基于“科工整合”的“速率和平衡”大單元復習教學

王換榮 陳進前

摘要： 工程思維是在“科學實踐活動中凝練出科學思維”的基礎上建立的一種可操作性的高階思維。依據工程活動“設計與決策、研發、實施、實現”四個層次，以“利用工業廢氣中的CO2為碳源催化加氫合成甲醇”為例展開五步教學，基于“科工整合”實施“速率和平衡”大單元復習，引導學生站在“全過程”的視域高度形成“利用化學反應規律調控化學反應”的新認識，構建“設計化學反應解決化工問題”的一般思路。

關鍵詞： 科工整合； CO2催化加氫； 大單元復習； 科學思維； 工程思維

文章編號： 10056629（2024）01005207

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

實際生產和生活中，人們需要建立科學思維來分辨各種事物的相同和相異，辨析復雜體系中多因素之間的相互關聯，并能剖析多因素形成的多維立體網絡，最終實現不斷的創新和創造［1］。科學思維重視科學探究的過程和方法，而工程實踐過程中往往伴隨著科學探究過程。

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

1 思維的概述

1.1 思維及科學思維的概念界定

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

科學思維是指為正確而嚴謹地認識客觀事物，人腦借助信息符號加工處理感性材料的思辨途徑和認識方法。科學思維形成并作用于科學認識活動，是連接實踐與理論的橋梁［5］。《義務教育化學課程標準（2022年版）》指出：“化學科學思維是從化學視角對客觀現象獨立思考、判斷、質疑與批判，并提出創造性見解的能力；研究物質及其變化規律的思路與方法；建立宏觀、微觀、符號、圖像四重表征的認識方式。［6］”具體的科學思維方法和化學科學思維方法見表1。化學科學自身獨特的思維方法體系，可以破解學生學習過程中“繁、難、亂”等困擾［7］。

1.2 工程思維的內涵及特征

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“建造技術人工物，即創造工程活動的產品”，非但包括實物，還包括各種“信息和服務產品”。工程思維的過程可看作“設計出一個恰當的實現工程目標的操作路徑的過程”［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，也具有創新性、情境性、系統性等顯著特點［10］。換言之，工程思維具備可行性和操作性。

2013年美國頒布的《新一代科學教育標準》，首次將科學與工程實踐整合進了基礎教育階段，著力發展學生的創新思維。我國《義務教育科學課程標準（2022年版）》和化學、生物、技術等學科的普通高中課程標準（2017年版2020年修訂）

也首次融進了工程技術，提出工程技術的核心是設計，目的是解決實際問題和制造產品。工程思維屬于高階思維，對提升學生的核心素養意義深遠［11］。

化學教學中的工程思維異于工程領域中的工程思維［12］，它是立足于科學思維的培養，將學習化學知識和技能的過程沉浸于相應的工業情境中，并能解釋、解決真實境域中的問題［13］，并不斷修正學生運用統籌性思維權衡解決問題的思維方式。

2 主題及教學目標的確立

科學和工程相互交叉、關聯。因此，“科工整合”是化學教學中工程思維培養的有效路徑。設計一個化學反應用于實際化工生產時，必然遇到選擇適宜反應條件的問題。新課標要

求教學中要創設化工生產路線的選擇等真實情境，組織學生開展基于能量利用需求、綜合優化反應條件及能量轉化路徑、裝置等活動，形成合理利用能量的意識和思路，提升“科學探究與創新意識”和“科學態度與社會責任”的核心素養。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習教學——以催化加氫讓二氧化碳變廢為寶為例”。

預設以下教學目標：通過設計并選擇“利用工業廢氣中CO2合成甲醇”的反應及對反應條件的綜合優化，體會反應的焓變、熵變、速率和平衡相關知識的應用價值，形成從物質轉化及反應的方向、快慢、限度等多個角度綜合分析、解決工業問題的基本思路；樹立綠色化學理念，認識到利用化學反應將無用物轉化為有用物是解決環境問題的重要途徑；知道開發低溫下具有高活性和高選擇性的催化劑對促進化工發展的重大意義。

3 教學實踐過程

3.1 創設情境，運用工程思維確定探究任務

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

［提出問題］你能以工程師的角色，運用化學反應原理，設法利用CO2來合成新的能源變廢為寶，改變能源結構嗎？觀看“化石能源趨于耗盡”的視頻，進行小組討論。

3.2 搭建橋梁，運用工程思維分解任務

把全班同學分成8個小組，6人一組。確定從5個任務展開探索，師生共同規劃確定研究方案。

3.2.1 任務1 設計化學反應——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，最有希望開展大規模應用的是CO2加氫生成甲醇的反應。

［過渡］基于此，確定本節課的主題是“利用工業廢氣中的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？

［學生］水！方程式是2CO2+4H2O2CH3OH+3O2。

［總結］我們可以遵循元素觀、守恒觀和價態觀來設計化學反應。

3.2.2 任務2 選擇化學反應——依據

ΔG=ΔH－TΔS＜0，判斷反應的自發性

［過渡］我們設計的這兩個反應不一定可行。

［信息支持］給出298K、 100kPa條件下焓變和熵變的數據，假設反應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的可行性？

［學生］根據吉布斯自由能變ΔG=ΔH-TΔS＜0，反應能自發。反應Ⅰ的ΔH＜0， ΔS＜0，低溫能自發。反應Ⅱ的ΔH＞0， ΔS＜0，在任何溫度下均不自發。

［總結］ΔG＜0只能用于判斷等溫、等壓及只做體積功條件下，反應正向自發進行的趨勢，但反應能否實際發生還涉及速率問題。

3.2.3 任務3 微觀分析化學反應——結合能壘圖，解釋反應過程

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

［過渡］已知TS為過渡態，圖1中共3個過渡態，第3個過渡態使用了催化劑。

［問題］你能結合反應歷程分析使用催化劑PST時的兩個基元反應嗎？

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

［問題］這兩個基元反應中，哪個是決速步驟？

［學生］慢反應是決速步驟，根據活化能大的為慢反應，圖1中顯示第1個基元反應是慢反應，第2個則是快反應。

［問題］你能畫出反應歷程和能量變化圖嗎？

［學生］第1個基元反應吸熱，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中的細節，強調要標出具體的反應物和生成物及各物質的狀態和計量數。

［問題］結合反應歷程分析，科研人員在調試反應條件的過程中，監測到了除甲醇之外的什么物質，為什么？

［學生］CO。說明在發生主反應的過程中存在副反應：CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）。

［問題］在生產中，要盡可能地促進主反應而抑制副反應的發生，可以采取什么措施？

［學生］選擇合適的催化劑，提高主產物甲醇的選擇性。

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

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

［教師補充］反應歷程中，決定催化劑選擇性較高的步驟是生成過渡態3的這一步。

［問題］你能書寫生成過渡態3的方程式嗎？

［學生］CO*（g）+H2O（g）+2H2（g）CO（g）+H2O（g）+2H2（g）或CO*（g）CO（g）。

3.2.4 任務4 選擇反應條件——依據實驗參數，多角度考慮因素。

［過渡］微觀上副反應的發生導致了甲醇的選擇性較低。工業中主要依據實驗數據，從催化劑的角度來選擇反應條件，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率、選擇性及副產物CO選擇性的影響，見表2。

［問題］你認為工業生產中應選擇第幾組催化劑？依據是什么？

［學生］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物質的量之比增大，得到CO2的轉化率α和甲醇產率的值，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的轉化率和CH3OH的產率如何變化？

［學生］壓強不變，隨著H2比例的增多，H2的濃度增大，CO2的濃度減小，CO2的轉化率增大，甲醇的產率也增大。

［問題］H2與CO2選擇怎樣的比例比較好？

［學生］3∶1。因為3∶1時CO2的轉化率比較大，甲醇的產率也比較大，且繼續增大H2的比例，成本增大，但CO2的轉化率和甲醇的產率增大幅度均不大。

［過渡］好，選擇3∶1。現將H2與CO2比例不同對CO2轉化率和甲醇產率的影響轉化成折線圖3。

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

［學生］依據信息支持4中第1組，當催化劑是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，反應相同時間的甲醇產率，見圖4。

［問題］為什么溫度在480到520K范圍內甲醇產率升高？

［學生］溫度升高，速率加快。且在催化劑的活性溫度范圍內，溫度越高，催化劑活性越大。

［問題］520K之后產率為什么降低？

［學生］可能溫度升高，主反應逆向移動。還有可能溫度高于520K，促進了副反應的進行，或催化劑的活性降低。

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

［信息支持］主反應在不同溫度下的平衡常數如表4。

［問題］表格中的平衡常數均較小，也就是主反應難以達到平衡。因此，在實際生產中如何提高甲醇產量？

［學生］提高單位時間內甲醇的產量。也就是說，最高效的提高甲醇產量的方法是選擇高效的催化劑。

［問題］在實際工業生產中，分析溫度對主產物產率的影響，哪個角度最關鍵？

［學生］催化劑的活性和選擇性在實際生產中起到關鍵性的作用。故溫度的選擇常是根據催化劑的活性范圍來確定。

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

3.2.5 任務5 綜合優化條件——結合生產實際，建立思維模型

［問題］以上，我們在實現CO2催化加氫合成甲醇的工業生產中，應該從哪些角度來選擇反應條件，涉及哪些影響因素呢？

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

［教師補充］當然還要結合實際生產中的成本、工藝、安全性、綠色化學等方面來綜合選擇條件。

［問題］結合以上影響因素，我們建立選擇反應條件的思維模型，你能補充下列思維模型嗎？

［學生］口述并完成圖5。

［總結］今后在面對復雜的反應條件選擇時，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。

［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，不同總壓對甲醇產率的影響如圖6。

［問題］圖中壓強越大，甲醇產率越高。你準備選擇多大的壓強？

［學生］4到5MPa。壓強不宜太大，存在安全隱患。

［問題］壓強增大對副反應的平衡有影響嗎？

［學生］有影響。盡管副反應前后氣體的物質的量之和不變。但這是多平衡體系，增大壓強，主反應平衡正移，CO2和H2的濃度減小，對副反應造成影響。

［過渡］現在，我們已經選出CO2催化加氫合成甲醇的條件。在實際生產中，反應生成的水加速了催化劑中Cu活性組分的燒結團聚，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，甲醇的產率如圖7所示。如何將水分離？

［學生］可用分子篩膜選擇性地分離出水，也可將氣態水液化而分離。

［教師補充］實際生產中，除去分離水，還增加了廢氣CO2的富集裝置和副產物CO的回收裝置，并將剩余的CO2與H2重新通入反應器，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，已經完成了主題學習，大家設計的這個反應能投入實際生產嗎？下面看這則視頻。這是位于河南安陽，世界上規模最大的CO2加氫催化合成甲醇的生產工廠。同學們，變廢為寶實現了！

［總結］到此，我們得出圖8中5步設計化學反應解決化工問題的一般思路。在實際生產中，開發在較低溫度下具有優良活性和選擇性的催化劑是首選。

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

4 教學反思

科學活動重在發現和理解客觀世界，工程活動指向改造客觀世界。將科學思維和工程思維整合，實質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置教學內容的豐富性遠大于單純的化學課程，目的是培養創新實踐人才。科工整合要從規劃、設計、選擇、優化、調整、反饋等全盤考慮，師生通過對應的決策、設計、實踐和評價等工程活動，培養學生的籌劃思維、系統思維和創新思維等。

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