基于项目式教学的高中化学元素化合物复习——以“利用类价二维处理烟气脱硫脱硝问题”为例

刘炯明 窦 卓

（厦门双十中学，福建 厦门 361000）

元素化合物知识考查在近几年高考中占比逐年递增，如何在教学中更好地渗透元素观、分类观、转化观，从而实现元素化合物知识的结构化及核心素养的培育呢？2017 版新课程标准倡导真实问题情境的创设，提倡基于综合问题解决的主题式教学。［1］项目式教学以真实的情境将学生带入环境之中，通过设计任务、活动，让学生参与真实问题的解决，并在过程中实现核心知识的落地、学科思想方法的养成、学科核心素养的培育。

一、项目的设计分析

（一）情境选择注重生活性、承载性

人类的生活情境中蕴含着丰富的化学知识、方法和思想。从真实情境中提取问题作为研究对象，可以和学生的生活经历或情感产生交织、碰撞，利于提高学生对学习的投入感。［2］“工业烟气脱硫脱硝”是社会热点问题，其中所蕴含的物质转化知识极为丰富，能够有效承载元素化合物的教学重难点，利于核心知识的提取，也便于任务的拆解与问题的设计。

（二）教学聚焦注重阶段性、延伸性

我们可以从“工业烟气脱硫脱硝”中抽提出多个教学角度：理论转化、实际转化、工程思维、绿色化学等，在项目设计中应当认识到学生的认知发展具有阶段性并基于此合理设计项目。例如，在高一阶段应聚焦于理论转化（类价二维、位构性），适当回避动力学热力学问题，而在高三一轮复习阶段除了注重理论转化分析以外，还要凸显实际转化（热力学、动力学、分离提纯、绿色化学）、工程思维（设备、成本、生产调控）等，这样才利于学生在真实情境中重整相对孤立、碎片化的知识，形成一个认知的有机整体。

二、项目的实施

项目从社会热点问题中遴选出“工业烟气脱硫脱硝”作为真实情境，从情境中抽提出具体的学科核心问题，基于建构主义理论合理设置三个递进式任务，并将每个任务分解为多个子任务，由学生根据任务目标设计方案、实施方案、交流展示和评价改进，形成解决一类问题的思路和模型。［3］（具体教学流程见图1）

（一）创设情境，建构模型

［引入］全球范围内，环境的保护与治理都是热门话题，SO2和NOx是大气主要污染物，大量SO2和NOx的排放对环境造成了不可逆的破坏，因此对工业烟气进行脱硫脱硝是工业生产中重要的一环。

［展示］近年来全国工业SO2和NOx的排放量

任务一：工业烟气脱硫、脱硝

［活动1］结合已学知识，设计脱除SO2的方案，书写对应化学反应方程式。

［汇报］展示所书写的化学反应方程式

［交流研讨］对上述反应进行归纳，抽提出认识SO2性质的角度。

［汇报］物质类别维度：SO2属于酸性氧化物，具备酸性氧化物的通性，能与碱反应，例如反应①。

化合价升降维度：SO2中S 的价态为+4，处于中间价态，故SO2具有一定的氧化性与还原性，例如反应②④是利用SO2的还原性进行脱除；反应③是利用SO2的氧化性进行脱除。

［构建模型］元素化合物的知识承载了我们对于物质性质及物质间相互转化的理解，脱除SO2的化学反应多样，可以从物质类别和化合价升降的维度分析其转化，并构建认识物质性质与物质间转化的认知模型：类价二维图（见图1）。

图1 S 元素的类价二维图

［活动2］绘制N 元素的类价二维图，书写脱除NOx（NO 与NO2）的化学反应方程式。

［展示］展示类价二维图与化学反应方程式

［交流研讨］反应①属于从哪个维度脱硝？能否从类维的角度脱硝？

［汇报］反应①涉及元素化合价变化，故属于价维脱硝。NOx不属于酸性氧化物，无法从类维脱硝。

［追问］一定条件下，能否利用NH3脱除工业烟气中的NOx?

［汇报］结合类价二维图可知，NH3与NOx中间还存在其他价态的N 元素，理论上可以利用NH3还原NOx。

［结论］类价二维图是我们分析物质理论转化的模型，依据该模型我们不仅可以找到角度理解物质转化，也可以对某些反应进行预测。但该模型仅适用于理论预测，实际情况还要结合热力学、动力学进一步分析。

（二）问题升华，理解模型

任务二：工业烟气同时脱硫脱硝

［活动1］讨论能同时脱除SO2与NOx的方法，并分析该方法从哪个维度同时脱硫脱硝。

［汇报］可以选择合适的氧化剂或还原剂从价维同时脱除SO2与NOx。

［汇报］直接加入碱液同时吸收SO2与NOx，其中NOx是从价维脱除的，SO2是从类维脱除的。

［追问］已知烟气中95%的NOx为NO，脱硝时对加入的氧化剂氧化性有何要求？

［汇报］氧化剂氧化性要足够强，防止只将NO 氧化成NO2。

［拓展］NaClO2氧化吸收法中（反应方程式如下），NaClO2虽然对SO2进行了脱除，但是并未完成脱硝，对于生成的NO2还要用碱液进一步吸收。

［小组讨论］利用NH3还原NO 完成脱硝的同时，能否有效脱硫？

［汇报］NH3是碱性气体，SO2是酸性气体，若脱硝后往体系中加入水，结合SO2的类属通性分析，SO2可以从类维脱除。

［交流研讨］烟气的组成会不会影响碱液吸收法的脱硫脱硝效果？若烟气组成（除SO2外）有如下四个情况，是否均能实现完全脱除？

①只含NO2②只含NO

③n(NO)∶n(NO2)>1∶1 ④n(NO)∶n(NO2)<1∶1

［汇报］结合NO 与NO2的性质可知情况①能完全脱除，情况②NO 不能脱除。当NO 与NO2同时存在时，其比例为1∶1 时才能完全被碱液吸收，故情况③会剩余NO，情况④剩余的NO2能进一步被碱液消耗，实际工业处理中一般不单独采用碱液脱硫脱硝。

（三）真实情境，应用模型

任务三：氯酸氧化法脱硫脱硝工艺分析

［展示］氯酸氧化法脱硫脱硝工艺图（见图2）。

图2 氯酸氧化法脱硫脱硝工艺图

［活动1］已知在氧化吸收塔中发生如下两个反应，请结合类价二维分析氧化吸收塔中的脱硫脱硝过程。

［汇报］结合反应可知HClO3能同时氧化NO 与SO2，但有部分NO 转化为NO2，SO2被氧化为H2SO4，所以在氧化吸收塔中完成了脱硫与部分脱硝。

［小组讨论］氧化吸收塔中未完全吸收的烟气将进入碱式吸收塔中进一步处理，请结合工艺图、类价二维分析碱式吸收塔中可能发生的化学反应。

［汇报］碱式吸收塔中含NaOH，可发生反应：2NO2+2NaOH====NaNO2+NaNO3+H2O；而从价维可知Na2S 作为还原剂能还原NO2，可发生反应：Na2S+2NO2====Na2SO4+N2。

［交流研讨］理论上NaOH 或Na2S 均可处理NO2，为何碱式吸收塔中要同时加入这两种吸收液？

［汇报］在实际工业中，除了考虑物质转化以外，还需要考虑成本、脱除效率、反应条件、设备等因素。

［活动2］氧化吸收塔中吸收液pH 对脱硫脱硝效率的影响结果如图3，请应用类价二维模型进行分析。

图3 吸收液pH 对脱硫脱硝效率的影响

［汇报］pH 增大使HClO3的氧化性降低，降低了脱硫脱硝效率，两者曲线均下降。吸收液pH 增大，溶液中OH-浓度增大，可以从类维对SO2进行吸收，但不能吸收NO，所以SO2脱除效率下降幅度相对较小。

［总结］类价二维是分析物质性质及其转化的模型，但在实际问题中除了结合类价二维外，我们还需要结合热力学、动力学、绿色化学、工程思维等。

三、项目教学反思

（一）依托活动进阶，突破模型认知

项目以构建学生对于元素化合物知识的理解模型为目标，将具体的知识赋予于不同的情境中，设问层层递进，首先在任务一中建立认识SO2性质及不同价态含S 元素物质间转化的类价二维模型；其次在任务二中进一步理解、应用模型，最后在任务三中应用模型分析氯酸同时脱硫脱硝。在这些任务的参与中，学生不仅构建了认知模型，同时在模型的应用、升华过程中，也发展了变化观念与模型建构的核心素养。

（二）关注学生主体，塑造认知视角

项目式学习倡导以学生为主体，让学生在真实的问题情境中去实践，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。［4］本项目基于建构主义理论进行知识抽提、问题拆解、活动设计、会话研讨并最终实现意义建构。考虑到学生的已有知识水平，本项目重点聚焦物质的理论转化，还未对物质实际转化所涉及的热力学、动力学、分离提纯、绿色化学等知识进行分析，因此建议在高中化学（必修一）模块复习阶段或高三化学一轮复习元素化合物模块使用本项目教学。

（三）注重教学实践，迁移项目模型

本项目在教学实践过程中在实验班采取项目式教学，在普通班采取常规教学，对比发现实验班学生对于元素化合物知识的认知更为深入，对陌生情境下元素化合物知识的分析准确、角度多维，知识的类比迁移等能力更胜一筹。学生的学习是有阶段性的，教学也要注重阶段性与适应性，元素化合物知识不仅承载着物质转化问题，背后还蕴藏着更深层次的化学反应原理知识，我们可以基于此项目进一步设计更为深入的任务、活动，从情境中抽提出实际转化所需探讨的核心知识及思维，如反应限度、反应速率、工业生产条件选择、工程思维等，不断迁移，帮助学生建构更多的认知模型，提升学生的高阶思维，实现深度学习。