融合STEM理念的“发展中的化学科学”项目式学习

林艺玲 江合佩 郑敏

摘要：  聚焦“新能源的开发”社会热点问题，以“氢能的利用”为项目主题，融合STEM理念，围绕“制氢 储氢 释氢 用氢”等核心任务和技术手段，设计驱动性问题，突出综合运用化学热力学和化学动力学等科学原理解决氢能转化问题，渗透工程思维的培育。融合STEM理念形成物质利用的思维模型，发展学生的学科核心素养，提高分析和解决问题的能力。

关键词：  氢能的利用; 发展中的化学科学; STEM; 项目式学习; 思维模型

文章编号：  1005 6629（2022）08 0053 08

中图分类号：  G633.8

文献标识码：  B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中提出化学教学中应重视跨学科内容主题的选择和组织，引导学生在更宽广的学科背景下认识物质及其变化的规律，发展学生科学素养[1]。STEM教育追求科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）与数学（Mathematics）四个学科之間的深度融合，STEM教育的课程与教学都基于学生如何“做中学”而不是“记忆科学知识”[2]。STEM素养的培养方式以基于项目或基于问题解决为主[3]。因此，融合STEM理念的项目式学习，对于发展学生在面对未知复杂问题的分析和解决能力、促进学生跨学科思维和综合素质的发展、提升学科核心素养具有一定的意义。

1 项目使用说明

“氢能的利用”项目适用于高中二年级复习阶段（已完成选择性必修1《化学反应原理》模块学习）或高中三年级的学生。本项目通过三个进阶式活动任务的设计，引导学生综合运用化学反应原理，解决“储氢”和“释氢”等有关问题，调控化学反应。并通过设计“制 储 用”一体化的氢氧燃料电池，关注氢能源利用中的物质转化和能量转化，发展学生的工程思维，建立融合STEM理念的物质利用化学问题的思维模型。

2 融合STEM理念的项目设计

2.1 融合STEM理念的项目主题的确定

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》将“发展中的化学科学”作为化学选修课程中的一个系列，且化学反应原理内容是学生学习的难点，学生对复杂体系中的多反应竞争、多因素分析尚缺乏系统化和结构化的认识思路，信息获取、加工与应用的能力较为薄弱。结合学生已有的对化学能源发展和氢能前景的了解，遴选出“氢能的利用”作为项目的主题，这一主题也与课标要求、难点、学生经验相契合。

氢能是一种绿色的低碳能源，因其独特的优势成为能源革命的关注热点。氢经济被认为是21世纪世界经济新的转折点。2012—2018年，我国氢能产量逐渐增加[4]。2019年，“氢能”首次写入我国政府工作报告。当前，全国氢能产业蓬勃发展。氢能的应用需要解决氢能源的获取、储运与转化等技术问题。

融合STEM理念的“氢能的利用”项目式学习内容如图1所示，综合运用化学热力学和化学动力学等科学原理（S）实现物质转化，结合制氢、储氢、释氢和原电池等技术手段（T），渗透绿色化学和物料循环利用等工程思维（E），运用图表处理、数据分析和建模等数学方法（M）加以分析，解决氢能源利用的实际问题。

2.2 项目任务的拆解及蕴含的学科核心知识

根据真实情境的项目式学习的操作流程[5]和学习流程[6]，抽提出有关氢能利用的物质转化和能量转化、反应调控等问题，拆解为三个进阶式活动任务，蕴含价类二维、化学热力学和化学动力学等学科核心知识，涉及化学平衡与守恒思想、条件控制与选择等学科思维方法，帮助学生实现理想转化、实际转化和工程转化的思维进阶，建构解决物质转化问题的思维模型。“氢能的利用”具体的项目式学习流程如图2所示，在任务的完成中突破难点，发展学生的学科核心素养。

3 融合STEM理念的项目教学目标

围绕“氢能的利用”项目主题，基于STEM理念的四个维度设计项目教学目标，如表1所示。

4 融合STEM理念的项目任务流程设计

本项目任务中对应的驱动性问题的设计（括号内容表示设问角度侧重STEM的某些维度）、学生思维建模和认知发展线，如图3所示，在任务的完成中发展学生的学科核心素养。

5 融合STEM理念的项目学习与实施过程

5.1 情境导入

[STEM情境导入]“氢风”袭来。

[展示评价]学生课前通过小组合作、查阅资料，绘制并展示“氢能”主题手抄报，如图4所示。

[确定研究主题]氢能的利用需要解决氢能源的获取、储运与转化等问题。

设计意图： 通过课前学生收集资料，分组完成“氢能”主题手抄报，将学生带入“氢能的利用”的真实情境，了解氢能发展的现状，确定项目核心问题——如何储氢与释氢。

5.2 任务一： 设计车用氢氧燃料电池装置

[问题]1. 你能想出哪些方法制取氢气？用化学方程式表示。

[评价]通过学生分享制取氢气的化学原理，了解学生对价 类二维模型的认识水平，如图5所示。

[问题]2. 根据原电池的形成条件，请你设计车用氢氧燃料电池的装置（结合图示和文字加以说明），并写出相应的电极反应式。

[评价]根据不同燃料电池技术性能参数，选择合适的车用燃料电池。

设计意图： 任务一主要涉及的是理想转化的简单问题，因此主要以课前学案的形式，由学生自主完成，初步建立从物质转化和能量转化的视角看待氢气的应用，了解制氢和用氢的科学原理（S）和技术手段（T），巩固电化学的内容。

5.3 任务二： 化学视角下的储氢与释氢

[过渡]氢燃料电池汽车中有一个装置——储氢罐，在工作过程中不断提供氢气。当然，在公共设施中，还会配有加氢站的建设。

[问题]储氢罐储氢的原理是什么？请你想想还可以通过哪些方法进行储氢？

[学生回答]储氢罐的储氢原理为物理储氢，还可以利用化学方法储氢。

[设计并评价储氢方案]甲醇存储氢气方案，安全高效，降低成本又环保。并且常温常压下，甲醇为液体，储运较为方便。

[理论分析储氢条件]CO2（g）+3H2（g） CH3OH（g）+H2O（g） ΔH=-49.12kJ·mol-1， ΔS=-177.16J·mol-1·K-1，从化学热力学和化学动力学角度分析CO2催化加氢合成甲醇储氢的条件。

[问题]在实际工业生产过程中我们如何控制反应条件呢？已知体系中还存在副反应：  CO2（g）+H2（g） CO（g）+H2O（g） ΔH=+41.17kJ·mol-1， ΔS=+42.08J·mol-1·K-1。（注： 上述两个反应a.反应温度为298K，各气体分压为100kPa;b.假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化）

[合作探究]提供图表信息，学生结合学案讨论： ①反应物n（H2）/n（CO2）和压强对反应的影响;②温度對反应的影响;③催化剂对反应的影响。

[小组汇报]学生绘制的图像变化大致趋势，如图6所示。

[交流讨论]解释图像呈现不同变化趋势的原因，确定工业生产条件。

[思维建模]梳理转化率随温度变化在极值点前后的分析思维模型。

[分析图表]不同温度、不同催化剂对CO2转化率和甲醇选择性的影响，见表2。

[小组汇报]学生运用控制变量法选取合适的反应序号，说明结论并解释原因。梳理催化剂对化工生产的影响。

[学术前沿]我国科研团队[7]历时6年，首次利用富含硫空位的少层MoS2催化剂实现低温、高效、长寿命催化CO2加氢制甲醇工艺，如图7所示。MoS2催化剂的活性和选择性显著优于传统催化剂，具有优异的工业应用潜力。

设计意图： 任务二由理想转化进阶到实际转化，运用数据处理、图表等数学方法（M），通过小组汇报分析不同因素对反应的影响（S），突破难点，确定CO2催化加氢储氢的适宜条件（E），调控化学反应（T）。并结合学术前沿，激发学生的探索热情。

[过渡]在使用过程中我们如何释氢呢？

[比较释氢方案]方案Ⅰ： 甲醇水蒸气重整制氢气： CH3OH（g）+H2O（g） CO2（g）+3H2（g）

ΔH=+49.12kJ·mol-1， ΔS=+177.16J·mol-1·K-1;方案Ⅱ： 甲醇裂解制氢法： CH3OH（g） CO（g）+2H2（g） ΔH=+90.5kJ·mol-1。

[问题]你会选择哪种释氢方案？为什么？

[评价释氢方案]学生普遍选择方案Ⅰ，并从绿色化学、经济效益、能耗等角度说明理由。

[思维建模]学生建立工业生产方案评价的思维模型。

[调控反应]已知利用方 案Ⅰ 进行释氢，体系中存在副反 应： H2（g）+CO2（g） CO（g）+H2O（g）

ΔH= -41kJ·mol-1， 在某催化剂作用下，相同时间内，随着温度的变化，CH3OH转化率和CO生成率如图8所示。想想哪些措施能提高CH3OH转化率而降低CO生成率？

[学生思考回答]及时移出氢气，选择适宜催化剂;适当提高水醇比等措施。

[技术手段]除了热催化释氢技术，我们还可以利用光能，采用光催化甲醇重整释氢技术[8]，如图9所示。

[问题]（1） 太阳光照下，光催化剂受到光激发产生光生空穴（h+）和光生电子（e-），具有氧化性的是哪种微粒？

（2） 甲醇的空穴氧化促进自身转化成哪种物质？

（3） 水在光催化剂表面反应的方程式是什么？

[思考回答]从氧化还原角度分析光催化甲醇重整释氢的转化过程。

设计意图： 通过热催化释氢和光催化甲醇重整释氢技术（T），体会不同形式的能量的相互转化，提高学生对图表的分析与应用能力（S、 M）。综合运用反应原理解决实际问题，渗透工程思维（E）的培育。

5.4 任务三： 设计“制 储 用”一体化氢燃料电池装置

[问题]以甲醇为储氢介质，请你以物质转化、能量转化为线索，设计基于绿色化学的“制 储 用”一体化氢燃料电池的简易示意图。

[学生汇报]“制 储 用”一体化氢燃料电池的简易示意图，如图10。

[评价]通过学生绘制的示意图，可以看出部分学生已初步形成对物质转化和能量转化的系统认识，具备物料循环利用和绿色化学等工程思想，并能加以应用，实现一体化装置的简单设计，如图11所示。这也是我国研究团队长期致力于液态太阳能燃料的合成研究成果。

[构建思维模型]融合STEM理念形成解决氢能源利用化学问题的思维模型，如图12所示。

设计意图： 通过“储氢”“释氢”，再到“设计‘制 储  用一体化氢燃料电池”的工程项目，学生能够融合STEM理念从原料、能量、装置等角度建模，形成解决物质利用化学问题的思维模型，发展迁移创新能力。

6 项目式学习教学效果及反思

本项目融合STEM理念，通过创设分析型和设计型的任务，开展“氢能的利用”项目学习，解决实际问题。在课堂教学实施过程中，学生参与度高，能够积极思考和分析问题。任务一“设计车用氢氧燃料电池装置”较为简单，运用课前学案的形式引导学生自主完成。在任务二“化学视角下的储氢与释氢”的实施过程中，注重工程思维的渗透，通过小组汇报对图表信息和表格数据的分析，帮助学生建立从理想转化到实际转化的结构化认识思路，形成确定工业生产条件的思维模型，如图13所示。任务三“设计‘制 储 用一体化氢燃料电池装置”，通过学生绘制结果，发现大部分学生在解决物质转化和能量转化问题的过程中，能够融合技术手段和工程思维加以思考，构建思维模型。

教学实施后，以“CO2加氢合成甲酸复杂体系”创设情境，测查学生对“不同因素对反应的影响、化学反应的调控”等问题的迁移情况，发现实验班80%的学生能够从化学热力学和化学动力学综合视角以及同一体系中主副反应的竞争关系分析问题，而对照班在此类问题的分析上，较多学生认识视角不够全面或者思路较为混乱。说明融合STEM理念的项目式学习，在一定程度上能够帮助学生建立结构化的认识思路。课后在关于“氢能的利用”发散思维交流的过程中，不少学生表达了对氢能源发展和应用的强烈兴趣，有的学生还提出了创造性的想法，如图14所示。虽然这位学生想法的合理性和可操作性有待商榷，但其创新思维和大胆表达体现了我们“发展中的化学科学”项目式学习的教学意义——科学就是在不断修正的过程中发展的。此外，在一体化装置的绘制过程中，教师还可以根据学情与开放角度由学生自主绘制，广开思路，发展学生跨学科思维和迁移创新能力。

参考文献：

[ 1 ] 中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修訂）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 69～72.

[ 2 ] 宋怡， 葛彦君， 马宏佳. 美国科学教育研究热点与发展趋势——2016NSTA年会述评[J]. 化学教育（中英文）， 2017， 38（19）： 73～76.

[ 3 ] 吴晓红， 田小兰， 蒋思雪. 以培养学生STEM素养为目标的项目化学习设计——以“爱护水资源为例”[J]. 化学教学， 2017， （12）： 38～43.

[ 4 ] 王伟杰， 彭勃， 李顺等. 氢能与碳捕集、利用与封存产业协同发展研究[J]. 热力发电， 2021， 50（1）： 18～23.

[ 5 ] 江合佩. 基于真实情境的项目式学习课程构建与实施[J]. 福建教育， 2021， （24）： 26～29.

[ 6 ] 江合佩. 促进学生核心素养发展的项目式学习研究与实践——以“废旧锂离子电池回收利用”为例[J]. 教育与装备研究， 2019， 35（9）： 60～67.

[ 7 ] Jingting Hu， Liang Yu， Jiao Deng et al.. Sulfur vacancyrich MoS2 as a catalyst for the hydrogenation of CO2 to methanol [J]. Nature Catalysis， 2021， （4）： 242～250.

[ 8 ] Jiaqi Zhao， Run Shi， Zhenhua Li et al.. How to make use of methanol in green catalytic hydrogen production [J]. Nano Select， 2020， 1（1）： 12～29.