劉炯明 竇 卓

（廈門雙十中學，福建 廈門 361000）

元素化合物知識考查在近幾年高考中占比逐年遞增，如何在教學中更好地滲透元素觀、分類觀、轉(zhuǎn)化觀，從而實現(xiàn)元素化合物知識的結(jié)構(gòu)化及核心素養(yǎng)的培育呢？2017 版新課程標準倡導真實問題情境的創(chuàng)設，提倡基于綜合問題解決的主題式教學。［1］項目式教學以真實的情境將學生帶入環(huán)境之中，通過設計任務、活動，讓學生參與真實問題的解決，并在過程中實現(xiàn)核心知識的落地、學科思想方法的養(yǎng)成、學科核心素養(yǎng)的培育。

一、項目的設計分析

（一）情境選擇注重生活性、承載性

人類的生活情境中蘊含著豐富的化學知識、方法和思想。從真實情境中提取問題作為研究對象，可以和學生的生活經(jīng)歷或情感產(chǎn)生交織、碰撞，利于提高學生對學習的投入感。［2］“工業(yè)煙氣脫硫脫硝”是社會熱點問題，其中所蘊含的物質(zhì)轉(zhuǎn)化知識極為豐富，能夠有效承載元素化合物的教學重難點，利于核心知識的提取，也便于任務的拆解與問題的設計。

（二）教學聚焦注重階段性、延伸性

我們可以從“工業(yè)煙氣脫硫脫硝”中抽提出多個教學角度：理論轉(zhuǎn)化、實際轉(zhuǎn)化、工程思維、綠色化學等，在項目設計中應當認識到學生的認知發(fā)展具有階段性并基于此合理設計項目。例如，在高一階段應聚焦于理論轉(zhuǎn)化（類價二維、位構(gòu)性），適當回避動力學熱力學問題，而在高三一輪復習階段除了注重理論轉(zhuǎn)化分析以外，還要凸顯實際轉(zhuǎn)化（熱力學、動力學、分離提純、綠色化學）、工程思維（設備、成本、生產(chǎn)調(diào)控）等，這樣才利于學生在真實情境中重整相對孤立、碎片化的知識，形成一個認知的有機整體。

二、項目的實施

項目從社會熱點問題中遴選出“工業(yè)煙氣脫硫脫硝”作為真實情境，從情境中抽提出具體的學科核心問題，基于建構(gòu)主義理論合理設置三個遞進式任務，并將每個任務分解為多個子任務，由學生根據(jù)任務目標設計方案、實施方案、交流展示和評價改進，形成解決一類問題的思路和模型。［3］（具體教學流程見圖1）

（一）創(chuàng)設情境，建構(gòu)模型

［引入］全球范圍內(nèi)，環(huán)境的保護與治理都是熱門話題，SO2和NOx是大氣主要污染物，大量SO2和NOx的排放對環(huán)境造成了不可逆的破壞，因此對工業(yè)煙氣進行脫硫脫硝是工業(yè)生產(chǎn)中重要的一環(huán)。

［展示］近年來全國工業(yè)SO2和NOx的排放量

任務一：工業(yè)煙氣脫硫、脫硝

［活動1］結(jié)合已學知識，設計脫除SO2的方案，書寫對應化學反應方程式。

［匯報］展示所書寫的化學反應方程式

［交流研討］對上述反應進行歸納，抽提出認識SO2性質(zhì)的角度。

［匯報］物質(zhì)類別維度：SO2屬于酸性氧化物，具備酸性氧化物的通性，能與堿反應，例如反應①。

化合價升降維度：SO2中S 的價態(tài)為+4，處于中間價態(tài)，故SO2具有一定的氧化性與還原性，例如反應②④是利用SO2的還原性進行脫除；反應③是利用SO2的氧化性進行脫除。

［構(gòu)建模型］元素化合物的知識承載了我們對于物質(zhì)性質(zhì)及物質(zhì)間相互轉(zhuǎn)化的理解，脫除SO2的化學反應多樣，可以從物質(zhì)類別和化合價升降的維度分析其轉(zhuǎn)化，并構(gòu)建認識物質(zhì)性質(zhì)與物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的認知模型：類價二維圖（見圖1）。

圖1 S 元素的類價二維圖

［活動2］繪制N 元素的類價二維圖，書寫脫除NOx（NO 與NO2）的化學反應方程式。

［展示］展示類價二維圖與化學反應方程式

［交流研討］反應①屬于從哪個維度脫硝？能否從類維的角度脫硝？

［匯報］反應①涉及元素化合價變化，故屬于價維脫硝。NOx不屬于酸性氧化物，無法從類維脫硝。

［追問］一定條件下，能否利用NH3脫除工業(yè)煙氣中的NOx?

［匯報］結(jié)合類價二維圖可知，NH3與NOx中間還存在其他價態(tài)的N 元素，理論上可以利用NH3還原NOx。

［結(jié)論］類價二維圖是我們分析物質(zhì)理論轉(zhuǎn)化的模型，依據(jù)該模型我們不僅可以找到角度理解物質(zhì)轉(zhuǎn)化，也可以對某些反應進行預測。但該模型僅適用于理論預測，實際情況還要結(jié)合熱力學、動力學進一步分析。

（二）問題升華，理解模型

任務二：工業(yè)煙氣同時脫硫脫硝

［活動1］討論能同時脫除SO2與NOx的方法，并分析該方法從哪個維度同時脫硫脫硝。

［匯報］可以選擇合適的氧化劑或還原劑從價維同時脫除SO2與NOx。

［匯報］直接加入堿液同時吸收SO2與NOx，其中NOx是從價維脫除的，SO2是從類維脫除的。

［追問］已知煙氣中95%的NOx為NO，脫硝時對加入的氧化劑氧化性有何要求？

［匯報］氧化劑氧化性要足夠強，防止只將NO 氧化成NO2。

［拓展］NaClO2氧化吸收法中（反應方程式如下），NaClO2雖然對SO2進行了脫除，但是并未完成脫硝，對于生成的NO2還要用堿液進一步吸收。

［小組討論］利用NH3還原NO 完成脫硝的同時，能否有效脫硫？

［匯報］NH3是堿性氣體，SO2是酸性氣體，若脫硝后往體系中加入水，結(jié)合SO2的類屬通性分析，SO2可以從類維脫除。

［交流研討］煙氣的組成會不會影響堿液吸收法的脫硫脫硝效果？若煙氣組成（除SO2外）有如下四個情況，是否均能實現(xiàn)完全脫除？

①只含NO2②只含NO

③n(NO)∶n(NO2)>1∶1 ④n(NO)∶n(NO2)<1∶1

［匯報］結(jié)合NO 與NO2的性質(zhì)可知情況①能完全脫除，情況②NO 不能脫除。當NO 與NO2同時存在時，其比例為1∶1 時才能完全被堿液吸收，故情況③會剩余NO，情況④剩余的NO2能進一步被堿液消耗，實際工業(yè)處理中一般不單獨采用堿液脫硫脫硝。

（三）真實情境，應用模型

任務三：氯酸氧化法脫硫脫硝工藝分析

［展示］氯酸氧化法脫硫脫硝工藝圖（見圖2）。

圖2 氯酸氧化法脫硫脫硝工藝圖

［活動1］已知在氧化吸收塔中發(fā)生如下兩個反應，請結(jié)合類價二維分析氧化吸收塔中的脫硫脫硝過程。

［匯報］結(jié)合反應可知HClO3能同時氧化NO 與SO2，但有部分NO 轉(zhuǎn)化為NO2，SO2被氧化為H2SO4，所以在氧化吸收塔中完成了脫硫與部分脫硝。

［小組討論］氧化吸收塔中未完全吸收的煙氣將進入堿式吸收塔中進一步處理，請結(jié)合工藝圖、類價二維分析堿式吸收塔中可能發(fā)生的化學反應。

［匯報］堿式吸收塔中含NaOH，可發(fā)生反應：2NO2+2NaOH====NaNO2+NaNO3+H2O；而從價維可知Na2S 作為還原劑能還原NO2，可發(fā)生反應：Na2S+2NO2====Na2SO4+N2。

［交流研討］理論上NaOH 或Na2S 均可處理NO2，為何堿式吸收塔中要同時加入這兩種吸收液？

［匯報］在實際工業(yè)中，除了考慮物質(zhì)轉(zhuǎn)化以外，還需要考慮成本、脫除效率、反應條件、設備等因素。

［活動2］氧化吸收塔中吸收液pH 對脫硫脫硝效率的影響結(jié)果如圖3，請應用類價二維模型進行分析。

圖3 吸收液pH 對脫硫脫硝效率的影響

［匯報］pH 增大使HClO3的氧化性降低，降低了脫硫脫硝效率，兩者曲線均下降。吸收液pH 增大，溶液中OH-濃度增大，可以從類維對SO2進行吸收，但不能吸收NO，所以SO2脫除效率下降幅度相對較小。

［總結(jié)］類價二維是分析物質(zhì)性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的模型，但在實際問題中除了結(jié)合類價二維外，我們還需要結(jié)合熱力學、動力學、綠色化學、工程思維等。

三、項目教學反思

（一）依托活動進階，突破模型認知

項目以構(gòu)建學生對于元素化合物知識的理解模型為目標，將具體的知識賦予于不同的情境中，設問層層遞進，首先在任務一中建立認識SO2性質(zhì)及不同價態(tài)含S 元素物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的類價二維模型；其次在任務二中進一步理解、應用模型，最后在任務三中應用模型分析氯酸同時脫硫脫硝。在這些任務的參與中，學生不僅構(gòu)建了認知模型，同時在模型的應用、升華過程中，也發(fā)展了變化觀念與模型建構(gòu)的核心素養(yǎng)。

（二）關注學生主體，塑造認知視角

項目式學習倡導以學生為主體，讓學生在真實的問題情境中去實踐，并在探究和解決問題的過程中獲得基本知識和技能、關鍵能力和必備品格。［4］本項目基于建構(gòu)主義理論進行知識抽提、問題拆解、活動設計、會話研討并最終實現(xiàn)意義建構(gòu)。考慮到學生的已有知識水平，本項目重點聚焦物質(zhì)的理論轉(zhuǎn)化，還未對物質(zhì)實際轉(zhuǎn)化所涉及的熱力學、動力學、分離提純、綠色化學等知識進行分析，因此建議在高中化學（必修一）模塊復習階段或高三化學一輪復習元素化合物模塊使用本項目教學。

（三）注重教學實踐，遷移項目模型

本項目在教學實踐過程中在實驗班采取項目式教學，在普通班采取常規(guī)教學，對比發(fā)現(xiàn)實驗班學生對于元素化合物知識的認知更為深入，對陌生情境下元素化合物知識的分析準確、角度多維，知識的類比遷移等能力更勝一籌。學生的學習是有階段性的，教學也要注重階段性與適應性，元素化合物知識不僅承載著物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題，背后還蘊藏著更深層次的化學反應原理知識，我們可以基于此項目進一步設計更為深入的任務、活動，從情境中抽提出實際轉(zhuǎn)化所需探討的核心知識及思維，如反應限度、反應速率、工業(yè)生產(chǎn)條件選擇、工程思維等，不斷遷移，幫助學生建構(gòu)更多的認知模型，提升學生的高階思維，實現(xiàn)深度學習。