基于项目化学习的化学反应与能量单元复习课

贺阳

摘要：以微项目的形式将化学能与热能、电能进行融合教学，通过对社会性议题“燃油车会‘消失’吗”的讨论，在证据推理、论证与反论证的过程中实现知识的结构化、在真实问题情境解决中实现用高阶思维包裹低阶思维，将学习素养转化为持续的学习实践，结合工程技术、经济、环保，利用科学理论解决实际问题。

关键词：燃油汽车；能源；化学能与热能；电能；任务驱动

文章编号：1008-0546（2022）02-0076-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.017

本項目课题选自人教版高中化学第二册第六章第一节化学与能量，是对研究与实践栏目“了解车用能源”的改编。以真实的社会性议题为出发点，激发学生的认知冲突和探究欲望，引领学生对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断，强化其社会参与意识，最终达到促进学生学科核心素养的形成与发展的目的[1]。

一、驱动性问题的提出

以大庆油田为背景，百年油田自1959年以来已经过去60年，世界能源也面临危机，有人说百年燃油时代将终结，燃油车将消失，各国政府也相继出台燃油车禁售时间表，中国海南2030年将禁售燃油车。那么燃油车真的会消失吗？

二、项目解构、科学论证

项目实施计划由教师与学生共同制定。在学生阐述自己观点的过程中，提取出关键问题，例如：燃油车为什么要消失？传统车用能源遇到哪些问题？用什么替代传统车用能源？新能源汽车的现状和发展情况等。为了科学论证这个话题，我们需要对项目进行解构[2]，如图1。

1.子项目一：车用能源的种类

第一小组学生结合工程技术、物理学知识，介绍了不同的驱动形式，汇报了车用能源的种类、能源转化形式、车用燃料种类、汽油柴油标号的含义。燃油车是化学能转化为机械能，纯电动车是电能转化为机械能，燃料电池汽车是化学能转化为电能、电能转化为机械能。

2.子项目二：为什么用醇化汽油替代传统能源？

问题1：传统能源面临的问题有哪些？

学生观点：石油是不可再生能源、传统能源会引起环境污染、温室效应等。教师进一步提供世界石油储量、我国的能源结构、煤制油等资料。

问题2：汽车尾气中有哪些污染？是如何产生的？会导致哪些环境问题？

学生观点：酸雨、氮氧化合物及二氧化碳等。

学生会进一步提供论据，从价类二维角度（图2）分析酸雨的产生，氮氧化合物和CO、碳氢化合物等成因，汽车尾气管的高温将空气中的N2和O2反应生成NO，进一步氧化为NO2，再与水反应生成硝酸。另一组同学提出反对观点，目前汽车尾气管已经安装三元催化转化器，可将氮氧化物和CO转化为绿色无污染的N2和CO2，因此汽车尾气没有污染。

在本轮学生观点的碰撞中，我们发现学生已经建立了一定的物质转化观。教师继续给出资料进行反论证，尾气管会加速氨气的排放，以促进学生更高阶的物质转化观，发展科学素养。二氧化碳的排放，通过碳循环、巴黎协定，发展学生的科学发展观，并指出催化剂的研究是一个极具魅力和应用前景的科研方向。

【资料】柴油车的脱硝装置，用尿素CO（NH2）2做反应剂与氮氧化合物催化生成N2，但会出现尿素逃逸，分解产生氨。

汽车尾气中除了氮氧化合物、碳氢化合物外，还有氨气的存在。随着三元催化转化器的使用，机动车尾气的氨排放量显著增加，在发动机富燃料条件下运行会加速催化剂表面氨气的反应过程。氨气的生成过程归功于NO和H2的反应，而H2来源于CO和H2O的反应[3]。

问题3：选择替代能源时需要综合考虑哪些问题？

学生观点：热值、低碳经济、污染、来源、成本、安全等

学生结合热值、低碳经济、物质状态、来源、环保等分析辛烷、甲烷、乙醇、氢气的优劣。通过计算相关数值，结合多种因素科学论证这个问题。

对于乙醇的优点，教师提出是有人说碳零排放，激发学生的辩论意识，学生从守恒角度提出观点不可能，并给出论据产物有二氧化碳。教师引导学生从乙醇可再生这个角度再分析（图3），学生恍然大悟，进一步促进学生更高阶的转化观和守恒观。

教师进一步提出问题：你觉得乙醇燃料是否适合大规模推广呢？

学生提出反对观点：不行，黑龙江省和吉林省乙醇汽油站多、南方少，因为北大荒有粮。大部分乙醇来源于粮食，而中国是人口大国，乙醇燃料的应用会出现与人“争粮”，使用乙醇燃料是要深思熟虑的。

问题4：对比蒸汽机、内燃机、燃料电池的能量转化形式，从转化效率、技术可行性等角度进行比较。

通过动画演示三种装置的工作原理，学生直观的了解到能量转化形式，从转化效率、技术可行性角度进行论证。

3.子项目三：新能源汽车的现状和发展情况

问题1：新能源汽车的种类有哪些？

纯电动、油电混、燃料电池汽车、增程式汽车等

问题2：结合电化学模型分析驱动电池的工作原理。

学生结合电化学分析模型分析燃料电池和锂电池的工作原理：包括能量转化形式、电流方向、闭合回路的形成，结合氧化还原反应分析物质的变化。以此进一步发展学生的学科素养-模型认知，运用所学知识解决实际问题的能力。

问题3：那你支持哪种新能源汽车呢？目前新能源汽车的优点和存在的问题有哪些？

学生提出各自观点，引出二者的优劣。教师进一步指出这只是我们个人的观念，国家层面呢？通过播放视频“国器—中日车用能源，谁才是未来？”，帮助学生进一步了解中国和日本在新能源汽车上的不同路线及原因，发展学生的大局意识，政府所做出的决策一定是居于本国的国情，没有孰优孰劣之分，综合考虑了科学技术与社会、环境、经济、可持续发展等。

最后引出新能源汽车的发展将需要大量的电池研发人员，这是当代中国青年的责任使命与担当。由学生进行介绍电池研发人员的工作、研发方向、薪资、大学对口专业、工作对口公司等。

结束语：前沙特阿拉伯石油部长曾说过：石器时代的结束不是因为石材的耗尽，而石油时代的终结也将在石油枯竭之前到来。

三、教学反思

1.注重学生实践，关注学生实践能力的提升

本节课以任务驱动为主线，有效地将能源、环境问题结合，在教学过程中，教师通过布置任务，组织学生查阅资料、辩证讨论、归纳整理，模型分析燃料电池和锂电池的工作原理，从能量转化形式、电流方向、闭合回路的形成，进一步发展学生的模型认知素养，运用所学知识解决实际问题的能力。既能解决教学的重难点，又能培养学生科学探究的意识和能力。

2.注重学生自我评价，关注思维的进阶提升

在每次运用核心知识解决具体问题后，都给学生提供了一个自我评测，让学生了解自己的素养发展水平及目标。这个活动将工程技术、学科知识、社会问题结合起来，让学生认识到在实际问题的解决过程中会面临很多复杂情况，通过这个活动，锻炼学生全面思考和分析问题的能力。在真实问题情境解决中实现用高阶思维包裹低阶思维，将学习素养转化为持续的学习实践。

参考文献

[1]崔书菲.社会性科学议题在高中化学教学中的应用研究[D].烟台：鲁东大学，2020.

[2]夏雪梅.项目化学习设计[M].北京：教育科学出版社，2018.

[3]张昕，叶燕珠，刘建桂，等. STEM视域下高中化学“微项目”式学习实践研究——以“论证重污染天气‘汽车限行’的合理性”为例[J].福建基础教育研究，2021（5）：118-120.