“二氧化碳合成甲醇”项目式复习教学设计

张仿刚 杨志义 付成超

（1.山东省莘县第一中学 252400；2.聊城市第一实验学校 252000）

一、项目内容分析

本节内容为“化学反应原理”模块专题复习“化学反应的方向、限度和速率”的最后一个课时的综合提升课，依据课程标准和高考评价要求，本节课以“二氧化碳合成甲醇”这一真实科学研究和化工生产为例，探究物质转化的反应设计和反应条件的优化，旨在建构综合思维模型，并迁移解决真实化工生产问题。

1.课标分析

《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》对本节课教学内容的学业要求强调［1］：

（1）通过吉布斯自由能和平衡常数判断反应的方向。

（2）能根据压强、浓度、温度判断平衡移动方向并讨论优化化学反应的条件。

（3）能运用影响化学反应速率的因素解释生产生活以及实验室中的实际问题，讨论化学反应条件的选择和优化。

（4）结合典型案例，能从多个视角对化学反应和化工生产条件进行综合分析。

根据课标要求，从知识角度看，本节课引导学生有效运用前4个课时复习的基础知识进行迁移运用；从素养角度看，引导学生建构多个认识视角，定性视角（价类思想、勒夏特列原理）、定量视角（浓度商和平衡常数、耦合思想）、哲学视角（调控主副反应、把握主次矛盾）等，通过本节课的复习，学生的多种化学学科核心素养得到了进一步发展。

2.高考要求

高考评价体系提出了“一核四层四翼”，并在此基础上明确了考查载体，强调价值引领、素养为重，试题更加注重探究性、开放性和综合性，以培养学生的创造力和创新力。因此复习务必选择真实情境，并设计好“素养为本”的学习任务群，课例在情境上选用了二十大报告、我国科学家的两项研究成果、一项企业投产案例，以厚植爱国主义情怀；在选材上广泛参考各地教材和期刊论文；在图表数据上务求真实可靠，选取了两篇科研外文资料［2，3］；在试题选择上力求典型适用，选用了三道高考试题和两道模拟试题。遵循建构主义理论设计学习任务活动，符合学生认知规律，立足学科理解和学习进阶教学理念，情境线由简到繁、知识线由易到难、思维度由浅入深，逐步拓展提升，整合学科概念，形成思维模型，并迁移应用，既整合了学科知识，又培养了关键能力，提升了学科思想。

3.内容分析

传统的高三复习往往通过简单地训练、讲评，课堂空洞、枯燥乏味，无法形成系统的知识建构和思维提升。从学生的学习兴趣看，单一的知识梳理加训练的模式已经无法调动积极性，由于学生并未接触过项目式学习，为提高复习的有效性，本节课大胆实践项目式教学，项目内容主要选取了社会热点和科研热点兼具的“碳达峰、碳中和”的二氧化碳资源化利用，主题鲜明、活动丰富、建构清晰，结合科研数据和工业生产的实际应用，围绕物质转化这一主题，综合资源、能源与环境等相关问题开展综合复习，选取了贴近社会生产的真实、有意义、可操作的综合性内容，满足课程标准的必备知识、关键能力和正确的价值观导向，在复杂递进的问题链中，学生积极调用结构化知识和科学视角来解决真实问题，并形成可迁移的思维模型。

二、学生学情分析

1.学生基础

从学生的学科能力发展看，通过高三前期全面的复习，学生对本专题所涉及的基础知识和反应原理经过了系统的梳理，能够从宏观微观、定性定量等多角度认识化学变化，可以结合相关原理，解释影响化学反应速率和化学平衡的因素，并结合生产、生活实际问题说明化学反应中的能量变化和调控反应条件。从心理发展来看，由于本部分逻辑推理要求高，而学生获取信息、加工信息、图表图像分析的能力还不够，综合解决复杂问题的能力还不强，而高考试题、模拟试题比较难，所以大部分高三学生对本专题涉及的实际工业问题、多元平衡体系的综合分析有畏难情绪，导致学习兴趣不高。

2.存在不足

主要有四点不足：处于孤立认识水平，自主利用多角度或者多变量关系系统解决复杂问题的能力尚且欠缺；定量分析能力欠佳，尤其对于多平衡体系和复杂图像不能合理解读、准确分析；学科思想单一，不能从整体角度去看待问题，不能把控主要矛盾和次要矛盾；答题不够规范，逻辑推理不严密，学科语言不严谨。

因此本课复习目标定位于建构多角度认识物质转化和反应条件控制的思维模型，并形成答题模板，以综合解决复杂的真实问题。

三、教学与评价目标

（1）通过对CH3OH 合成反应的设计，建立从价类二维、综合判据和耦合思想设计化学反应的思维模型，评价学生的发散思维和证据推理的能力。

（2）通过对CO2催化加氢制甲醇的热力学、动力学分析，建构从方向、限度和快慢角度调控化学反应的思维模型，评价学生从孤立分析到系统分析的能力。

（3）通过对化工实际生产的研究，学会“多、快、好、省”的综合思维，树立绿色化学观念，学会分析图像、处理数据，评价学生运用数学工具和化学思想综合解决真实问题的能力。

四、教学设计思路

《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 年修订）》强调“以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实”。本课时贯彻课程标准的教育理念，坚持宏观把握、中观建构和微观落实的原则，立足培养学生的综合创新能力，以“探究化学反应的设计与反应条件的优化”为课题，选择社会热点问题“碳达峰、碳中和”，围绕“CO2合成甲醇”项目主题，以“具体事实→概念抽取→模型建构→完善应用”为主线索，重视物质转化大概念，创设真实情境，综合运用化学反应的方向、限度和速率概念，基于学科理解和学习进阶系统解决真实化工生产中的真实问题，促进了学生核心素养的发展。具体地分为环环相扣的四个板块：

（1）从设计反应“CO2到甲醇的转化”抽取出“价类二维、热力学计算”等基本概念，迁移应用中再通过“TiCl4的制取”补充“耦合思想”加以完善，进而提取出核心概念“反应的方向与设计”。

（2）从选择反应条件，建构化工生产“多、快、好、省”调控反应条件的思维模型，并孤立运用“热力学”（化学平衡、平衡转化率、平衡产率）和“动力学”（化学反应速率、反应历程）得出“可通过调控化学反应限度和快慢获得目标物质”的条件并不完全一致，必须系统研究、综合优化。

（3）通过分析真实的科研生产数据，综合优化“浓度、压强、温度、催化剂”四个反应条件，结合“绿色化学、循环经济”概念，从物质转化、能量转化、速率动力学、平衡热力学等系统思维视角，建构了分析复杂平衡体系条件控制的思维模型，提炼出“定性定量结合、调控主副反应”等学科思想。

（4）从成果模型的迁移应用中，完善“运用耦合思想、发展绿色工艺、把握主次矛盾”等思想，进一步形成“在正确的科学态度与社会责任指导下，通过科学设计、工程技术和条件调控化学反应，实现造福人类”的学科大概念，发展学生“绿色化学”观念和辩证思维的能力。

教学流程如图1：

图1 教学流程

五、教学设计

【情境导入】引入项目背景，展示二十大报告关于碳达峰碳减排的论述和甲醇作为清洁燃料的图文资料（图2所示），引导学生多角度认识二氧化碳，知道它既是温室气体又是潜在的资源，激发学生学习兴趣，培养资源利用意识，增强社会责任感。

图2 情境素材

材料一：习近平总书记在党的二十大报告中明确了到2035年我国发展的总体目标，其中之一是“碳排放达峰后稳中有降，生态环境好转，美丽中国目标实现”。

材料二：甲醇是一种重要的清洁燃料，传统上通过石油裂解和煤制备，而利用CO2直接转化为甲醇，既可以减排CO2，又可以使人类不受到化石能源的限制。

【项目任务】引导学生拆解项目，按照工程设计的思路分成设计化学反应、选择反应条件、优化反应条件三个子项目，目的是从宏观把握项目研究的程序，让学生清楚从哪里出发、到哪里去。

设计意图：确定课堂主题，并从国家政策规划到资源绿色应用创设真实情境，激发学生的学习热情，培养学生的科学态度与社会责任。

1.项目一：设计化学反应

通过定性定量相结合来设计化学反应，引导学生认识物质转化的两种思路：价类二维和热力学计算判据，通过展示我国科学家研究成果和实际生产力的转化证实设想，从而发展科学态度与社会责任、证据推理和模型认知的核心素养，具体设计思路如表1所示。

表1 学生活动和设计意图

【评价任务】诊断并发展学生对物质转化思路的认识水平（基于概念原理水平）和化学价值的认识水平（学科价值视角、社会价值视角）。

2.项目二：选择反应条件

建构工业化生产条件的综合思维模型，并从理论知识上分析出温度条件的要求相互矛盾的结论，创设出认知冲突，激发学生的求知欲和好奇心，使思维处于积极状态，利于下一步的实际研究，具体设计思路如表2所示。

表2 学生活动和设计意图

【评价任务】诊断学生系统考虑多种因素的分析水平（孤立水平、系统水平），利用热力学和动力学理论分析应用水平（基于概念原理水平），发展学生综合分析和运用基本理论的能力。

3.项目三：优化反应条件

通过具体真实的数据图表，逐一探究，让学生自主分析，建立定性与定量结合分析平衡移动，同时与理论上的单一反应分析产生认知冲突后，引导学生建立起“调控主副反应、把握主导作用”的辩证唯物主义观点，发展科学探究与创新意识、证据推理与模型认知等核心素养。为了增加学习兴趣，培养学生的创新创造能力，积极创设情境，引导学生学会像科学家一样思考，睁眼看世界，比如引入两篇外文资料的图像全部是双纵坐标，同时以我国科学家的研究成果为例，增强学生的民族自豪感，具体设计思路如表3所示。

表3 学生活动和设计意图

【评价任务】诊断学生从方向、限度和快慢角度调控化学反应的分析水平（基于概念原理水平），系统考虑多种因素影响的分析水平（孤立水平、系统水平），发展学生综合分析和运用基本理论的能力。

4.模型应用迁移创新

应用思维模型解决具体真实问题，建立知识关联，对化学反应的方向、限度和速率形成结构化认识，并优化思维模型，从而建立反应耦合、分压比较和把握主次矛盾等思想方法，发展学生科学态度与社会责任、证据推理与模型认知等核心素养，具体设计思路如表4所示。

表4 学生活动和设计意图

【评价任务】诊断学生评价学生解决复杂问题的水平（孤立水平、系统水平），发展学生运用数学工具和化学思想分析图像、处理数据，综合解决真实问题的能力。

【课堂小结】引导学生整理完善思维模型，形成完整的思维框架，如图3所示。

图3 认知模型

【结束语】利用谐音“常常地想和美美地答”作为结束语，强调本节课的难点和答题的规范，让学生有种心灵的愉悦感，如图4所示。

图4 本节课的难点和答题的规范

【作业布置】专题训练和项目拓展，便于激发学有余力的学生关注CO2资源化利用的其他化学方法，以发展学生的“科学态度与社会责任”核心素养。

六、教学反思

本节课采用项目式教学将专题内容进行整合，不拘泥于教材，广泛选材、精心选题，围绕“CO2合成甲醇”主线索设计丰富而有创意的任务群，由简单到复杂逐步深入，基于真实的问题情境，重视复习内容的结构化设计，激发了学生学习化学的兴趣，使学生积极参与问题的解决过程，探究化的学习方式培养学生的理解、实践、创新能力，实现深度学习。

1.注重主题大概念统摄下的认知建构

本节课没有停留在复习本章碎片化知识的层面，而是注重主题大概念统摄下的认知建构，实施知识关联的项目化、结构化的教学设计。大概念是基于具体事实基础上抽象出来的、深层次的、可迁移的概念［6］。本节课确定物质的转化为核心概念，物质的转化是化学学科的大概念，如图5所示：

图5 本节课大概念解析

本课例教学内容的选择、任务活动的设计力求对物质转化大概念形成多个视角的认识，以反应的设计、条件的选择和条件的优化为主线，充分发展学生综合应用价类二维、热力学计算、耦合思想、能量转化、热力学、动力学、辩证唯物主义等化学核心观念在生产实践应用中的认识思路。

2.注重创设真实富有价值的问题情境

教师在教学中注重紧密联系生产和生活实际，创设丰富多样的真实问题情境。如二十大报告对碳达峰碳减排的论述、甲醇清洁燃料的应用、我国科学家利用二氧化碳合成淀粉、报道河南安阳建成合成甲醇联产装置并实现全面投产、展示李灿院士团队发现了ZnO-ZrO2双金属固溶体氧化物催化剂及重要的研究数据、苯乙烯的生产中恒压条件下掺入一定量的水蒸气等，为学生提供实践应用、迁移创新的平台，培育爱国情怀，展示学科独特价值。

3.注重学科理解和思维进阶的探究活动

本节课基于学科理解和思维进阶，注重发展学生高阶思维，聚焦学科核心价值，让素养成为解决问题的主体。如在优化反应条件项目中，在分析浓度因素时仅涉及主反应，而分析压强因素时出现了副反应，并通过高考试题展示两个副反应，为分析温度因素的影响做好铺垫。在学习任务的设计上，遵循了由具体到抽象、再到实践的认知规律，如在分析温度因素时，以高考试题答案分析出分析多元平衡体系的答题模板后，接着以学生的生成性问题“温度高于T1时甲醇的产率仍在增加”为抓手，引导学生再次分析影响副反应II的两种相互竞争的条件，讨论得出CO浓度增加占主导因素，及时巩固了思维模型。模型应用的三道真实问题由易到难，利用数学工具、化学思维和化学认识视角解决问题，感受科学思维之美，培养科学探究和创新意识，同时关注学生形成正确的价值观。