基于真实情境问题解决的STEM项目化教学设计

江合佩

[摘 要]

将所学的知识应用于现实生活、研究现象或解决问题是国际和国内培育学生核心素养的共识。将基于项目的STEM学习理念与现行高中化学课程相结合，选择高中化学中的核心认知视角“类价二维”，设置真实的科学和工程问题“工业脱硝”，将科学思维与工程思维相整合，系统解决氮氧化物无害化处理，发展学生理性思维和问题解决的核心素养。

[关键词]

高中化学;科学思维;核心素养

一、设计背景

美国2013年颁布的《下一代科学课程标准》（Next Generation Science Standards）倡导从学科核心概念、科学工程实践和跨学科思维来发展学生的核心素养，其中“科学与工程实践是关于如何将所学的知识应用于现实生活、研究现象或解决问题”[1]。具体落实课程理念提倡STEM教育，即以活动、项目和问题解决为基础的学习，应用所学到的跨学科知识创造、设计、建构、发现、合作并解决问题[2]。我国《普通高中化学课程方案（2017年版）》指出“注重学科内容选择、活动设计与学生发展核心素养养成的有机联系。关注学科间的联系与整合。增强课程内容与社会生活的内在联系”[3]。化学是一门与社会生产生活密切相关的中心学科，如何精选情境素材，挖掘其中蕴涵的学科核心问题，并同工程思维相结合，发展学生的理性思维、问题解决能力是摆在化学教育工作者面前的重大攻关课题。本节课选自鲁科版第三章自然界中的元素第二节氮的循环（第三课时）人类活动对氮循环和环境的影响，旨在通过在解决氮氧化物污染过程中，利用工程理念不断优化设计方案，得出合理解决问题的路径，相关教学设计流程（见图1）：

二、设计过程

（一）教学目标

通过从类价二维设计工业脱硝物质转化路线，训练学生思维有序性，培养模型建构的学科核心素养;

通过对物质性质分析，培养学生基于证据合理推理的学科核心素养;

通过对物质化学反应条件的分析，培养学生变化观念与平衡思想;

通过真实问题解决，训练学生像科学家一样思考，培养科学精神与社会责任。

（二）教学过程

[引入]我国是一个煤炭消费大国，目前已探明我国的煤炭储量占世界的33.8%，可采量居世界第三。在今后相当长的时间里我国的能源结构仍以煤炭为主。2010年全年能源消费总量32.5亿吨标准煤，比上年增长5.9%。煤炭消费量增长5.3%;原油消费量增长12.9%;天然气消费量增长18.2%;电力消费量增长13.1%。2011年全年能源消费总量34.8亿吨标准煤，比上年增长7.0%左右。煤炭消费量增长9.7%;原油消费量增长2.7%;天然气消费量增长12.0%;电力消费量增长11.7%。虽然在未来几十年内，煤炭所占能源比例会有所下降，但其在能源结构中的主导地位仍不会改变。预计到2020年我国煤炭能源比例仍高达60%左右。

活动一：氮氧化物的危害

[PPT]人类生产生活中氮的转化（见图2）：

[设问]从图中分析可知哪些生产生活活动会造成氮氧化物的生成？氮氧化物会发生哪些转化造成哪些环境问题？

[小组汇报]氮氧化物主要来源于化石燃料燃烧、硝酸工厂废气排放、植物体焚烧、土壤和动物排泄物中含氮化合物的转化。这些含氮化合物与碳氢化合物反应造成光化学烟雾，与水反应形成酸雨，污染环境。

[设问质疑]NOx和碳氢化合物在阳光照射下发生光化学反应产生二次污染物的现象，称为“光化学烟雾”。有学者对某城市一天中光化学烟雾的变化情况进行测定，实验结果（见图3）。

思考：

①二次污染物主要有哪些？

②预测醛和O3的峰值出现在14：00左右的主要原因是？

[学生]（1）醛与臭氧;（2）此时日光照射较强，光化学反应速率较快。

设计意图：从社会热点能源使用概括关联各种物质间的相互转化关系，梳理辨识出涉及宏观物质转化的问题，从微观粒子间重新组成形成新物质探析造成的环境问题出发，分别从数据和曲线进行定量表征，得出氮氧化物的治理势在必行。

活动二：氮氧化物的防治

[交流研讨]请从物质转化的角度思考，如何实现氮氧化物的无害化处理。

任务1：完成氮及其化合物类价二维图（见图4、图5、图6）。

[小组汇报]

[追问]根据类价二维图，可加入什么性质的化学试剂实现无害化处理？

[小组汇报]

任务2：利用还原剂干法脱硝探究

[追问]对于加入还原剂，同学们思考下目前学习当中常见的还原剂，试着写出涉及相关转化的化学方程式。

[小组汇报]NO可用H2、CO还原，有关的化学反应为：

2NO+2H2=N2+2H2O    2NO+2CO=N2+2CO2

[引导]日常生活中，还有一种更为常见的还原剂天然气，主要成分是甲烷，请写出相关化学方程式。

[小组汇报]NO可用CH4还原，有关的化学反应为：4NO+CH4=2N2+CO2+2H2O

[小结]这种利用常见还原剂H2、CO、CH4还原处理的方法称为非选择性催化还原法（NSCR），该方法需要反应的温度较高，条件相对比较苛刻，反应产物较复杂，且还原剂会与体系中的氧气发生副反应，造成处理效率的进一步降低。

[设问]还有没有更好的还原剂，还有没有什么方法增强还原剂还原的专一性，且反应所需的温度较温和？

[学生汇报]（1）使用氨气作为还原劑，归中反应简单易行;（2）使用催化剂增强还原的专一性，使得反应条件温和易行。

[追问]请同学们试着将该转化的化学方程式写出来。

[小组汇报]NO可用NH3还原，有关的化学反应为：4NO+6NH3[催化剂]5N2+6H2O

[设问]使用催化剂可以使得反应的温度降低到200℃-400℃左右，且不会发生氨气与氧气的副反应，但是在运输氨气的过程中会存在一定的安全隐患，在不影响还原效率的情况下，有没有更好的还原剂代替氨气？

[小组汇报]NO可用CO（NH2）2还原，有关的化学反应为：

6NO+CO（NH2）2[催化剂]7N2+4CO2+8H2O

[小结]这种利用还原剂NH3、CO（NH2）2且加入催化剂还原处理的方法称为选择性催化还原法（SCR）。两种方法都是在气相中进行，统称干法脱硝。

[迁移应用]目前，科学家正在研究一种以乙烯作为还原剂的脱硝（NO）原理，其脱硝机理示意图（见图7），脱硝率与温度、负载率（分子筛中催化剂的质量分数）的关系（见图8）。

思考：

①写出该脱硝原理总反应的化学方程式。

②为达到最佳脱硝效果，应采取的条件是？

[小组汇报]（1）6NO+3O2+2C2H4[催化剂]3N2+4CO2+4H2O （2）350℃，负载率3.0%

任务3：利用氧化剂湿法脱硝探究

[设问]NOX中的氮元素化合价为+2（+4），中间价态，除了可以使用还原剂将其还原为无污染的氮气之外，还可以使用氧化剂脱硝。工业上常使用绿色高效的氧化剂ClO2将NO氧化为NO2，然后再使用碱液吸收，该法称为气相氧化液相吸收法。请写出该反应涉及的化学方程式。

[小组汇报]NO可用ClO2氧化，有关的化学反应为：5NO+2ClO2+H2O=5NO2+2Cl-+ 2H+

NOx可用NaOH溶液吸收，有关的化学反应为：2NaOH+2NO2=NaNO2+NaNO3+H2O;   2NaOH+NO+NO2=2NaNO2+H2O。

[设问]工业上制备NaOH采用的方法是什么？该法从能量消耗角度分析有什么缺点？

[学生汇报]电解饱和食盐水;高耗能，成本高。

[追问]有没有更好的碱液吸收剂替代？

[学生汇报]侯氏制碱法生产出的纯碱（Na2CO3），低耗能，节约成本。

[追问]请写出该法涉及到的化学方程式。

[学生汇报]NOx可用纯碱溶液吸收，有关的化学反应为：

2NO2+Na2CO3[            ]NaNO2+NaNO3+CO2

NO+NO2+Na2CO3[            ]2NaNO2+CO2

[设问]除了气相氧化液吸收法，还有液相氧化吸收法，常用KMnO4/KOH溶液氧化NO，KMnO4被还原为MnO2，请写出该反应的离子方程式。

[学生汇报]3NO+2MnO4-+H2O=2MnO2↓+3NO2+2OH-

[追问]反应生成的副产物MnO2如何处理才能达到经济效益最大化？

[学生汇报]选择合适的氧化剂将MnO2氧化成KMnO4，然后循环利用。

[教师]没错，工业常用K2S2O8、PbO2等氧化剂实现Mn由+4→+7价转化。

[板书]建构工业脱硝认识模型（见图9）。

设计意图：利用类价二维视角选择合适的还原剂和氧化剂，实现氮氧化物的无害化处理，同时在处理过程中从工程视角考虑尽量提升生产效率，提升学生简单设计的能力，发展学生变化观念和平衡思想核心素养。

活动三：应用模型解决实际问题

[设问]在鼓泡反应器中通入含有SO2和NO的烟气，反应温度为323K，NaClO2溶液浓度为5×10-3mol·L-1。反应一段时间后溶液中离子浓度的分析结果如表1。

思考：

①写出NaClO2溶液脱硝过程中主要反应的离子方程式。

②随着吸收反应的进行，吸收剂溶液的pH变化趋势是？

③由实验结果可知，脱硫反应速率大于脱硝反应速率的原因有哪些？

[小组汇报]①4OH-+3ClO2-+4NO=4NO3-+3Cl-+2H2O;②逐渐减小;③SO2和NO在烟气中的初始浓度不同;NO溶解度较低。

[追问]在实际生产过程中，利用类价二维实现物质转化还应考虑哪些因素？

[学生汇报]浓度、溶解度、温度……

[教师总结]还应考虑绿色化学思想（原料、产品、反应条件、催化剂无污染，原子利用率尽量高）、原料和副产物的循环利用、能耗问题、生产成本、环保等问题。

设计意图：以真实的工业脱硝过程为背景，融入微观离子浓度分析、单一控制变量等多种视角进行系统探究，进一步将模型的构建从具象的事实抽象为可供发展学生认识功能的思维模型，引导学生从物质理想转化的视角，进一步提升为从系统建构的视角来发展学生的思维，发展学生科学精神与社会责任核心素养。

三、教学反思

本节课从真实生活情境出发，将具体社会问题从宏观辨识出涉及到的物质转化，然后从微观视角设计其无害化转化，渗透工程思维，进一步完善工业脱硝模型。通过本节课的教学，反思如下：

基于真实情境的项目式教学，需围绕课程标准的关键知识和理解要求设计和教学，设计挑战性的问题，利用核心认知视角展开科学探究，以真实生活为背景进行设计，结合学生学习经验，通过自主、合作探究得出可以物化的公共产品。其中，问题的设计显得格外重要。首先，问题的选择一定要关注社会热点难点问题，体现化学在解决疑难问题中独特的价值和功能;其次，问题的选择一定要有一定的挑战性，要求学生通过系统关联，主动意义建构，从已有认知通过活动的设计进阶到较高水平，实现学生的深度学习;再次，问题的设计要指向学科核心认知视角，通过学科核心认知视角可以辨识出学科核心问题，利用核心认知视角发展学生的认识，建构解决类似问题的一般思路;最后，问题的设计需要具有一定的复杂性，问题需要学生系统关联多学科知识，利用多个学科的核心视角系统解决陌生复杂的社会问题，体现问题解决的意义和价值。

通过系统思维培养学生的批判性思维，发展学生的创新意识。在设计无害化处理氮氧化物教学环节，不断设置认知冲突，推进教学环节的开展。任务开始引导学生从类价二维视角来设计物质的转化，要求学生从静态的类价二维发展进阶到动态的类价二维，发挥类价二维的认识功能。在对氮氧化物类别分析以后，排除类属通性后，分析氮元素化合价，分别从加入还原剂和氧化剂两个视角开展转化设计。设计转化过程中遇到了因为还原剂会与体系中氧气发生副反应，因此需要加入选择性催化剂提高主反应的选择性，同时还要考虑反应条件容易调控及反应物运输的安全性等多重因素，得出选择尿素还原法这个相对最优方案。在加入氧化剂碱液吸收这个环节，从加入氧化剂KMnO4发生反应被还原为MnO2，引导学生从产物循环利用角度进一步优化设计转化思路;从反应物原料易得成本控制角度引导学生使用纯碱代替NaOH。这些教学环节环环相扣，有条不紊地推进，在理想转化与实际流程设计中不断完善设计方案，不断在解决问题中梳理出物质转化中涉及到的系统思维，将知识的习得置于问题的解决之中，充分体现了知识的认识和迁移应用的功能和价值。

[参 考 文 献]

[1]陆如平，李佩宁.美国STEM课例设计[M]教育科学出版社，2018.

[2][美]美罗伯特·M.卡普拉罗.基于项目的STEM学习——一种整合科学、技术、工程和数学的学习方式[M]上海科技教育出版社，2018.

[3]中華人民共和国教育部制定.普通高中课程方案（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（责任编辑：张华伟）