发展化学学科能力和工程思维的项目式学习
2023-07-11王星乔滕瑛巧潘妩璠包朝龙
王星乔 滕瑛巧 潘妩璠 包朝龙
摘要：以“炼化企业含硫废气的处理”为主题，开展高中化学项目式学习。通过完成“了解含硫废气主要成分”“探讨含硫废气的处理方法”“分析含硫废气的资源化工艺”“监测含硫尾气的排放量”等四个子项目，巩固物质分类、氧化还原反应、元素化合物、定量计算等核心知识，发展化学学科能力和工程思维，形成环境问题的认知思维模型。
关键词：项目式学习；学科能力；工程思维；含硫废气
文章编号：10056629（2023）06005206中图分类号：G633.8文献标识码：B
1 项目主题价值分析
项目式学习以学生为主体，让学生在真实的问题情境中实践，并在探究和解决问题的过程中获得基本知识和技能、关键能力和必备品格［1］。将项目主题确定为“炼化企业含硫废气的处理”，主要是因为该主题具有如下教学价值及功能：
（1） 承载核心知识。本项目主题与高中必修课程主题2“非金属及其化合物”、主题5“化学与社会发展”密切相关，利用物质类别通性、氧化还原反应、定量计算等核心知识探究含硫废气的处理方法、资源化利用途径及含量监测等问题，构建含硫物质间相互转化的价类二维图，初步形成从物质性质及其转化认识环境污染的成因、主要危害及防治措施的视角，使得知识关联与认识思路结构化。
（2） 发展学科能力。根据王磊教授提出的“3×3”能力框架模型［2］，本项目主题涉及的能力发展点如表1所示，通过多样化的能力活动帮助学生在解决“真问题”中培养“真能力”。
（3） 培育工程思维。工程思维的主体是工程师、企业家和管理者，它的核心是筹划性地运用各种知识解决工程实践问题，主要包含创造性思维、系统性思维、权衡性思维、价值性思维、双赢思维［3］。含硫废气资源化工艺的设计、评价及克劳斯法工艺流程示意图的绘制等活动项目要求学生创造性地从资源化利用、原子经济性、成本能耗低、条件要求低、反应速率快、绿色无污染等视角系统考虑工程实践问题，合理匹配并权衡各要素，为社会生产出有价值的产品，同时获得最佳经济效益。
2 项目学习目标
该项目在学生学习人教版教材必修第二册第五章“化工生产中的重要非金属元素”时实施，学生已有物质分类、物质的量、离子反应、氧化还原反应、原子结构与元素周期律、金属单质与典型化合物的性质知识，根据课程标准相关要求，拟达到如下目标：
（1） 通过参考资料的阅读与信息检索，能说出炼化企业含硫废气的主要成分、产生原理和危害；
（2） 通过“含硫废气处理方法的探讨”，建立物质性质、物质转化与环境问题处理之间的关联，形成基于物质类别、元素价态认识物质化学性质的认识模型并能设计实验进行验证；
（3） 通过“含硫废气的资源化工艺分析”，能从资源化利用、原子经济性、成本能耗、条件要求、反应速率、安全绿色等视角分析工艺实际问题、权衡利弊，初步形成工程思维；
（4） 能运用碘量法定量分析尾气中SO2的含量，體会定量分析的价值，赞赏政府、企业为改善环境所作出的持续努力；
（5） 能综合利用认识模型、实践模型撰写含硫废气处理的相关小论文，提出含氮废气处理的可操作性方案。
3 项目任务及教学流程
以“炼化企业含硫废气的处理”作为总项目，经学生讨论拆解为四个递进式子项目，以问题为驱动，以活动为载体，在真实情境中发展学生的化学学科能力和工程思维。四个子项目、问题线、活动线及发展线如图1所示。
4 项目实施过程
4.1 子项目1——了解含硫废气的主要成分
［项目背景］随着我国经济的快速发展，石油需求量以每年5%的速率增长，大量原油需进口，其中以中东含硫量较高的原油为主。其在原油加工过程中产生大量含硫废气，不仅会使催化剂中毒、致使生产条件恶化、设备的腐蚀，且会造成严重的环境污染［4］。
［项目拆解］学生经过讨论，对以下问题感兴趣：含硫废气的成分是什么，它是如何产生的？如何处理含硫废气？能否资源化利用？如何监测排放的尾气是否达标？根据学生感兴趣的问题，将总项目拆分为四个子项目。
［学生活动］通过互联网查阅炼化企业含硫废气的相关信息，阅读教师项目学习单上提供的资料。
［交流展示］原油中有硫醇、硫醚等含硫的物质，这些物质受热分解后会产生硫化氢；为脱除油品中的硫或提高油品质量，炼化企业会采用加氢工艺，油品中的硫化物在氢压和催化剂的条件下将转化为硫化氢。
设计意图：课前通过布置查阅资料活动任务让学生了解炼化企业含硫废气的初始成分（H2S）以及产生原因，引发学生对炼化企业环保问题的关注，增强社会责任感。
4.2 子项目2——探讨含硫废气的处理方法
［教师］含硫废气的主要成分是H2S，这是一种具有恶臭、剧毒、易燃的气体。
［学生展示］课前整理的价类二维图，如图2所示。
［提问］如何处理H2S呢？请小组设计方案，并给出你们的依据。
［学生活动］讨论H2S的处理方案。
［学生1］H2S是二元酸，可以用碱液吸收，例如NaOH、 Ca（OH）2等。
［学生2］H2S中硫元素处于最低价态，应该具有还原性，可以用酸性高锰酸钾这样的强氧化剂吸收。
［学生3］可以用硫酸铜溶液吸收，因为硫化氢可以与硫酸铜反应生成硫化铜，我们组查阅资料时了解到这一信息（同学们投来赞许目光）。
［教师点评］H2S是二元弱酸，肯定可以用碱液吸收处理，刚才同学也从资料中了解到硫酸铜可以吸收H2S，这主要是它们发生如下反应：CuSO4+H2S====CuS↓+H2SO4。那-2价硫是否真具有还原性呢？
［实验探究］-2价硫元素的还原性。
实验用品：Na2S溶液，Na2SO3溶液，KI溶液，淀粉，酸性KMnO4溶液，稀硫酸。
［学生活动］设计实验方案并动手实验。
［学生1］我们小组取适量Na2S溶液，再滴加数滴酸性KMnO4溶液，观察到酸性KMnO4溶液紫红色褪去，说明Na2S具有还原性；但往Na2S溶液中滴加Na2SO3溶液并未出现预期的淡黄色沉淀。
［学生2］我们在Na2S、Na2SO3混合溶液中滴加稀硫酸，出现了淡黄色浑浊物，说明Na2S在酸性条件下可以被Na2SO3氧化。
［师生归纳］物质氧化性和还原性探究思路，如图3所示。
［子项目成果］环境问题的认识视角，如图4所示。
设计意图：H2S并不是课程标准和教材规定的需要系统学习的含硫重要化合物，学生对此物质较为陌生。安排学生讨论H2S的处理方案并说明依据这一学习活动，其实也是对学生的评价，探查学生是否具有类别和价态的自主分析角度与能力。根据假设，让学生根据提供的实验药品自主设计实验方案，动手实验获取证据，有目的、有计划地引导学生运用化学科学思维方式和方法认识H2S的性质。通过这一子项目，外显物质氧化性和还原性的探究思路、环境问题的认识视角，认识物质性质及其转化在环境保护中的重要价值。
4.3 子项目3——分析含硫废气的资源化工艺
［提问］如果你是化工工程师，选择处理方式时要考虑哪些因素？
［学生］需考虑吸收剂的价格、处理设备成本、吸收效果、产物能否再利用以及经济效益等。
［教师点评］要达到低能耗、低成本、安全性、产物再利用、吸收速率快、转化率高、条件温和等要求。
［教师］资源化利用是实现可持续发展的重要途径，工业上含硫废气如何进行资源化利用呢？
［学生］可将H2S转化为硫黄或硫酸，因为这两种含硫物质应用广泛。
［追问］你会考虑转化为哪种资源化产品？请给出理由。
［学生］将其转化为硫黄，工艺流程上较简化。
［教师］炼化企业主要将硫化氢转化为硫黄。请同学们利用价类二维图设计工业上转化为硫黄的可能方案。
［学生活动］讨论硫化氢转化为硫黄的可能方式。
［方案1］可以用空气（氧气）氧化硫化氢；也可以用氯气氧化硫化氢。
［方案2］我们组认为可以用SO2与H2S归中反应制硫黄。
［方案3］H2S可以直接受热分解制硫黄。
［师生评价］空气（氧气）来源广、成本低，但不易控制，氧气过量会生成二氧化硫；氯气较空气（氧气）成本要高些；H2S直接受热分解获得硫黄的同时也获得氢气，氢气是绿色能源，这一方案较有前景，但从目前来看能耗高、转化率低，难以大规模应用［5］。
［追问］SO2与H2S归中反应制硫黄具有可控性，但如何获得二氧化硫，如何优化这一方案？
［學生］可以让部分硫化氢充分氧化生成二氧化硫，再让SO2与H2S归中反应制硫黄。
［教师］你的想法很好，这正是炼化企业处理含硫废气普遍使用的方法——克劳斯法。
［提供信息］克劳斯法的基本原理［6］：
［提问］根据克劳斯法的基本原理，若要使硫化氢中的硫元素全部转化为硫单质，热反应阶段需控制多少比例的硫化氢被氧化？
［学生］催化转化阶段H2S与SO2物质的量之比为2∶1，则热反应阶段需控制1/3的硫化氢被氧化。
［学生活动］参照硫酸生产工艺流程图，尝试画出克劳斯法的工艺流程图。
［学生作品］学生绘制的流程图，如图5所示。
［师生评价］从原料转化率、能量利用、绿色环保等角度进行评价。
［投影展示］克劳斯法工艺流程图，如图6所示。
［教师］实际工艺中需要考虑能量的利用、尾气处理以及原料的充分转化，因为一次性转化往往达不到标准要求，所以实际工艺中需要增加二级转化器乃至三级转化器，这就要求具备工程思维。
［子项目成果］工程思维的内涵要素与分析视角，如图7所示。
设计意图：利用问题“如果你是化工工程师，选择处理方式时要考虑哪些因素？”诊断学生工程思维分析视角水平并通过教师点评使之系统化、结构化。含硫废气资源化方案的探讨活动，要求学生综合运用物质性质的认识视角、工程思维的分析视角权衡方案、优化方案，培养学生的系统性思维、权衡性思维与价值性思维。克劳斯法工艺流程图的绘制则是让学生系统、权衡地进行工程设计，理解工艺设计的理性和方法，逐步迭代优化工程方案，发展迁移创新能力。
4.4 子项目4——监测含硫尾气的排放量
［教师］通过克劳斯法处理的尾气可以直接排放吗？
［提供信息］克劳斯法硫黄回收工艺受反应温度下热力学平衡限制，即使采用活性良好的催化剂和三级转化工艺，常规克劳斯装置的硫回收率最高只能达到97%左右，尾气中含有大量H2S、液硫和有机硫化物，灼烧后最终以SO2的形式排入大气［8］。
［教师］石油炼制工业污染物排放标准（GB 315702015）规定，SO2一般区域不得超过400mg/m3，在执行大气污染物特别排放限值的区域不得超过100mg/m3。国标中同时规定了大气污染物浓度测定方法标准，碘量法是其中之一［9］。
［提供信息］烟气中的二氧化硫被氨基磺酸铵混合溶液吸收，用碘标准溶液滴定。按滴定量计算二氧化硫浓度。反应的方程式如下：SO2+H2O====H2SO3；H2SO3+H2O+I2====H2SO4+2HI。测定范围：100～400mg/m3；在测定范围内，方法的批内误差不大于±6%［10］。
［提问］如何表征碘标准溶液与试样恰好完全反应？
［学生］滴定前往试样中滴加几滴淀粉溶液，当溶液颜色由无色恰好变为蓝色时，表示恰好完全反应。
［思考］采集某炼化厂尾气40L（标准状况下），充分吸收后，用浓度为0.005mol/L碘标准溶液滴定，消耗碘标准溶液20.00mL，该尾气是否符合排放标准？
［学生］经计算，炼化厂尾气中二氧化硫的浓度为160mg/m3。
［教师］碘量法是手工监测的一种方式，现在国家对环保要求很高，因此镇海炼化采用紫外吸收法、紫外荧光法等现代化监测方法，以便达到自动、实时、准确等要求。
［呈现图片］宁波：千只白鹭定居炼化厂。
［教师］白鹭对水质、空气的要求极高，称为大自然的“生态检验师”。宁波镇海炼化的技术创新、环境改善，也是当前中国技术创新、改善环境的一个缩影。
［提炼认识思路］从物质、物质性质与物质变化的角度认识环境问题的危害、产生与防治，以工程思维指导实际处理方案的抉择，如图8所示。
设计意图：了解炼化企业尾气中SO2的来源以及碘量法测定尾气中SO2含量的基本原理，使学生树立尾气需定量监测的意识。从工程角度分析，定量检测需从手工监测走向自动化监测，简要介绍紫外吸收法、紫外荧光法等现代化监测方法。呈现白鹭满园图片，目的在于增进学生对石化企业的理解，赞赏政府、企业为改善环境所作出的持续努力。
4.5 项目成果展示
［教师］经过上述学习，请同学们以小组为单位撰写炼化企业含硫废气处理相关小论文及设计含氮废气（NOx）的处理方案。
［展示交流］略。
设计意图：撰写小论文外显本项目的研究成果，评价学生能否运用所学内容认识、处理环境问题，并使之形成系统化、结构化的思维模型。在此基础上提出含氮废气（NOx）的处理方案，展现学生的设计创意，发展学生的迁移创新能力和社会责任感。
5 项目学习实践反思
本项目基于环境保护开发主题，以“炼化企业含硫废气的处理”为总项目，拆解为四个递进式子项目，以问题为驱动，以活动为载体，巩固物质分类、氧化还原反应、元素化合物、定量计算等核心知识，发展学科能力，培育工程思维。在此过程中，外显依据物质性质及其变化认识环境问题（成因、危害、防治）的视角和思路，以工程思维为指导权衡方案、优化方案，促使学生迁移解决含氮废气的处理等陌生情境问题，实现从化学学科知识向化学学科核心素养的转化。
在项目式教学实践过程中，学生經历查阅资料、交流分享、设计方案、评价方案、动手实验等一系列有广度有深度的活动，成为了学习主体。在成果交流环节，有的小组基于查阅的资料扩充介绍了克劳斯法，有的小组还介绍了一种硫化氢全新、高效利用的工艺——硫化氢甲烷重整法，明显感受到学生的学习热情，收获了满满的成就体验感。作为教师，应主动阅读专业书籍与文献资料，不断拓展、提升课堂教学的广度与深度。
（致谢：感谢中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司天然气研究院陈昌介高级工程师对本文的指导！）
参考文献：
［1］侯肖，胡久华. 在常规课堂教学中实施项目式学习——以化学教学为例［J］. 教育学报，2016，（4）： 39～43.
［2］王磊，支瑶. 化学学科能力及其表现研究［J］. 教育学报，2016，（4）： 46～56.
［3］邹国华，刘帅，蔡小蔓等. 化学教学中培养工程思维： 内涵、必要性及实现途径［J］. 化学教学，2020，（8）： 3～6.
［4］胡敏. 炼化企业硫化氢危害分析与防护设计若干问题探析［J］. 炼油技术与工程，2019，（9）： 59～63.
［5］李红营，张信伟，王海洋等. 硫化氢处理及硫资源利用研究进展［J］. 当代化工，2022，（6）： 1479～1484.
［6］白昊. 硫磺回收工艺的模拟与优化［D］. 大连： 大连理工大学硕士学位论文，2013： 11～17.
［7］陈昌介，李一平，李金金等. 天然气净化厂硫磺回收直流法与分流法克劳斯工艺探讨［J］. 硫酸工业，2020，（8）： 23～26.
［8］陈赓良. 克劳斯法硫磺回收工艺技术发展评述［J］. 天然气与石油，2013，（4）： 23～28.
［9］［10］石油炼制工业污染物排放标准（GB 315702015）.
