基于“绿色化学”理念的内容结构化教学设计与实践

张现霞

摘要： 内容的结构化是促进学生从化学学科知识向化学学科素养转化的关键。“绿色化学”具有丰富的内涵，能贯穿化工生产的全过程。以“工业制硫酸”为例，基于“绿色化学”理念开展内容结构化教学的设计与实践：基于知识关联的结构化，分析讨论“工业制硫酸”的生产原理、生产条件、能量利用、三废治理、原料评价等；概括化工生产的基本思路，开展基于认识思路的结构化；不断建构、完善、应用“绿色化学”的核心观念，提升核心观念的结构化水平；基于案例实践经验，形成高中化学内容结构化的“教”“学”设计思路。

关键词： 高中化学； 内容结构化； 绿色化学； 工业制硫酸

文章编号： 10056629（2023）11004908 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

结构化是按照对象内部要素的逻辑关系，进行连接、组合形成结构的过程，重在对事物内部基本结构进行探索，认识各要素之间的基本关系，探索内在基本规律［1］。《高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课程标准”）中先后共出现了29次与“结构化”相关的表述，指出：内容的结构化是促进学生从化学学科知识向化学学科素养转化的关键，主要有基于知识关联、认识思路、核心观念三种结构化形式，教师在组织教学内容时应高度重视化学知识的结构化设计，充分认识知识结构化对于学生化学学科核心素养发展的重要性，尤其是应有目的、有计划地进行“认识思路”和“核心观念”的结构化设计，逐步提升学生的结构化水平，发展化学学科核心素养［2］。

教育部2022年10月26日印发《绿色低碳发展国民教育体系建设实施方案》，要求基础教育阶段要培养践行绿色低碳理念、适应绿色低碳社会、引领绿色低碳发展的新一代青少年。“绿色化学”是在全球资源日益短缺和环境日趋恶化背景下提出的新理念，Anastas和Warner于1998年提出了“绿色化学”十二条原则，并为国际化学界所公认［3］。蒋叶涛等将这十二条原则分为三块：总体原则（防污优先、原子经济、绿色合成、安全意识），用料原则（原料无毒无害、可再生，产品无毒无害、可降解），过程原则（少用助剂、少衍生化、条件温和、催化高效）［4］。课程标准中共有15处出现了“绿色化学”，其中有8处与化工生产有关。“绿色化学”已成为化工生产领域的共识，是化工生产单元教学的核心观念。

硫酸是最重要的化工产品之一，我国最早的硫酸厂可追溯到1876年投产的天津机器局［5］，硫酸工业目前仍在不断发展中。高中阶段“工业制硫酸”的教学内容既是“非金属及其化合物的性质与应用”的情境素材，又是“运用反应速率和化学平衡原理综合调控化学反应”的真实案例，在帮助学生建立知识结构化、认识思路结构化和核心观念结构化方面大有可为。鉴于此，研究尝试以沪科版必修第二册“工业制硫酸”为例，开展基于“绿色化学”理念的内容结构化的教学设计与实践，尝试提炼高中化学内容结构化的“教”“学”设计思路。

2 教材及思路分析

教材以“硫酸的重要用途→生产原理的确定→原料的选择→反应条件的控制→能量的利用→三废的处理”为线索展开教学内容结构化设计（见图1）。

在分析生产原理时，教材设置了“想一想”栏目，引导学生从硫酸的组成、硫元素的化合价等角度进行分析，教师可以组织学生应用硫的“价类”转化关系设计转化路径，从中概括确定化工生产反应原理和反应原料的基本思路。

在选择原料时，教材从成本、反应条件、废渣和尾气处理、物能循环利用等角度进行了阐述，教师可以组织学生对不同原料进行优劣势分析，引导学生主动思考化工生产对环境和社会的影响，从而领悟“绿色化学”的用料原則。

在介绍生产过程时，教材通过“想一想”栏目，引导学生利用化学反应速率和化学平衡原理，讨论促进SO2又快又多地转化为SO3的反应条件，教师可以组织学生从中概括提高产出的基本思路，领悟“绿色化学”的过程原则和原子经济原则。

在讨论能量利用和三废处理时，教材先提出能耗和污染问题，引导学生运用所学知识解决问题，教师可以组织学生从中概括化工生产中充分利用能量及治理三废的基本思路，领悟“绿色化学”的防污优先、绿色合成、安全意识等原则。

通过深入分析还发现，“原料选择”和“三废处理”存在因果关系，若按照教材顺序，即在学习“三废处理”前讨论“原料选择”，这不利于学生全面自主分析原料的优劣势。因此，本研究将内容逻辑改为“生产原理的确定→生产条件的控制→能量的利用→三废的处理→原料的评价→发展的方向”的顺序。为确保学生能充分开展讨论、探究，本课内容分2课时进行。

3 教学目标设计

（1） 根据硫元素的“价类”转化关系，结合化学史，设计从原料到硫酸产品的转化路径，概括工业制硫酸的一般流程，运用化学反应速率和化学平衡理论讨论和解决硫铁矿制硫酸中的问题，提炼化工生产中确定反应原理和反应原料、提高产出率的基本思路。

（2） 了解硫铁矿制硫酸的实际生产过程、三废处理和能源利用等，从物能利用和环境保护等角度对制备硫酸的不同原料进行评价，概括化工生产中治理三废和充分利用能量的基本思路。

（3） 通过分析工业制硫酸的反应原理、反应原料、生产过程、产品处理、能量利用、工艺发展等，树立并领悟“绿色化学”理念的丰富内涵，形成资源全面节约、物能充分利用的意识。

4 课时内容结构教学流程设计

根据以上分析，具体课时内容和结构化教学流程见图2。

5 教学过程

5.1 第1课时工业制硫酸的反应原理和生产过程

环节一：工业制硫酸的转化路径

［化学史情境］教材第59页：早期的硫酸制备。

［情境任务］根据硫的“价类”转化关系，结合化学史，设计由含硫原料制硫酸的转化路径，用流程图简要表示工业制硫酸的主要阶段，概括化工生产中确定反应原理和反应原料的基本思路。

［学生讨论及评价标准建议］

方案1：1000多年前，绿矾、胆矾煅烧SO3→H2SO4

方案2：18世纪，硫黄、硝石燃烧SO2氮氧化合物SO3→H2SO4

方案3：19世纪后期，硫铁矿煅烧SO2SO3→H2SO4

工业制硫酸简要流程图（见图3）。

确定化工生产反应原理和反应原料的基本思路：从化工产品的组成和性质角度逆向推理，根据反应原理设计科学的转化路径，选择易获取、含量丰富的原料。

设计意图：在化学史情境中利用硫的“价类”关系分析不同历史阶段制备硫酸的方案，从基于知识关联的结构化走向基于认识思路的结构化，提炼确定化工生产中反应原理和反应原料的基本思路，初步领悟“绿色化学”的用料原则。

环节二：接触法制备硫酸的反应原理

［情境任务］建国初期，基于硫铁矿资源较丰富、硫黄资源较匮乏的实际国情，我国硫酸工业的主要原料是硫铁矿。用化学方程式表示硫铁矿制硫酸的反应原理，利用化学反应速率和化学平衡原理讨论在造气、转化、吸收三个阶段，理论上如何提高硫酸的产出，概括化工生产中提高产出的基本思路。

［学生讨论及评价标准建议］

第一阶段：造气 4FeS2+11O2煅烧2Fe2O3+8SO2，通过粉碎硫铁矿、气固逆流等方式，增大接触面积，使反应充分进行。

第二阶段：转化 2SO2+O2高温催化剂2SO3，通过使用高效催化剂、增大反应物浓度等方式，在适宜的温度、较高的压强条件下提高反应速率；在较高压强、较低温度条件下通过通入过量O2、循环利用未转化的原料、及时分离SO3等方式提高SO2的转化率。

第三阶段：吸收 SO3+H2OH2SO4，采用气液逆流的方式，增大接触面积，提高SO3的吸收效率。

化工生产中提高产出的基本思路：调控反应温度、压强、浓度、催化剂等条件加快反应速率；通过调控反应条件促使平衡向生成物的方向移动和原料循环利用等方式提高原料利用率；采用逆流原理使反应充分进行等。

设计意图：以硫铁矿制硫酸的一转一吸工艺为例，从理论角度讨论提高产出的措施，从基于知识关联的结构化走向基于认识思路的结构化，概括化工生产中提高产出的基本思路，引导学生体会化学原理对实际生产的指导作用，初步领悟“绿色化学”的原子经济原则。

环节三：硫铁矿制备硫酸的生产过程

［资料补充］（1） 转化阶段，SO2和O2在不同温度、不同压强下的原料转化率如表1所示。

（2） 转化阶段在475℃、 1atm条件下，使用V2O5作为催化剂时的反应速率比不用催化剂提高1.6×108倍。催化剂对反应具有选择性，其活性受温度影响很大，在长期受热和化学作用时会发生一些不可逆的变化即催化剂中毒。

［分析讨论］根据以上数据和信息，讨论在实际硫铁矿制硫酸的第二阶段适宜采用怎样的反应条件？

［学生讨论及评价标准建议］（1）常压下SO2的转化率已经很高，如果继续加压，会对设备的耐压性能提出更高要求，增加成本，故选择常压。（2）催化剂对提高反应速率至关重要，实际生产中以V2O5作为催化剂，需防止催化剂中毒并为其提供适宜温度（400～500℃），以确保催化剂的催化效能，同时反应速率、SO2的平衡转化率都比较理想。综上，硫铁矿制硫酸的第二阶段的实际反应条件是：V2O5做催化剂、常压、400～500℃。

［真实化工情境］理论分析可以指导实际化工生产，但实际化工生产还需考虑现实因素，观看工厂真实的硫铁矿制硫酸视频。

［情境任务］用流程图简要表示硫铁矿制硫酸的实際生产过程（见图4）。

［学生讨论及评价标准建议］见图4。

［观念提升］在实际化工生产中，需从产量、成本、环保等多角度综合考虑生产条件和工艺流程，其中粉碎硫铁矿、循环利用原料、逆流吸收SO3等措施都是为了提高原料利用率，这正是“绿色化学”所倡导的高原子经济性。

设计意图：以硫铁矿制硫酸为例，结合实际生产的相关数据、生产设备和工艺流程，分析化工生产中所需考虑的实际因素，引导学生进一步领悟“绿色化学”的原子经济、催化高效、条件温和等原则。

5.2 第2课时 我国工业制硫酸的发展

环节一：从物能利用角度全面评价硫铁矿制硫酸

［衔接引入］“绿色化学”不仅倡导高原子经济性，也倡导高能源利用率。

［情境任务］结合教材第58页SO2在接触室中的多段催化氧化示意图（见图5）和第60页“硫酸工业中热能的合理利用”文本，分析讨论硫铁矿制硫酸工业中哪些过程需要消耗能量？在这些过程中如何提高能源利用率？概括化工生产中充分利用能量的基本思路。

［学生讨论及评价标准建议］

矿石粉碎机、鼓风机、电炉、泵等需要电能，接触室内需要为催化剂维持适宜温度，也需要能量。

提高能源利用率的措施：提高煤等燃料的燃烧效率；造气阶段在沸腾炉外设置废热锅炉回收高温废热；转化阶段把热交换器和接触室合为一体，充分利用转化阶段的反应热。

化工生产中充分利用能量的基本思路：提高燃料燃烧效率；充分利用反应自身放出的热量，如采用废热锅炉、热交换器等。

［分析讨论］描述图5接触室中SO2和O2的流动方向，分析转化过程中的能量变化和能量利用。

［学生讨论及评价标准建议］

SO2和O2进入接触室，从热交换器的内管流过，再从接触室顶部进入催化剂层，而后从热交换器外管流出，进入下一层催化剂，最后从转化器下方流出。

SO2转化为SO3是一个放热的可逆反应，使用热交换器，经顶层催化剂反应后的SO2和O2从热交换器外管流出，放出的热量可用于预热内管中还未反应的、待加热的原料，同时为外管中的SO2和O2降温，使其进入下一层催化剂时仍维持在催化剂最佳活性温度。

［情境过渡］“绿色化学”倡导高原子经济性和高能源利用率，其目的是使过程和终端达到零排放或零污染。

［情境任务］硫铁矿制硫酸过程中的三废主要成分有哪些？是否需要处理？如何处理？概括化工生产中治理三废的基本思路。

［学生讨论及评价标准建议］

废气主要成分有SO2、硫酸雾、颗粒物等，若不处理直接排放会污染大气。可考虑使用碱性溶液进行吸收，如用NaOH溶液、石灰乳、氨水等，用石灰乳吸收SO2获得的产物可用作石膏，用氨水吸收SO2获得的产物可作氮肥。

若排出的是没有被污染的冷却废水，则可循环利用。若排出的是酸性废水，不处理直接排放会造成水体污染，可用石灰乳等碱性物质中和处理。

废渣主要成分有氧化铁、硫化亚铁及其他有害物质，如不处理则会造成土壤污染。若废渣中含铁量高，可直接作为炼铁的原料或制备铁的系列化工产品；若含铁量低、有害物质含量高，则需要预处理后再用于炼铁。

化工生产中治理三废的基本思路：采用化工联合思想将三废转化为有用的产品即变废为宝；通过化学反应将三废转化为无毒无害的物质。

［观念提升］化工生产中要做到零排放或零污染，可从物质和能量两方面思考。物质方面，一是提高原子经济性，尽可能提高产出，如使用合适的催化剂、适宜的温度和压强、原料循环利用、化工联合生产等；二是关注三废的治理，将其转化为无毒无害或有用的产品。能量方面，一是使用新能源，如太阳能等；二是提高能源的综合利用效率，如固体燃料粉碎、液体燃料雾化、使用热交换器等。

设计意图：从物质转化和能量利用角度分析热交换器的设计原理和三废处理方式，从基于知识关联的结构化走向基于认识思路的结构化，概括化工生产中充分利用能量及治理三废的基本思路；再从基于认识思路的结构化走向基于核心观念的结构化，归纳总结化工生产中实现零排放、零污染的路径，引导学生感悟“绿色化学”是贯穿化工生产全过程的核心观念，并领悟其绿色合成、安全意识的原则。

环节二：我国硫酸工业的发展现状

［情境任务］近年来，我国硫酸工业不断推陈出新，以硫铁矿为原料制备的硫酸占比不断下降，2019年我国工业制硫酸的原料结构分布见图6。相较于硫铁矿，硫黄制酸的优势有哪些？目前我国冶炼烟气制酸的比例正稳步提升，试分析其原因。

［学生讨论及评价标准建议］

硫铁矿制酸会产生三废，治理成本大、能耗高、硫资源利用率低。相较于硫铁矿，硫黄是制硫酸的优质原料，具有生产流程短、三废治理量小等优势，但我国硫黄资源少，主要依赖进口。冶炼烟气是冶炼金属硫化矿产生的含SO2的烟气，可用来生产硫酸，有色金属工业的发展可带动冶炼烟气制酸的发展，故我国冶炼烟气制酸的比例稳步提升。

［观念提升］“绿色化学”倡导从源头做起，尽量采用无毒无害、治理成本低的原料，获得环境友好产物。

设计意图：对制硫酸的不同原料进行全面评价，引导学生形成化工联合思想，领悟“绿色化学”的用料原则和防污优先原则。

［观念升华］综合考虑工业制硫酸的反应原理、原料选择、生产过程、产品处理、能量利用、工艺发展等，提炼化工生产基本思路，完善“绿色化学”核心观念。

化工生产基本思路见图7。

“绿色化学”核心观念见图8（参照人教版必修二对“绿色化学”的阐释［7］）。

环节三：迁移与评价

（1） 海水晒盐后的母液（苦卤）常用作提取溴的原料，其原因是什么？

（2） 工业合成氨气的原料氮气一般来源于空气，氢气主要来源于水和碳氢化合物，实际生产中维持氢氮比为2.8～2.9，其目的是什么？为了提高原料利用率，还能采取哪些措施？

设计意图：引导学生运用“绿色化学”理念分析化工生产相关问题，发展并评估学生迁移知识解决问题的能力。

6 教学反思

6.1 对单元结构化教学的思考

化工生产是国民经济基础产业之一，是化学学科知识转化为社会价值的具体体现。“绿色化学”是化工生产的核心观念，也是学生“科学态度与社会责任”素养的具体体现。基于“绿色化学”理念开展化工生产单元教学，既有利于促进学生从化学知识向化学学科核心素养的转化，也有利于教师把握教学内容的本质和关键，体现了化学学科独特的“绿色低碳”育人价值。

研究尝试对“工业制硫酸”进行结构化设计，不断引导学生建构、完善“绿色化学”核心观念，后续可将其用于其他化工生产案例的学习，如纯碱工业、氨工业、硝酸化工、石油化工等，形成基于“绿色化学”理念的化工生产单元结构化教学设计思路（见图9）。

6.2 关于内容结构化“教”“学”设计的思考

学习是学生主动地在头脑内部构造认知结构的过程［8］，认识思路和核心观念统称为认知结构［9］，知识结构化是认知结构化的基础。教师在教学中应该主动地从“知识关联”“认识思路”和“核心观念”三方面入手，进行内容结构化教学设计与实践；学生在学习中亦应当主动地在教师引导下从知识结构化转向认知结构化，这样才能让学科核心素养切实落地（见图10）。

此外，教师的教学设计要基于学生学习起点，符合学生认知规律，同时也要关注学生视野的拓展，鼓励学生主动了解学科发展现状、关注未来发展方向。例如目前我国硫酸工业已发展到两转两吸工艺阶段，教师可以引导学生主动应用“绿色化学”核心观念分析化工生产中的新问题，进一步将核心观念内化为学科思维。

参考文献：

［1］皮亚杰著. 倪连生， 王琳译. 结构主义［M］. 北京： 商务印书馆， 1984： 2.

［2］中華人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 70～71.

［3］Anastas P.T.， Warner J.C.. Green Chemistry： Theory and Practice ［M］. Oxford： Oxford University Press， 1998： 4.

［4］蒋叶涛， 王晓宇， 吴真等. 绿色化学十二条原则“TMP”切块教学实践与启示［J］. 广东化工， 2020， 47（20）： 148～150， 147.

［5］包敏初. 我国硫酸工业早期发展史［J］. 硫酸工业， 1979， （1）： 1～5.

［6］毛东海. 运用“形态分析法”培养学生自主探究问题的能力——以高一化学“工业制硫酸”的教学设计和实践为例［J］. 化学教学， 2018， （3）： 42～46.

［7］王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学第二册（必修）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 119.

［8］王换荣， 陈进前. 从“知识结构化”到“认知结构化”——高中化学结构化教学简析［J］. 中小学教师培训， 2022， （8）： 70～73.

［9］林亮， 孙美华， 经志俊. 基于教学内容结构化的设计与实践——以“弱电解质的电离平衡”为例［J］. 化学教学， 2021， （12）： 36～42.