发展学生“变化观念与平衡思想”素养的项目式教学设计

刘学超 江合佩 周建

摘要：探究汽车尾气中有害气体CO和NO的治理方案需要运用多学科知识协同解决。对尾气处理反应机理的探究，不仅可以帮助学生建立运用氧化还原反应、热力学、动力学等知识解决实际问题的一般思路，进行思维建模；还有助于学生树立“变化观念与平衡思想”，养成科学态度，提升社会责任，彰显化学学科的育人功能和学科价值。

关键词：化学学科核心素养；变化观念与平衡思想；项目式教学；化学反应的调控

1 项目教学主题分析

只有抓住学科核心素养，才能抓住学科教育的根本^[1] 。北师大肖川教授认为：“从学科角度讲，要为素养而教（用学科教人），学科及其教学是为学生素养服务的，而不是为学科而教”。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》在“基本理念”中明确提出：以发展化学学科核心素养为主旨，重视开展素养为本的教学，倡导真实问题情境的创设，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力^[2] 。

项目式教学以建构主义理论为指导，将教学目标融入具体的学习任务中，利用项目活动中创设的驱动性问题，引导学生深度学习，发展能力，达成培养学生学科核心素养的目标。因此，项目式教学被认为是最具核心素养融合发展效力的教学^[3] 。

以汽车尾气治理为真实情境开展项目式教学，可以促使学生在解决实际问题的过程中实现知识的结构化，促进学生学科核心素养的发展，形成适应其终身发展所需的必备品格和关键能力。本项目主题源于鲁科版（2019）高中化学必修1第3章微项目——论证重污染天气“汽车限行”的合理性^[4] ，以及鲁科版（2019）高中化学选择性必修1“化学反应的方向”一节的“联想·质疑”栏目和“身边的化学”栏目^[5] 。适用于高二年级选择性必修1第2章后的单元复习。项目的实施将会使学生对汽车尾气治理知识的认识形成有机整体，提升对化学反应的调控所需知识的运用能力。

1.1项目核心知识及素养发展价值

知识层面：从热力学视角判断尾气转化的可行性，从动力学视角调控尾气转化的效率，使学生在面对真实情境下的复杂反应体系时，能够自主运用知识多角度分析、发展解决实际问题的能力。

素养层面：通过开展活动，提高学生的证据意识，培养加工、处理信息的能力；以化学学科知识为主体，结合多学科知识协同解决实际问题，发展“变化观念与平衡思想”，养成科学态度。

1.2.项目内容结构

利用学科核心知识解决真实复杂问题是开展项式教学的主要目的^[6] 。本项目以汽车尾气中CO和NO的治理为活动载体，引导学生从“价─类”二维视角分析尾气转化的可行性的理想判断到从热力学视角的反应趋势判断；结合尾气转化历程，激发探究欲望，引领学生开展如何提高尾气转化效率的深度学习，归纳催化剂在化学反应的调控中的作用，逐步发展学生的工程思维与学科核心素养。本项目基本内容与设计思路如图1所示。

教学设计过程中将“变化观念与平衡思想”作为核心素养的主培育点，遴选“变化观念”与“平衡思想”两个大概念进行统摄，将其拆解为凸显学科认识视角和思维方式的次级大概念，围绕物质的分类观、价态观、变化观、化学反应的调控观等次级大概念梳理教学内容，再将次级概念进一步拆解为基本概念，寻找本项目涉及到的具体知识进行匹配，形成了“汽车尾气中有害气体CO和NO治理”的项目式教学知识层级，如图2所示。

2 项目教学目标

课程目标是对学生学习及发展结果的期待，是课程内容选择、教学活动设计、学业质量确立的基本方向和依据。结合《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》的要求，^[2] 制定本项目教学的目标如下：

（1）通过探究CO和NO转化的可行性，协同学生归纳整合化学反应发生的依据，培养科学严谨的学习态度。

（2）通过探究CO和NO转化机理，认识催化剂在调控反应机理中的重要作用，培养学生分析问题的能力。

（3）通过探究CO和NO转化的适宜条件，加深对速率和限度影响因素的理解，提出提高尾气转化效率的具体措施，培养学生解决实际问题的能力。

3 项目任务及教学流程

根据项目式教学特点及教学目标，结合真实问题抽提出“变化观念”和“平衡思想”的大概念统摄下的学科核心知识。教学中设计3个不断进阶的活动任务，让学生亲历问题的解决过程。

任务1：探究汽车尾气中CO和NO转化的可行性。汇报展示汽车尾气中CO和NO的来源及尾气转化的可行性依据。自主调用氧化还原、热力学等知识解决实际问题，增强证据意识。

任务2：探究汽车尾气中CO和NO转化的反应机理。运用催化剂调控尾气转化机理，通过数据分析明确提高尾气转化效率的关键，建立解决实际问题的一般思路。

任务3：探究汽车尾气中CO和NO转化的适宜条件。结合内燃机的实际情况及尾气转化反应的特征，确定提高转化效率的可行方案，探讨催化剂设计结构及评价，形成工程思维。

具体流程设计如图3所示。

4 项目实施及学生学习结果

[情境引入]近年，我国“蓝天保卫战”成果显著。成绩固然可喜，但必须理智地看到，有些污染物排放量還是处于上升趋势，尤其是城市空气污染物排放总量的罪魁祸首——机动车尾气，其排放的一氧化碳和碳氢化合物超过80%，氮氧化物和颗粒物超过90%。

任务1.探究汽车尾气中NO和CO转化方案的可行性

活动1.认识汽车尾气中NO和CO的来源

[教师]汽车尾气的主要有害成分是NO和CO，它们是怎样产生的呢？

[学生]汽油、柴油的主要成分是烃，烃不完全燃烧产生CO；空气中的N₂在电火花放电条件下与O₂作用生成NO。

[教师]怎样使用燃油汽车可以有效降低有害气体的排放？

[学生汇报]减少尾气排放的关键因素是让燃油燃烧充分，建议使用汽车时要做到：

1.使用优质油品；2.定期保养，及时更换空滤和油滤；3.养成良好的驾驶习惯等。

活动2.探究汽车尾气中CO和NO转化的可行性

[教师]将CO和NO转化为N₂和CO₂是处理尾气的重要方式。判断反应：2NO+2CO

2CO₂+N₂发生的依据是什么呢？

[学生]NO中N元素为+2价，可降为0价，具有氧化性，CO中C元素为+2价，可升为+4价，具有还原性，两者发生氧化还原反应生成N₂和CO₂。

[追问]从价态角度分析，理论上该反应是能够发生的，能否通过数据进行深入判断呢？

[学生]用吉布斯自由能进行数据判断。

[教师]请结合以下提供的资料，分析汽车尾气中CO和NO转化的可行性。

[资料]

[师生归纳]判断化学反应能否发生的依据（见表2）：

任务2：探究汽车尾气中CO和NO转化的反应机理

活动1.汽车尾气中CO和NO转化的过程分析

[教师]通过分析，尾气中CO和NO转化是可行的。反应历程怎样呢？

[资料]我国学者研究了均相NO－CO的反应历程，反应路径中每一阶段内各驻点的能量均为

相对于此阶段内反应物能量的能量之差，TS代表过渡态，反应过程中的复杂中间产物直接用IM表示。（均相 NO-CO的反应历程如图4所示）

[教师]由图4可知，整个反应分为三个基元反应阶段。进行尾气转化时，应特别关注反应几？为什么？

[学生1] 关注反应①。反应①的活化能最大，反应速率最慢，决定尾气转化的快慢。

[学生2] 关注反应②。反应②的活化能最小，反应速率最快，若不抑制反应②的进行，导致尾气中N₂O的含量升高，不利于生成N₂。

[追问]你认为采取怎样的措施在提高反应①速率的同时又能抑制反应②的进行呢？说说你的理由？

[学生]寻找合适的催化剂。催化剂具有高效性和选择性，可以提高反应①的速率，抑制反应②的进行。

[教师]请归纳催化剂对化学反应的作用。

[学生归纳]1.能改变反应历程；2.能降低反应的活化能；3.能加快化学反应速率。

活动2.汽车尾气中CO和NO转化的速率与限度分析

[教师]根据资料提供的数据，你认为能否有效消除NO、CO尾气污染？

[追问]既然可以有效去除NO、CO，为何汽车尾气中仍存留一定量的NO和CO呢？

[学生]可能反应没有达到平衡，尾气就被排出排气管。

[追问]没有达到平衡状态的主要原因可能是什么呢？

[学生讨论]主要原因可能是：1.反应速率太慢；2.尾氣在内燃机中存留时间太短等。

[教师]同学们的分析是否正确呢？请结合以下资料证明你的猜测？

[资料]在一密闭容器中，某科研团队用气体传感器测得某温度下，不同时间的NO和CO浓度（见表3）：

可见，反应速率很慢，平衡时反应物转化率很高。该反应4s即可达到平衡，平衡所需时间较短，排出的尾气中仍含有一定浓度的NO和CO，其原因是反应速率过慢，没有达到平衡，气体就被排出。

[教师点评]通过分析可知，降低尾气中CO和NO含量的关键是提高反应速率。

任务3.探究汽车尾气中CO和NO转化的适宜条件

活动1. 探讨提高尾气中CO和NO转化效率的措施

[学生展示]提高汽车尾气中CO和NO反应速率和限度的措施：（如图5所示）

[教师]结合汽车内燃机的实际情况，你认为采取什么措施可以提高汽车尾气的转化效率？

[学生]结合内燃机的实际情况，改变浓度、压强、温度等措施均不现实，应采用催化剂来提高转化效率。

[教师点评]催化剂虽不影响平衡移动，不改变平衡转化率，但在提高反应速率的同时提高瞬时转化率，从而可以有效提高尾气转化效率。

活动2.探究不同催化剂对尾气中CO和NO转化效率的影响

[资料]目前汽车排气管内部主要装有三元催化剂装置，在催化剂表面通过发生吸附、解吸消除CO、NO等污染物。反应机理如下[Pt（s）表示催化剂，右上角带“*”表示吸附状态]：

Ⅰ：NO+Pt（s）=NO（*）        Ⅱ：CO+Pt（s）=CO（*）

Ⅲ：NO（*）=N（*）+O（*）        Ⅳ：CO（*）+O（*）=CO₂+2Pt（s）

Ⅴ：N（*）+N（*）=N₂+2Pt（s）     Ⅵ：NO（*）+N（*）=N₂O+2Pt（s）

尾氣中反应物及生成物浓度随温度的变化关系（如图6所示）。

[教师]三元催化剂有主体和载体两部分构成，主体是催化剂的主要部分，载体是催化剂的支架。你认为应选择何种结构的载体？

[学生]选择表面积大的载体，如做层状结构，可以增大尾气与催化剂的接触面，使反应更充分，提高催化效率。

[追问]层状结构的确可以增大接触面积，还有没有更好的结构呢？

[学生]做成蜂窝状结构，接触面积更大，催化效率更好。

[教师]结合上述资料分析，使用三元催化剂的最佳温度大约是多少？

[学生1]350 ℃左右，从图6左可知，温度从250 ℃升至350 ℃的过程中，反应物浓度急剧减小，说明反应速率急剧加快，此温度下催化剂活性最强，350 ℃时CO和NO的浓度较低。

[学生2]不同意同学1的观点，从图6右看，350 ℃时，有害气体N₂O的浓度较大，说明此时尾气大都转化为N₂O，没有转化为N₂。将温度控制在400 ℃左右比较合适。从图6左看，400 ℃时CO和NO的浓度仍然较低，从图6右看，400 ℃时CO₂和N₂的浓度较高，说明反应以2NO+2CO2CO₂+N₂为主。

[教师点评]对问题的分析不能仅看单一因素，综合分析才有意义。

[教师]结合上图进行分析，哪种品牌的催化器效果更好？

[学生]M品牌催化器效果更好。因为在M催化器催化下总压减小快，即反应速率快，催化效率高。

[教师]评价催化剂优劣的指标有哪些？

[学生汇报]催化剂的优劣指标有高效性、选择性和使用寿命等。

[资料]该研究中心为探究温度对M品牌的催化器催化效果的影响，将固定比例的NO和CO混合气体以一定的流速通过装有该三元催化器的排气管，相同时间内测量尾气中的NO的含量，得出脱氮率（即NO的转化率）随温度的变化关系如下（如图8所示）：

[教师]通过大量数据发现，图中BC段为平衡状态，且平衡脱氮率=m-n×10^-4T²（100℃≤T≤1000℃，m、n为常数），那1000℃时的D点是否表示平衡脱氮率？

[学生1]D点表示平衡脱氮率。尾气转化反应为放热反应，升温平衡逆向移动，脱氮率降低，故D点是平衡点，表示平衡脱氮率。

[教师]同意同学1的观点吗？

[学生讨论]应该用平衡脱氮率=m-n×10^-4T²进行验证。

[追问]什么原因造成D点脱氮率小于平衡脱氮率的呢？

[学生]D点可能因温度过高使催化剂活性降低反应速率减小，在给定的时间反应未达平衡。

[教师点评]催化剂的使用要特别注意催化剂的活性温度。尾气从汽车发动机排出至刚进入三元催化器的温度是800℃左右，经过前级三元催化器的温度是600℃左右，消声器中段的温度下降至300℃左右，在尾段温度为150℃左右，尾气排出时温度为100℃左右。可见，研制尾气经过不同阶段的高效催化剂，对降低汽车尾气中CO和NO的排放意义重大。

5 项目教学评价

该项目式教学以“汽车尾气中有害气体CO和NO的治理”为载体，开展深度学习，旨在着重培养学生“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养。而学生核心素养与能力的培养与提升，仅依靠终结性纸笔测试的评价方式很难全面真实反映学生的学习效果，可采用过程性和表现性评价相结合的方式，根据学生的课堂实际表现来检测项目实施效果（见表4）。

从课堂实时反馈情况来看，大部分学生能在教师的引导下完成任务，建立起工程思维与分析问题的认知模型，并能系统思考分析问题，核心素养得到了很好的发展。实施本项目后，再进行纸笔性测试，学生成绩提高明显，项目实施效果显著。

6 项目教学效果与反思

本项目活动中学生通过完成3个相互关联、逐层递进的学习任务，经历真实情境下问题的解决过程，不仅整合了化学反应的方向、反应限度和速率等知识，且较真实的体验化学知识在实际生产、生活中的应用价值。具体成长表现列举如下：

一是基于项目化学习开展汽车尾气中CO和NO的转化机理探究，通过数据分析了解了汽车尾气转化程度极大，但反应速率极慢的特点，得出采用催化剂提高尾气转化效率的必要性。在解决综合问题的过程中实现了知识的结构化发展，培养了适应社会发展所需的必备品格和关键能力。

二是通过参与精心设计的学习活动，围绕如何提高转化效率进行生生讨论、师生互动等活动，在质疑与探讨中优化了尾气转化反应的条件。树立了“变化观念与平衡思想”，培养了科学态度，实现从学科价值到社会价值视角的进阶发展，发展了高阶思维。

三是关注学生的过程体验，突出实践性、应用性。通过开展汽车尾气中CO和NO的治理分析，学生知道了有害气体產生的原因，明确了如何正确使用汽车，掌握了催化器测评方法，加深了对学科本质的理解。从热力学、动力学视角思考，利用所学知识解决实际问题，形成了解决一般问题的思路与方法。在解决问题的过程中，发展了学科思维和迁移应用的能力，促进了学科核心素养的形成和发展。

教师通过该项目的切身实践，深刻地体会到项目式教学的教学价值和育人功能。

参考文献：

[1]普通高中化学课程标准修订组.普通高中化学课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018：59.

[2]中华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，2020：2.30-33.

[3]王磊，陈光巨. 外显学科核心素养促进知识向能力和素养的转化——北京师范大学“新世纪”鲁科版高中化学新教材的特点[J].化学教育.2019（17）：9-19.

[4]王磊．普通高中教科书·化学必修第一册[M]．济南：山东科学技术出版社，2019：120-125.

[5]王明召，王磊，高盘良．普通高中教科书·选择性必修1化学反应原理[M]．济南：山东科学技术出版社，2019：46.50.

[6] 江合佩.项目化学习设计原理研析——以“设计转化路径实现碳中和的实验方案”为例[J].福建教育：2021（50）：40-43.