涵育科学态度和社会责任的学科育人实践

张灵丽

摘要： 以“碳中和”为例运用项目化学习方式，引导学生了解什么是碳中和以及实现碳中和的四种主要途径： 碳捕集、碳循环、碳替代、碳封存。探讨碳循环及二氧化碳为核心的物质转化过程以及气候、环境和碳循环的关系。引导学生从个人做起，制定低碳行动方案;了解碳中和的技术展望，提高认识化学学科价值，培育科学态度与社会责任担当。

关键词： 碳中和; 项目化学习; 科学态度; 社会责任; 教学设计

文章编号： 10056629（2022）06006005

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

2020年9月22日，中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会上首次宣布中国将努力争取到2060年实现碳中和的气候目标。化学教师有责任引导学生从化学的视角来认识碳中和这一社会热点问题。为此，笔者以项目化学习的方式设计碳中和课例，引导学生了解什么是碳中和、如何实现碳中和、碳中和的技术展望以及碳中和的重要意义。

1 设计思路

“碳中和”是科学技术社会环境相互关系及可持续发展大概念的具体表现，是二氧化碳温室气体过量排放导致气候变暖等环境问题引发的社会性议题和人类共同面对的挑战，具有重要的现实意义。通过“碳中和”项目化学习的设计，让学生从个人、国家、国际不同层面制定碳中和方案，引导学生关注社会热点问题，学会用化学知识解决實际问题，彰显化学学科价值，发展学生的社会责任意识。

项目化学习通过真实和具有挑战性的任务，使学生逐步获得知识、技能和关键品格[1]。通过创设真实情景，对知识加以迁移应用，进而解决问题，体现化学知识的应用价值，使学生能力和化学思维均得到不同程度的提升[2]。本文以项目化学习的方式，设计碳中和教学案例，通过探究碳循环和二氧化碳的性质与变化等知识，学生逐渐养成变化观念来解决化学问题;通过查阅文献资料和实验探究，学生形成化学思维，发展创新意识;通过感受二氧化碳对人类的生活、生产、环境的重要作用以及影响，学生养成科学态度及社会责任担当意识，发挥化学课程的全面育人功能。

2 教学流程

“碳中和”复习课是沪教版九年级《化学》（上册）第2章和（下册）第7章的内容。“碳中和”复习围绕“二氧化碳”展开，课程形式是校本课程。

项目流程设计如图1所示。

3 教学过程

3.1 任务一： 什么是碳中和？

[情境1]播放视频： 习近平承诺中国实现碳达峰到碳中和的时间。

[问题1]你们知道什么是“碳中和”吗？

[学生]碳中和是指在规定时间内，二氧化碳的人为移除与人为排放相抵消。

[问题2]为什么要实现碳中和？什么是温室效应的危害？

[资料]人类进入工业化以来，二氧化碳排放量不断增加，导致全球气温升高，冰川融化、海平面上升等诸多环境问题，人类赖以生存的环境面临着前所未有的威胁与挑战。据统计，自1850年以来大气中二氧化碳浓度持续上升，全球气温上升了

0.9～1.2℃，海平面升高了20cm。特别是近30年来，全球海平面上升速度达到0.32cm/a，到本世纪末，如果全球气候升温达到2℃，海平面升高将达到36～87cm，99%的珊瑚礁将消失，陆地上约13%的生态系统将遭到破坏，许多植物和动物面临着灭绝的风险。下图是主要国家二氧化碳排放量统计，如图2所示[3]。

[问题3]二氧化碳的来源？

[学生]化石燃料的燃烧、动植物的呼吸、碳酸盐矿石的分解等等。

[教师]关于温室效应，你需要知道两个数字，第一个是510亿，第二个是0。510亿是全球每年向大气中排放的温室气体的大致吨数。0是我们需要达成的目标。源于人类活动的温室气体排放量的占比如表1所示[4]。

设计意图： 关注可持续发展的热点问题，初步形成“低碳行动”的价值认同;提升阅读理解和信息获取的能力，提高交流表达的能力，促进社会责任、国际理解的素养发展。

3.2 任务二： 设计碳中和方案

3.2.1 碳捕集

[问题1]你知道二氧化碳的消耗途径吗？

[学生]光合作用、二氧化碳的溶解、用碱性溶液吸收。

[问题2]根据已学过的二氧化碳的制备和二氧化碳的性质，请你设计二氧化碳的捕集方案，并验证二氧化碳被成功捕捉。

[仪器和药品]锥形瓶、长颈漏斗、试管、双孔橡皮塞、玻璃导管;大理石、稀盐酸、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、石灰水、碳酸钠溶液、碳酸钾溶液、酚酞试液、紫色石蕊试液。

[学生分组实验]学生设计如下几种实验方案： 用大理石和稀盐酸制备二氧化碳，将二氧化碳通入试管中，观察现象（试管里的液体有： ①澄清石灰水;②氢氧化钠溶液/氢氧化钾溶液;③滴有酚酞的碳酸钾溶液/碳酸钠溶液）。向试管②中滴入稀盐酸，观察现象。

[展示]学生设计的实验方案及装置，如图3所示。

[问题3]从经济成本的角度分析： 你设计的捕集二氧化碳的方案在工业生产上的可行性。

[学生]经济成本高。

[资料]化学吸收法是利用弱碱性吸收剂与CO2反应生成不稳定的盐类，然后盐类在一定的条件下（如加热）又逆向分解释放出CO2，从而达到捕集和利用CO2的目的。化学吸收法吸收量大、吸收效果好、吸收剂能循环利用并能得到高纯度的CO2。化学吸收剂分为液体吸收剂和固体吸收剂，其中采用液体吸收剂的热钾碱法、有机胺吸收法和氨水法等发展比较成熟，应用比较广泛。

[例题]CO2是最主要的温室气体，也是巨大的碳资源，CO2的低能耗捕集、转化和利用正受到世界各国的广泛关注。

利用NaOH溶液吸收CO2，部分转化关系见图4。反应①的化学方程式为    ，该转化中循环使用的物质是    。利用Na2CO3溶液或K2CO3溶液吸收低浓度的CO2，将其转化为NaHCO3或KHCO3，NaHCO3或KHCO3受热分解生成高浓度的CO2储存利用，生成的Na2CO3或K2CO3循环使用以降低生产成本。0C08243A-51F4-437F-B86D-3F38A0BE4A02

设计意图： 发展学生以实验为主的科学探究能力，能根据所学的化学知识设计实验方案，并进行实验验证;对探究实验进行反思和评价，会用科学语言描述过程与结论，培养合作交流、信息提取、自主学习等能力。

[问题4]除了碳捕集之外，你还能设计出其他方案来减少二氧化碳的排放吗？

[学生]从源头上减少二氧化碳的排放，如减少化石燃料的燃烧;发展新能源，如氢能、太阳能、风能、核能、地热能;植树造林等。

[教师]减少碳排放、实现碳中和的对策目前还有碳循环、碳替代、碳封存等主要途径。

3.2.2 碳循环

[教师]你知道什么是碳循环吗？

[例题]为降低温室气体含量，科学家正在研究一种新型的“人造树叶”。假设每1升“人造树叶”每天可从空气中吸收二氧化碳880g并转化为乙醇（C2H5OH），对应化学方程式为2CO2+3H2O一定条件C2H5OH+3O2。若每天一棵树平均可吸收44g CO2，则一升“人造树叶”一天吸收的CO2相当于几棵树吸收的CO2。

[学生]20棵。

设计意图： 学会用数据和事实说话。从定量计算角度，分析碳中和方案的可行性和设想。将二氧化碳转化为其他物质，初步建立物质转化观和守恒观，发展定性和定量相结合的研究视角。解谜探寻“人造树叶”这一科学前沿资料，激发学生热爱、钻研化学的好奇心，形成科学态度和社会责任担当意识。

3.2.3 碳替代

[教师]你了解的碳替代方案有哪些？目前最理想的绿色能源是什么？存在的问题是什么？

[学生]开发新能源。目前最理想的新能源是氢能源，最大的问题是技术问题，如何廉价制氢、安全储存及运输问题。

[资料]氢能是公认的高热值清洁能源。目前，氢气的来源如图5所示。化石資源制氢最为成熟。水煤气变换反应： CO+H2O催化剂△CO2+H2，是化石资源制氢过程中的重要反应之一。北京大学团队研究了在不同温度下，多种催化剂对水煤气变换反应中CO转化率的影响，结果如图6所示。电解水制氢过程简便，但造价高昂，利用太阳能制氢是未来的发展方向，“人造太阳”的探索也就应运而生。我囯“人造太阳”大科学装置“东方超环”利用的是核聚变，当氘、氚核聚变温度达到1亿摄氏度、持续时间超过1000秒，就能形成持续反应，为水分解提供能量。2020年4月，“东方超环”实现了1亿摄氏度运行近10秒，取得重大突破。

设计意图： 关注科技动态，进一步体会和感受科学原理在解释自然现象、解决实际问题方案中的重要作用，发展科学价值观。将科学技术和社会生活相联系，形成科学技术工程环境与可持续续发展的核心观念，强化科学价值观，发展社会责任、国家认同、国际理解的素养。

3.2.4 碳封存

[教师]你了解过火力发电厂产生的二氧化碳的后续处理吗？

[学生]将二氧化碳加压降温制成液态二氧化碳或干冰，运输到油气田封存。

[资料]碳封存是指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源产生的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。主要的封存技术有三种： 含盐碱水层封存、油气层封存和煤气层封存。利用现有油气田封存二氧化碳，将二氧化碳注入油气层起到驱油作用，既提高采收率，又实现了碳封存，被认为是未来的主流方向，也是我国的主流发展方向[5]。

[教师演示]模拟二氧化碳油气田封存实验： 将大理石和稀盐酸反应产生的二氧化碳通入装有油的广口瓶中，广口瓶中的油被压入烧杯中，如图7所示。

[问题]请课下查阅资料，了解油气田封存液态二氧化碳的原理和条件。

设计意图： 提高阅读理解和信息加工处理能力，能对化学有关的热点问题做出正确的价值判断，能参与有关化学问题的社会实践活动。根据工业生产实际，能设计模拟实验方案，对模拟实验做出合理的分析和判断，培养创新精神。了解我国碳中和的具体行动，关注社会生活生产实际，强化社会责任感。

3.3 任务三： 低碳行动和碳中和的技术展望

[资料1]中国的节能减排行动取得了显著成效。2019年，单位国内生产总值二氧化碳的排放，较2005年降低了48.1%，其中非化石能源占比为15.3%，已经提前和超额完成2020年气候行动目标[6]。

[资料2]汽车、卡车、飞机、轮船等交通运输工具的温室气体排放量所占百分比情况，如图8所示[7]。

[问题1]低碳行动从我做起，说说日常生活中你的做法？

[学生]绿色出行（步行或骑行或公共交通）、控制白色污染，少用塑料制品（购物用环保袋）、种植绿色植物（植树造林）、垃圾分类回收再利用、纸张双面使用、建造冬暖夏凉的绿色建筑、节约食物杜绝浪费、少吃肉、减少使用一次性餐具等。

[教师]请设计一张海报宣传低碳行动。

[问题2]实现碳中和，你认为最重要的是什么？

[学生]实现技术突破，减少化石燃料的使用，发展新能源。

[资料3]碳替代是实现碳中和的中坚力量。未来中国向世界能源消费结构的新趋势靠拢发展，实现从现阶段的四分天下转变为“一大三小”新格局（“一大”为新能源，“三小”为煤、石油、天然气），加快氢能、新材料储能、可控核聚变等颠覆性技术攻关及其工业化，为宜居地球、绿色地球做贡献。图9是2019～2050年全球能源结构的变化趋势[8]。

设计意图： 培养学生形成节约资源、保护环境的可持续发展意识和价值追求，从自身做起，形成简约适度、绿色低碳的生活方式。激发学生的社会责任感，热爱科学，树立用科学技术改变能源结构和人类生存环境的决心，引导学生从化学视角认识物质世界，初步形成物质及其变化的基本观念，启迪科学思维，加深认识化学的社会价值。

4 教学反思

化学教学的意义在于培养学生严谨而理性的思维方式、崇尚真理和树立绿色发展的意识，具有科学的全面的价值判断能力。而科学态度与社会责任素养不仅仅体现在对学生的价值观与理想以及可持续发展理念的形成，同时也表达了化学学科教学的最终归宿点是为了培养能担当民族复兴大任的时代新人所必须具有的现代科学意识[9]。本节课以“碳中和”为例，运用项目化的学习方式，以二氧化碳的性质和转化知识为核心，设计碳捕集的开放型实验，通过碳循环的定量计算、科学文献资料的介绍，了解碳封存和碳替代技术，帮助学生建立从科学原理到低碳行动的方案，再具体到社会生活实践的认知模型，学会以理性、综合、创新的思维来分析和解决环境问题，将绿色化学和可持续发展观念转化为具体的行动，激发学生发自内心的爱国情怀和社会责任感、严谨求实的学习态度与报效祖国的理想追求，形成理性的情感认同与实证性的行为习惯相融合，实现“知、情、行”的统一。

参考文献：

[1]房喻， 徐端鈞. 普通高中化学课程标准（2017年版）解读[M]. 北京： 高等教育出版社， 2018.

[2]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）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[3]

[8]邹才能， 熊波， 薛华庆， 郑德温等. 新能源在碳中和中的地位和作用[J]. 石油勘探与开发， 2021， （4）： 411～419.

[4]

[7]比尔·盖茨. 气候经济与人类未来——比尔·盖茨给世界的解决方案[M]. 北京： 中信出版集团股份公司， 2021： 55， 164.

[5]周佳， 马利民. 碳捕集和封存技术与整体煤气化联合循环发电技术[J]. 中国人口·资源与环境， 2013， （11）： 288～291.

[6]余碧莹， 赵光普， 安润颖， 陈景明等. 碳中和目标下中国碳排放路径研究[J]. 北京理工大学学报， 2021， （3）： 18～24.

[9]顾建辛. 关于化学核心素养培育的微观思考——基于“科学态度与社会责任”内涵及目标指向的意义[J]. 化学教学， 2021， （4）： 3～4.0C08243A-51F4-437F-B86D-3F38A0BE4A02