跨学科视域下真实情境及实际问题解决的教学研究

王春 郭春红

摘要：核心素養导向下的课堂教学倡导教师在教学过程中设计真实情境下复杂而陌生的问题解决活动，引导学生通过小组合作、讨论交流等形式解决实际问题。本文选取TiO2情境素材，组织学生开展关于光触媒实际问题的解决，使学生了解材料、资源、能源等领域与化学学科的交叉融合，认识化学学科的功能价值和社会价值，培养学生实际问题的解决能力，发展学生化学学科核心素养。

关键词：TiO2；光触媒；真实情境；实际问题解决

文章编号：1008-0546（2023）12-0045-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.010

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出：“教师应重视跨学科内容主题的选择和组织，加强化学与物理学、生物学、地理学、材料科学和环境科学等学科的联系，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，帮助学生拓宽视野，开阔思路，综合运用化学和其他学科的知识分析解决有关问题，发展学生的科学素养”。［1］本文以“基于TiO2认识光触媒”教学设计为例，通过真实情境下的实际问题解决，组织学生开展关于光触媒问题的讨论，使学生了解材料、资源、能源等领域与化学学科都有很强的交叉融合，认识化学在促进科技发展中所发挥的作用，引导学生在实际问题解决过程中形成物质性质及其应用研究的思路与方法，促进学生化学学科核心素养的发展。

二、教学背景分析

1.教学内容分析

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在课程设置中多次提及有关光触媒的内容。例如“必修课程主题5化学与社会发展”，建议以TiO2为光催化剂利用太阳能分解水制取氢气的实例作为情景素材。“选修课程系列3发展中的化学科学”，倡导围绕催化化学，探讨催化研究的新理论、新方法，供参考的选题就包括高效太阳能电池的光电转换过程化学。因此研究光触媒，能使学生感悟人类探索物质及其变化的历史与化学科学发展的趋势，培养学生社会责任感、参与意识和决策能力，促进学生化学学科核心素养的发展。

2.学生情况分析

本教学设计依据学生的已有认知点、认知瓶颈点、认知生长点，设计符合学生认知发展规律的教学体系，促进学生在不同水平上的思维发展和综合能力提升（见表1）。

三、教学目标设计

1.教学目标

（1）能应用氧化还原反应规律、能量守恒规律和电化学原理解决实际问题。

（2）能对素材信息进行加工和处理，通过化学用语准确描述相关反应机理。

（3）能从宏观与微观、定性与定量等角度对物质变化中的能量转化进行分析和表征。

2.评价目标

（1）通过小组合作、讨论交流等形式，探究TiO2光催化除甲醛的反应历程，诊断并发展学生信息处理能力、学习能力和合作沟通能力。

（2）通过光化学转化与光电转换等能量转化原理的学习，诊断并发展学生实际问题解决能力及方案设计的评价和优化能力。

四、教学过程设计

1.环节一：创设问题情境，初识光触媒

【情境创设】教师展示一组关于太阳能在实际生活中的重要应用图片，并提出问题：太阳能作为人类活动的重要能源，其常见的能源转化方式主要有哪些？

【学生活动】学生根据教师提出的问题回答：太阳能器件常见的转化方式有光热转化、光化学转化、光电转化三种方式。

【引导过渡】教师投影相关资料介绍：1972年东京大学的本多建一教授和研究生藤岛昭发现，在紫外线的照射下，TiO2发挥催化效应，将水分解成氢气与氧气，这就是著名的“本多藤岛效应”。以纳米级TiO2为代表的具有光催化功能的光半导体材料总称为光触媒，也叫光催化剂。日常生活中，TiO2还能在光照射下产生强氧化性的物质（如羟基自由基等），降解空气中有毒、有害气体如甲醛等，高效净化空气；同时，能够有效杀灭多种细菌，并能将细菌或真菌释放出的毒素分解及无害化处理。通过上述资料我们发现TiO2作为一种有光催化功能的光半导体材料，在实际工业生产和生活中有着重要的应用，今天这节课让我们一起来全面认识TiO2。

设计意图：通过创设问题情境，引出本节课所要探讨的内容，并通过相关资料的介绍让学生了解光触媒 TiO2的发展史及其重要应用，激发学生的学习兴趣，培养学生科学态度和社会责任感。

2.环节二：TiO2光催化作用下除甲醛的历程探究

【教师活动】教师播放TiO2除甲醛历程的视频，引导学生结合动画和视频导语，用化学用语来表示反应历程（可能用到的化学式：空穴TiO2+；电子 e-；负氧离子 O2（-）；羟基自由基·OH；醛自由基·CHO）。

【视频导引】在可见光的照射下，TiO2会失去一个电子而自身形成一个空穴。大量的空穴使TiO2薄膜表面形成一层纳米筛，失去的电子会与空气中的氧分子结合，生成负氧离子，与此同时，纳米筛会抓住空气中的水，夺取水中的电子，使其变成羟基自由基。羟基自由基会进攻空气中的甲醛，使其生成醛自由基和水，醛自由基在负氧离子的进攻下生成甲酸，在羟基自由基的作用下，甲酸被夺去电子，最终生成对人体无害的二氧化碳。

【学生活动】小组进行分工合作，讨论、交流、书写在光催化条件下TiO2除甲醛的反应历程，并通过平板电脑进行拍照上传。

【师生活动】学生分组进行展示、教师引导学生进行评价、修改和完善光催化反应历程的六步化学反应方程式：

（1）TiO2 TiO2（+）+ e-

（2）O2+ e-O2（-）

（3）TiO2（+）+H2OTiO2+·OH+ H+

（4）HCHO+·OH·CHO+ H2O

（5）·CHO+ O2（-）+ H++ H2OHCOOH +2·OH

（6）HCOOH+2·OHCO2+2H2O

总反应式：HCHO + O2 CO2+ H2O

【教师活动】教师引导学生进一步研究影响光触媒反应的核心要素，探讨如何有效促进光触媒反应，提出问题：结合TiO2光催化除甲醛的反应历程，影响光触媒反应的核心要素有哪些？

【学生活动】学生根据教师提出的问题，结合TiO2光催化除甲醛的反应历程，回答影响光触媒反应的核心要素有：在太阳光照射下可以形成电子空穴和光生电子的高性能材料，同时反应过程中需要产生羟基自由基。

【教师活动】教师进一步引导学生结合图1分析，如何促进光触媒反应发生？

【学生活动】学生根据教师所提出的问题并结合图1相关信息回答：选择纳米TiO2材料，通过化学方法在TiO2上实现金属沉积，或者采用碳掺杂等形式，促进电子空穴-光生电子的生成，从而实现后续氧化还原反应的发生；将花青素染料附着在 TiO2纳米薄膜上，染料分子在可见光照射下，基态电子被激发，由基态跃迁到激发态，激发态电子通过TiO2导出，实现光电转换；增大环境湿度，有助于TiO2夺取水中氢原子的电子，生成羟基自由基和氢离子。

【教师活动】教师根据学生的回答进行总结：TiO2纳米颗粒表面形成紧密接触的Pd-Cu纳米簇，可实现电子空穴-光生电子的生成。然后通过投影展示Pd- Cu/TiO2的反应过程（见图2），并要求学生在图中②处补全形成Pd-Cu纳米簇的反应过程示意图。

【学生活动】学生根据图2的反应过程中①和②在光照条件下乙醇与 Cu2+发生氧化还原反应，Cu2+得电子生成铜，形成Pd-Cu 纳米簇的相关信息，推导图中②处反应过程（见图3）。

设计意图：通过小组合作探究TiO2光催化除甲醛反应历程，引导学生深入认识光化学转化机理，培养学生信息处理能力、学习能力和合作交流能力。

3.环节三：染料敏化 TiO2太阳能电池工作原理探究

【教师活动】教师进行相关知识介绍：新型染料敏化TiO2太阳能电池，以纳米TiO2和光敏染料为主要原料，通过模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能，实现光电转换，又称光伏效应。然后引导学生观看染料敏化TiO2太阳能电池的工作原理示意图（图4），辨析反应历程，补充后续反应（符号含义：S-敏化剂，S*-敏化剂激发态，S+-敏化剂氧化态）。

【学生活动】学生根据染料敏化TiO2太阳能电池的工作原理示意图，结合第①步和第②步反应原理及反应方程式，完成的后续反应原理及反应方程式为：

③电子经过外电路到达Pt导电玻璃，I3（-）得到电子发生还原反应：I3（-）＋2e-→3I－。

④氧化态 S+与 I-发生氧化还原反应：2TiO2/S ++3I-→2TiO2/S＋ I3（-）。

⑤ I3（-）迁移至 Pt 导电玻璃，获得外电路输送的电子，被还原生成I-，实现 I3（-）与I-的循环转化。

【教师活动】教师根据学生完成后续反应原理及反应方程式引导学生对染料敏化TiO2太阳能电池具有的优点进行合理评价。

【学生活动】学生根据教师的任务分析染料敏化 TiO2太阳能电池的优点：原料成本低，制作工艺简单，设备价格低，无污染，对可见光要求不高。电解质溶液可以循环使用，电池使用寿命长。

【教师活动】教师根据学生的活动进行知识补充：对于染料敏化 TiO2太阳能电池来说，只有非常靠近 TiO2表面的敏化剂分子才能顺利通过TiO2将电子导出，多层敏化剂的吸附反而会阻碍电子输运。而且染料敏化剂的激发态寿命很短，需要通过特殊的方法将其吸附到TiO2电极上，有助于电子顺利导出。

设计意图：引导学生从光电转换和光化学转化视角分析和解决实际问题，通过对染料敏化TiO2太阳能电池进行评价，发展学生信息加工能力和高阶思维能力。

4.环节四：基于真实情境素材解决实际问题

【教师活动】教师投影展示与本教学设计相关知识素材（如图5所示），检测学生知识的应用及迁移能力。

【素材信息】认识光触媒的未来之星——Ag3PO4。Ag3PO4晶体具有高效光催化作用，用于降解有机污染物，也可用于实现“碳中和”，通过配位-沉淀法制备Ag3PO4高效光催化剂。

【学生活动】学生结合素材相关信息，运用所学知识书写相关离子方程式：3Ag（NH3）2（+）+ HPO4（2）-+ OH－=6NH3+Ag3PO4↓+ H2O

【教師活动】教师继续补充相关信息：AgNO3和 Na3PO4在溶液中反应也可制得Ag3PO4固体，但制得的 Ag3PO4固体光催化性能极差。引导学生根据信息从速率角度解释其原因。

【学生活动】学生根据相关信息回答：由于AgNO3溶液和Na3PO4溶液中c（Ag+）与c（PO4（3）-）比较大，生成沉淀的反应速率较快，不利于生成具有十八面体结构的Ag3PO4晶体，所以光催化效能低。

【教师活动】教师进一步向学生介绍Ag3PO4光催化降解罗丹明B（RhB，一种有机污染物），RhB被氧化生成 CO2和 H2O 的反应过程及Ag3PO4降解废水过程中RhB的残留率（c/c0，即时浓度与起始浓度之比）随时间变化的曲线，引导学生结合所给信息可以获取什么结论？

②用Ag3PO4依次降解三份相同的废水，测得3次降解过程中RhB的残留率随时间变化的曲线（见图6）。

【学生活动】学生根据教师所提供信息回答：·OH和 O2（-）是降解RhB的氧化剂；第1次使用后Ag3PO4的光催化性能降低；该实验条件下，Ag3PO4使用两次即基本失效。

【教师活动】教师进一步引导学生根据信息写出 Ag3PO4光催化CO2制备甲醇可实现“碳中和”的化学方程式。

【学生活动】学生根据教师提供的信息完成 Ag3PO4光催化CO2制备甲醇的化学反应方程式：

2 CO2+4H2O 可见（====）3OH +3O2

【教师活动】教师最后进行总结：气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，对生态系统形成威胁。在国际减排温室气体大背景下，我国由此提出碳达峰和碳中和目标，运用光触媒反应可有助于尽快实现这一目标，这就是化学学科的功能价值和社会价值。

设计意图：引导学生基于真实情境运用所学知识进行实际问题解决，培养学生社会责任感和参与意识，发展学生知识迁移应用能力。

五、教学效果及反思

本教学设计选取TiO2情境素材，通过对TiO2光催化作用下除甲醛的历程探究和染料敏化TiO2太阳能电池工作原理探究，引导学生从光电转换和光化学转化视角分析和解决实际问题，教学设计中情境素材的选择注重时代性和前沿性，注重实现材料、资源、能源等领域与化学学科的交叉融合，厚植学生的爱国情怀，体现了科学发展观，凸显了化学学科功能价值。此外，在教学过程中注重通过选取与教学内容相关 Ag3PO4光催化降解RhB情境素材，综合检测学生运用所学知识解决实际问题的能力，发展学生知识迁移应用能力和创新思维。课堂教学过程中注重关注学生思维发展，实时动态掌握教与学情况，引导学生在真实情境、任务和活动中进行实际问题解决，有效实现“教、学、评”一体化。

本教学设计在教学实施过程中较为顺利地达到了课前制定的教学目标，授课过程中能较好地实施问题驱动式教学策略，借助相关问题研究引导学生运用相关原理分析和解决实际问题。［3］但在教学过程中感觉对学生回答问题后的及时评价不够，学生间小组交流还缺乏更为有效的引导，这都是今后教学过程中需要逐步改进和完善的。

參考文献

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

［2］秦序.纳米TiO2光触媒的分析研究［J］.广东技术师范学院学报，2015（8）：11-14.

［3］王春.证据推理视域下的化学实验教学研究—以“碘离子反应的多样性研究”为例［J］.中学化学教学参考，2020（7）：35-37.