和正確的價值觀導向，在復雜遞進的問題鏈中，學生積極調用結構化知識和科學視角來解決真實問題，并形成可遷移的思維模型。

二、學生學情分析

1.學生基礎

從學生的學科能力發展看，通過高三前期全面的復習，學生對本專題所涉及的基礎知識和反應原理經過了系統的梳理，能夠從宏觀微觀、定性定量等多角度認識化學變化，可以結合相關原理，解釋影響化學反應速率和化學平衡的因素，并結合生產、生活實際問題說明化學反應中的能量變化和調控反應條件。從心理發展來看，由于本部分邏輯推理要求高，而學生獲取信息、加工信息、圖表圖像分析的能力還不夠，綜合解決復雜問題的能力還不強，而高考試題、模擬試題比較難，所以大部分高三學生對本專題涉及的實際工業問題、多元平衡體系的綜合分析有畏難情緒，導致學習興趣不高。

2.存在不足

主要有四點不足：處于孤立認識水平，自主利用多角度或者多變量關系系統解決復雜問題的能力尚且欠缺；定量分析能力欠佳，尤其對于多平衡體系和復雜圖像不能合理解讀、準確分析；學科思想單一，不能從整體角度去看待問題，不能把控主要矛盾和次要矛盾；答題不夠規范，邏輯推理不嚴密，學科語言不嚴謹。

因此本課復習目標定位于建構多角度認識物質轉化和反應條件控制的思維模型，并形成答題模板，以綜合解決復雜的真實問題。

三、教學與評價目標

（1）通過對CH3OH 合成反應的設計，建立從價類二維、綜合判據和耦合思想設計化學反應的思維模型，評價學生的發散思維和證據推理的能力。

（2）通過對CO2催化加氫制甲醇的熱力學、動力學分析，建構從方向、限度和快慢角度調控化學反應的思維模型，評價學生從孤立分析到系統分析的能力。

（3）通過對化工實際生產的研究，學會“多、快、好、省”的綜合思維，樹立綠色化學觀念，學會分析圖像、處理數據，評價學生運用數學工具和化學思想綜合解決真實問題的能力。

四、教學設計思路

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》強調“以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實”。本課時貫徹課程標準的教育理念，堅持宏觀把握、中觀建構和微觀落實的原則，立足培養學生的綜合創新能力，以“探究化學反應的設計與反應條件的優化”為課題，選擇社會熱點問題“碳達峰、碳中和”，圍繞“CO2合成甲醇”項目主題，以“具體事實→概念抽取→模型建構→完善應用”為主線索，重視物質轉化大概念，創設真實情境，綜合運用化學反應的方向、限度和速率概念，基于學科理解和學習進階系統解決真實化工生產中的真實問題，促進了學生核心素養的發展。具體地分為環環相扣的四個板塊：

（1）從設計反應“CO2到甲醇的轉化”抽取出“價類二維、熱力學計算”等基本概念，遷移應用中再通過“TiCl4的制取”補充“耦合思想”加以完善，進而提取出核心概念“反應的方向與設計”。

（2）從選擇反應條件，建構化工生產“多、快、好、省”調控反應條件的思維模型，并孤立運用“熱力學”（化學平衡、平衡轉化率、平衡產率）和“動力學”（化學反應速率、反應歷程）得出“可通過調控化學反應限度和快慢獲得目標物質”的條件并不完全一致，必須系統研究、綜合優化。

（3）通過分析真實的科研生產數據，綜合優化“濃度、壓強、溫度、催化劑”四個反應條件，結合“綠色化學、循環經濟”概念，從物質轉化、能量轉化、速率動力學、平衡熱力學等系統思維視角，建構了分析復雜平衡體系條件控制的思維模型，提煉出“定性定量結合、調控主副反應”等學科思想。

（4）從成果模型的遷移應用中，完善“運用耦合思想、發展綠色工藝、把握主次矛盾”等思想，進一步形成“在正確的科學態度與社會責任指導下，通過科學設計、工程技術和條件調控化學反應，實現造福人類”的學科大概念，發展學生“綠色化學”觀念和辯證思維的能力。

教學流程如圖1：

圖1 教學流程

五、教學設計

【情境導入】引入項目背景，展示二十大報告關于碳達峰碳減排的論述和甲醇作為清潔燃料的圖文資料（圖2所示），引導學生多角度認識二氧化碳，知道它既是溫室氣體又是潛在的資源，激發學生學習興趣，培養資源利用意識，增強社會責任感。

圖2 情境素材

材料一：習近平總書記在黨的二十大報告中明確了到2035年我國發展的總體目標，其中之一是“碳排放達峰后穩中有降，生態環境好轉，美麗中國目標實現”。

材料二：甲醇是一種重要的清潔燃料，傳統上通過石油裂解和煤制備，而利用CO2直接轉化為甲醇，既可以減排CO2，又可以使人類不受到化石能源的限制。

【項目任務】引導學生拆解項目，按照工程設計的思路分成設計化學反應、選擇反應條件、優化反應條件三個子項目，目的是從宏觀把握項目研究的程序，讓學生清楚從哪里出發、到哪里去。

設計意圖：確定課堂主題，并從國家政策規劃到資源綠色應用創設真實情境，激發學生的學習熱情，培養學生的科學態度與社會責任。

1.項目一：設計化學反應

通過定性定量相結合來設計化學反應，引導學生認識物質轉化的兩種思路：價類二維和熱力學計算判據，通過展示我國科學家研究成果和實際生產力的轉化證實設想，從而發展科學態度與社會責任、證據推理和模型認知的核心素養，具體設計思路如表1所示。

表1 學生活動和設計意圖

【評價任務】診斷并發展學生對物質轉化思路的認識水平（基于概念原理水平）和化學價值的認識水平（學科價值視角、社會價值視角）。

2.項目二：選擇反應條件

建構工業化生產條件的綜合思維模型，并從理論知識上分析出溫度條件的要求相互矛盾的結論，創設出認知沖突，激發學生的求知欲和好奇心，使思維處于積極狀態，利于下一步的實際研究，具體設計思路如表2所示。

表2 學生活動和設計意圖

【評價任務】診斷學生系統考慮多種因素的分析水平（孤立水平、系統水平），利用熱力學和動力學理論分析應用水平（基于概念原理水平），發展學生綜合分析和運用基本理論的能力。

3.項目三：優化反應條件

通過具體真實的數據圖表，逐一探究，讓學生自主分析，建立定性與定量結合分析平衡移動，同時與理論上的單一反應分析產生認知沖突后，引導學生建立起“調控主副反應、把握主導作用”的辯證唯物主義觀點，發展科學探究與創新意識、證據推理與模型認知等核心素養。為了增加學習興趣，培養學生的創新創造能力，積極創設情境，引導學生學會像科學家一樣思考，睜眼看世界，比如引入兩篇外文資料的圖像全部是雙縱坐標，同時以我國科學家的研究成果為例，增強學生的民族自豪感，具體設計思路如表3所示。

表3 學生活動和設計意圖

【評價任務】診斷學生從方向、限度和快慢角度調控化學反應的分析水平（基于概念原理水平），系統考慮多種因素影響的分析水平（孤立水平、系統水平），發展學生綜合分析和運用基本理論的能力。

4.模型應用遷移創新

應用思維模型解決具體真實問題，建立知識關聯，對化學反應的方向、限度和速率形成結構化認識，并優化思維模型，從而建立反應耦合、分壓比較和把握主次矛盾等思想方法，發展學生科學態度與社會責任、證據推理與模型認知等核心素養，具體設計思路如表4所示。

表4 學生活動和設計意圖

【評價任務】診斷學生評價學生解決復雜問題的水平（孤立水平、系統水平），發展學生運用數學工具和化學思想分析圖像、處理數據，綜合解決真實問題的能力。

【課堂小結】引導學生整理完善思維模型，形成完整的思維框架，如圖3所示。

圖3 認知模型

【結束語】利用諧音“常常地想和美美地答”作為結束語，強調本節課的難點和答題的規范，讓學生有種心靈的愉悅感，如圖4所示。

圖4 本節課的難點和答題的規范

【作業布置】專題訓練和項目拓展，便于激發學有余力的學生關注CO2資源化利用的其他化學方法，以發展學生的“科學態度與社會責任”核心素養。

六、教學反思

本節課采用項目式教學將專題內容進行整合，不拘泥于教材，廣泛選材、精心選題，圍繞“CO2合成甲醇”主線索設計豐富而有創意的任務群，由簡單到復雜逐步深入，基于真實的問題情境，重視復習內容的結構化設計，激發了學生學習化學的興趣，使學生積極參與問題的解決過程，探究化的學習方式培養學生的理解、實踐、創新能力，實現深度學習。

1.注重主題大概念統攝下的認知建構

本節課沒有停留在復習本章碎片化知識的層面，而是注重主題大概念統攝下的認知建構，實施知識關聯的項目化、結構化的教學設計。大概念是基于具體事實基礎上抽象出來的、深層次的、可遷移的概念［6］。本節課確定物質的轉化為核心概念，物質的轉化是化學學科的大概念，如圖5所示：

圖5 本節課大概念解析

本課例教學內容的選擇、任務活動的設計力求對物質轉化大概念形成多個視角的認識，以反應的設計、條件的選擇和條件的優化為主線，充分發展學生綜合應用價類二維、熱力學計算、耦合思想、能量轉化、熱力學、動力學、辯證唯物主義等化學核心觀念在生產實踐應用中的認識思路。

2.注重創設真實富有價值的問題情境

教師在教學中注重緊密聯系生產和生活實際，創設豐富多樣的真實問題情境。如二十大報告對碳達峰碳減排的論述、甲醇清潔燃料的應用、我國科學家利用二氧化碳合成淀粉、報道河南安陽建成合成甲醇聯產裝置并實現全面投產、展示李燦院士團隊發現了ZnO-ZrO2雙金屬固溶體氧化物催化劑及重要的研究數據、苯乙烯的生產中恒壓條件下摻入一定量的水蒸氣等，為學生提供實踐應用、遷移創新的平臺，培育愛國情懷，展示學科獨特價值。

3.注重學科理解和思維進階的探究活動

本節課基于學科理解和思維進階，注重發展學生高階思維，聚焦學科核心價值，讓素養成為解決問題的主體。如在優化反應條件項目中，在分析濃度因素時僅涉及主反應，而分析壓強因素時出現了副反應，并通過高考試題展示兩個副反應，為分析溫度因素的影響做好鋪墊。在學習任務的設計上，遵循了由具體到抽象、再到實踐的認知規律，如在分析溫度因素時，以高考試題答案分析出分析多元平衡體系的答題模板后，接著以學生的生成性問題“溫度高于T1時甲醇的產率仍在增加”為抓手，引導學生再次分析影響副反應II的兩種相互競爭的條件，討論得出CO濃度增加占主導因素，及時鞏固了思維模型。模型應用的三道真實問題由易到難，利用數學工具、化學思維和化學認識視角解決問題，感受科學思維之美，培養科學探究和創新意識，同時關注學生形成正確的價值觀。