基于模型建构的高中化学项目式教学实践——以“天然气中CO2和H2S 的协同去除”为例

陈永安

（厦门双十中学，福建 厦门 361000）

一、设计背景

《普通高中化学课程标准（2017 年版）》提到，倡导真实问题情境的创设，重视教学内容的结构化设计，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变［1］。项目式学习是以某一项目为教学载体，让学生通过已有的知识或经验以任务驱动的方式解决问题，进而达到核心素养的培养。在开展项目式教学时，应考虑学习主题情境的真实性。真实情境不仅要能涵盖学科知识，同时在问题解决中能诱发学生的内心需求。

“模型认知”是高中化学核心素养中的一个方面。“模型认知”最初来源于苏格兰Kenneth Craik 提出的心智模型，他认为通过将外在事件转化为内在模型，思维就可利用内在模型进行推理、预测和解释事件。模型的建构是在模型认知的基础上演变出来的，中学教学更侧重的是知识模型的建构，利用建构的知识模型深化了学生对知识的理解，帮助学生进行深层次的思维训练，提升问题解决能力，因此知识模型的建构是一种很重要而且很有效的学习工具，帮助学生日后在碰到复杂且多变的问题时，能够“有章可循，有法可依”地解决问题。

利用真实情境进行模型的建构和应用能够帮助学生将有序的知识系统化，从点到线再到面进行自主学习和探究，进而将抽象的问题具体化，同时，改变教师的教学视角，会用学生的视角审视自己的教学模式，提升自己的基础教学。

对各种科学杂志的研究成果进行搜索，确定“天然气中CO2和H2S 的协同去除”为项目式学习主题。

二、设计思路

本项目以“天然气中CO2和H2S 协同去除”为主体，依次从元素价类二维模型结合热力学计算设计去除理想方案、利用电化学理论模型设计电解装置、再从工程思维、动力学角度设计电解装置的实际模型，从而引导学生经历一个完整的项目式学习。通过上述活动，学生在关键问题的解决中不断地建构和运用模型，同时深刻体会科学家们研究的创造性。教学流程见图1。

图1 “天然气中CO2和H2S 的协同去除”课堂教学流程

三、教学过程

（一）应用价类二维模型、热力学计算设计理论去除方案

［教师］介绍天然气中CO2和H2S 除去的必要性，同时在工业上兼具经济和环境双重效益的理想策略是将天然气中CO2和H2S 气体转化为有价值的产品。

［布置任务］请同学们根据所学知识，设计去除天然气中CO2和H2S 气体的方案，填写学案后进行交流。

［学生1］CO2和H2S 从物质类别的角度均属于酸性气体，因此使用的试剂是NaOH 溶液。

［学生2］从经济成本上考虑，应使用Ca(OH)2溶液。

［教师点评］两位同学能从类维角度设计除去CO2和H2S 的方案，同时从经济成本上考虑更优化试剂，但这些方案在工业是否可行？给大家提供以下资料。

图2

［学生3］不可行。通过资料1 可知CH4中的CO2和H2S 含量高，根据资料2 可知试剂的消耗量和成本高，且不可再生，不符合绿色化学思想。

［教师］既然从类维的角度设计分案是不行的，那还可以从什么角度入手？

［学生4］价维。因为CO2中的C 为+4 价可作为氧化剂，H2S 中的S 为-2 价可作为还原剂，二者发生氧化还原反应可实现同时去除。

［教师追问］反应的产物是什么？

［学生4］CO2不是典型的氧化剂，因此化合价的变化可能在邻近价态中转变，产物应是CO、S 和H2O。

［教师］从氧化还原反应的价态规律分析出反应产物，同时从工业生产角度来说也希望生成CO 和S，因为CO 可用于气体燃料和生产醋酸等化工产品，S可用于制造硫酸、杀虫剂等，这是一举多得的好事。但前提是该反应要能发生，那怎么来判断一个反应能发生？

［学生5］可根据△H-T△S进行判断。通过查表和结合盖斯定律可知该反应的△H＞0，由反应的物质状态可知△S＜0，因而△H-T△S＞0，反应不能自发进行。

［教师］怎么设计才能使该反应进行？

［学生交流讨论］借助电解可使反应进行。

［点评分析］此环节，学生从类维角度入手，初步设计去除方案，教师引入工程思维后，学生进一步从价维角度入手，同时结合热力学计算分析反应可行性，进而通过所学知识提出反应不可行的解决方案。教师引导学生逐步建构解决真实情境的思维模型。

（二）初步设计电解池理论模型

［教师布置任务］以电解饱和NaCl 溶液为模型，写出该反应的电极反应式和画出电解装置。同桌之间相互讨论，填写学案后进行交流。

［学生1］电极反应式：阳极H2S-2e-=S↓+2H+；阴极CO2+2e-+2H+=CO+H2O。选择酸性电解质溶液，目的是防止CO2和H2S 反应，同时参考电解饱和NaCl 溶液的装置选择质子交换膜防止阴阳极的物质相互干扰，具体装置图为A。

图3 学生对电解装置设计的结果实例

［学生2］在前组的基础上，我们组改变电极材料—多孔石墨电极，如图B，主要是模仿氢氧燃料电池的电极，目的在吸附气体，提高电解速率。

［教师点评］同学们利用之前所学模型进行电解装置设计，同时考虑电解物质为气体，应选用吸附气体的电极材料。随着科技发展，逐渐地用石墨烯电极代替多孔石墨电极，石墨烯是单层石墨，纳米级别，吸附能力强，导电性能好，是现今优良的电极材料［2］。

［点评分析］结合之前所学的电化学知识和模型，学生自主设计电解理论装置。教师将学生设计的电解装置进行对比，引导他们能取长补短，进行自我论证。

（三）优化电解池模型实现从理论模型到实际模型的转化

［教师］在实验过程中发现CO2吸附率高，但是反应速率慢。如何提高CO2反应速率？

［学生1］增大CO2浓度（增大压强），升温。

［学生2］CO2的吸附率高，说明CO2浓度高（压强大），增大浓度（增大压强）方案不可行。

［学生3］在电解装置中升温，现实操作困难。

［教师点评］同学们通过影响化学反应速率的外界因素结合生产实际筛选提高方法，但是忽略了其中一种因素。（学生：催化剂。）怎么添加催化剂？

［学生］最好直接掺杂在电极上，在溶液中添加催化剂使得其与CO2的接触面积变少，影响催化效果。

［教师］通过科学家们的不断研究，为了兼顾绿色化学和经济效益，选择催化剂ZnO 掺杂在石墨烯电极中。

［教师追问］H2S 在吸附性强的石墨烯电极上仍吸附率低，如何提高H2S 的吸附率？请同学们利用“知识支持”的提示设计出解决方案。

图4

［学生］可通过改变交换膜右侧的电解质溶液，从而改变H2S 的去除途径，提高其去除率，因此在交换膜右侧电解质溶液中加入含Fe3+的物质。

［教师追问］具体发生的反应是什么？

［学生］溶液中发生2Fe3++H2S=2Fe2++S↓+2H+；阳极Fe2+-e-=Fe3+，因而Fe3+可进行循环使用。

［教师点评］在实际生产中，使用了Fe3+，则电解质溶液应为强酸性，实用性不强，因而使用EDTA-Fe3+，EDTA-Fe3+在弱酸性溶液中可使用，符合生产实际。

［教师补充］从能量转化的角度上分析，可对直流电源进行优化，将其换成太阳能电池，进一步实现绿色化学。在工业生产中，为了使CO2和H2S 协同除去，应使CO2和H2S 从天然气中分离出来，并在两极上反应，则需设计一个经特殊处理的管道，从管道的一端通入天然气，再分别从管道中逸出CO2和H2S。具体装置为图5。

［点评分析］此环节是本节课的难点，在解决CO2反应慢、H2S 吸附率低等问题都充分利用化学动力学进行方案设计及优化。H2S 的处理跳脱原体系，引入EDTA-Fe3+进行循环利用从而间接除去H2S。此环节有效地提升学生建构模型和应用模型的能力。

四、教学反思

（一）核心素养孕育于真实情境和模型建构

本节课从天然气中CO2和H2S 协同去除的真实情境入手，提出多个核心问题，通过设计多样化的教学活动，促进学生在活动中进行深度学习，同时利用模型建构和运用，不断提升学生思维能力和解决问题的逻辑能力，从而建构结构化的知识体系。

图5 优化的电解装置

（二）核心素养发展于学生需求和问题解决

本节课引导学生发现问题、讨论问题、解决问题，学生运用习得的知识和技能解决真实问题，进而提升关键能力和必备品格。教学时，每一个问题既是独立又是关联的，通过层层推进的问题帮助学生形成逻辑推理链，学生利用资料卡、知识支持等获取和加工信息，从元素价类二维、化学热力学和动力学上设计和优化方案，从而促使学生从学科知识向学科核心素养发展。

（三）核心素养依托于教师视角转换

模型的建构需要教师关注学生思维习惯和问问题的动力来源，因此对于教师应该时刻反思本节课学生已有的知识框架是什么？如何在原有的知识框架及学生需求上扩展学生的知识深度和已有模型？因而，教师的课堂出发点应从学生的视角入手，通过让学生自行绘出思维导图建构知识模型。