林藝玲 江合佩 鄭敏

摘要： ?聚焦“新能源的開發(fā)”社會(huì)熱點(diǎn)問題，以“氫能的利用”為項(xiàng)目主題，融合STEM理念，圍繞“制氫 儲(chǔ)氫 釋氫 用氫”等核心任務(wù)和技術(shù)手段，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問題，突出綜合運(yùn)用化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)等科學(xué)原理解決氫能轉(zhuǎn)化問題，滲透工程思維的培育。融合STEM理念形成物質(zhì)利用的思維模型，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，提高分析和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞： ?氫能的利用; 發(fā)展中的化學(xué)科學(xué); STEM; 項(xiàng)目式學(xué)習(xí); 思維模型

文章編號(hào)： ?1005 6629（2022）08 0053 08

中圖分類號(hào)： ?G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ?B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提出化學(xué)教學(xué)中應(yīng)重視跨學(xué)科內(nèi)容主題的選擇和組織，引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的學(xué)科背景下認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的規(guī)律，發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)[1]。STEM教育追求科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）與數(shù)學(xué)（Mathematics）四個(gè)學(xué)科之間的深度融合，STEM教育的課程與教學(xué)都基于學(xué)生如何“做中學(xué)”而不是“記憶科學(xué)知識(shí)”[2]。STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)方式以基于項(xiàng)目或基于問題解決為主[3]。因此，融合STEM理念的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，對(duì)于發(fā)展學(xué)生在面對(duì)未知復(fù)雜問題的分析和解決能力、促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科思維和綜合素質(zhì)的發(fā)展、提升學(xué)科核心素養(yǎng)具有一定的意義。

1 項(xiàng)目使用說明

“氫能的利用”項(xiàng)目適用于高中二年級(jí)復(fù)習(xí)階段（已完成選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊學(xué)習(xí)）或高中三年級(jí)的學(xué)生。本項(xiàng)目通過三個(gè)進(jìn)階式活動(dòng)任務(wù)的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理，解決“儲(chǔ)氫”和“釋氫”等有關(guān)問題，調(diào)控化學(xué)反應(yīng)。并通過設(shè)計(jì)“制 儲(chǔ) 用”一體化的氫氧燃料電池，關(guān)注氫能源利用中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化，發(fā)展學(xué)生的工程思維，建立融合STEM理念的物質(zhì)利用化學(xué)問題的思維模型。

2 融合STEM理念的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 融合STEM理念的項(xiàng)目主題的確定

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》將“發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)”作為化學(xué)選修課程中的一個(gè)系列，且化學(xué)反應(yīng)原理內(nèi)容是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，學(xué)生對(duì)復(fù)雜體系中的多反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)、多因素分析尚缺乏系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)思路，信息獲取、加工與應(yīng)用的能力較為薄弱。結(jié)合學(xué)生已有的對(duì)化學(xué)能源發(fā)展和氫能前景的了解，遴選出“氫能的利用”作為項(xiàng)目的主題，這一主題也與課標(biāo)要求、難點(diǎn)、學(xué)生經(jīng)驗(yàn)相契合。

氫能是一種綠色的低碳能源，因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為能源革命的關(guān)注熱點(diǎn)。氫經(jīng)濟(jì)被認(rèn)為是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2012—2018年，我國(guó)氫能產(chǎn)量逐漸增加[4]。2019年，“氫能”首次寫入我國(guó)政府工作報(bào)告。當(dāng)前，全國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。氫能的應(yīng)用需要解決氫能源的獲取、儲(chǔ)運(yùn)與轉(zhuǎn)化等技術(shù)問題。

融合STEM理念的“氫能的利用”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)內(nèi)容如圖1所示，綜合運(yùn)用化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)等科學(xué)原理（S）實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，結(jié)合制氫、儲(chǔ)氫、釋氫和原電池等技術(shù)手段（T），滲透綠色化學(xué)和物料循環(huán)利用等工程思維（E），運(yùn)用圖表處理、數(shù)據(jù)分析和建模等數(shù)學(xué)方法（M）加以分析，解決氫能源利用的實(shí)際問題。

2.2 項(xiàng)目任務(wù)的拆解及蘊(yùn)含的學(xué)科核心知識(shí)

根據(jù)真實(shí)情境的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的操作流程[5]和學(xué)習(xí)流程[6]，抽提出有關(guān)氫能利用的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化、反應(yīng)調(diào)控等問題，拆解為三個(gè)進(jìn)階式活動(dòng)任務(wù)，蘊(yùn)含價(jià)類二維、化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科核心知識(shí)，涉及化學(xué)平衡與守恒思想、條件控制與選擇等學(xué)科思維方法，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)理想轉(zhuǎn)化、實(shí)際轉(zhuǎn)化和工程轉(zhuǎn)化的思維進(jìn)階，建構(gòu)解決物質(zhì)轉(zhuǎn)化問題的思維模型?！皻淠艿睦谩本唧w的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)流程如圖2所示，在任務(wù)的完成中突破難點(diǎn)，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3 融合STEM理念的項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

圍繞“氫能的利用”項(xiàng)目主題，基于STEM理念的四個(gè)維度設(shè)計(jì)項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)，如表1所示。

4 融合STEM理念的項(xiàng)目任務(wù)流程設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目任務(wù)中對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)性問題的設(shè)計(jì)（括號(hào)內(nèi)容表示設(shè)問角度側(cè)重STEM的某些維度）、學(xué)生思維建模和認(rèn)知發(fā)展線，如圖3所示，在任務(wù)的完成中發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

5 融合STEM理念的項(xiàng)目學(xué)習(xí)與實(shí)施過程

5.1 情境導(dǎo)入

[STEM情境導(dǎo)入]“氫風(fēng)”襲來。

[展示評(píng)價(jià)]學(xué)生課前通過小組合作、查閱資料，繪制并展示“氫能”主題手抄報(bào)，如圖4所示。

[確定研究主題]氫能的利用需要解決氫能源的獲取、儲(chǔ)運(yùn)與轉(zhuǎn)化等問題。

設(shè)計(jì)意圖： 通過課前學(xué)生收集資料，分組完成“氫能”主題手抄報(bào)，將學(xué)生帶入“氫能的利用”的真實(shí)情境，了解氫能發(fā)展的現(xiàn)狀，確定項(xiàng)目核心問題——如何儲(chǔ)氫與釋氫。

5.2 任務(wù)一： 設(shè)計(jì)車用氫氧燃料電池裝置

[問題]1. 你能想出哪些方法制取氫氣？用化學(xué)方程式表示。

[評(píng)價(jià)]通過學(xué)生分享制取氫氣的化學(xué)原理，了解學(xué)生對(duì)價(jià) 類二維模型的認(rèn)識(shí)水平，如圖5所示。

[問題]2. 根據(jù)原電池的形成條件，請(qǐng)你設(shè)計(jì)車用氫氧燃料電池的裝置（結(jié)合圖示和文字加以說明），并寫出相應(yīng)的電極反應(yīng)式。

[評(píng)價(jià)]根據(jù)不同燃料電池技術(shù)性能參數(shù)，選擇合適的車用燃料電池。

設(shè)計(jì)意圖： 任務(wù)一主要涉及的是理想轉(zhuǎn)化的簡(jiǎn)單問題，因此主要以課前學(xué)案的形式，由學(xué)生自主完成，初步建立從物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化的視角看待氫氣的應(yīng)用，了解制氫和用氫的科學(xué)原理（S）和技術(shù)手段（T），鞏固電化學(xué)的內(nèi)容。

5.3 任務(wù)二： 化學(xué)視角下的儲(chǔ)氫與釋氫

[過渡]氫燃料電池汽車中有一個(gè)裝置——儲(chǔ)氫罐，在工作過程中不斷提供氫氣。當(dāng)然，在公共設(shè)施中，還會(huì)配有加氫站的建設(shè)。

[問題]儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫的原理是什么？請(qǐng)你想想還可以通過哪些方法進(jìn)行儲(chǔ)氫？

[學(xué)生回答]儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫原理為物理儲(chǔ)氫，還可以利用化學(xué)方法儲(chǔ)氫。

[設(shè)計(jì)并評(píng)價(jià)儲(chǔ)氫方案]甲醇存儲(chǔ)氫氣方案，安全高效，降低成本又環(huán)保。并且常溫常壓下，甲醇為液體，儲(chǔ)運(yùn)較為方便。

[理論分析儲(chǔ)氫條件]CO2（g）+3H2（g） CH3OH（g）+H2O（g） ΔH=-49.12kJ·mol-1， ΔS=-177.16J·mol-1·K-1，從化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度分析CO2催化加氫合成甲醇儲(chǔ)氫的條件。

[問題]在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中我們?nèi)绾慰刂品磻?yīng)條件呢？已知體系中還存在副反應(yīng)： ?CO2（g）+H2（g） CO（g）+H2O（g） ΔH=+41.17kJ·mol-1， ΔS=+42.08J·mol-1·K-1。（注： 上述兩個(gè)反應(yīng)a.反應(yīng)溫度為298K，各氣體分壓為100kPa;b.假設(shè)反應(yīng)焓變和熵變不隨溫度的改變而變化）

[合作探究]提供圖表信息，學(xué)生結(jié)合學(xué)案討論： ①反應(yīng)物n（H2）/n（CO2）和壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)的影響;②溫度對(duì)反應(yīng)的影響;③催化劑對(duì)反應(yīng)的影響。

[小組匯報(bào)]學(xué)生繪制的圖像變化大致趨勢(shì)，如圖6所示。

[交流討論]解釋圖像呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)的原因，確定工業(yè)生產(chǎn)條件。

[思維建模]梳理轉(zhuǎn)化率隨溫度變化在極值點(diǎn)前后的分析思維模型。

[分析圖表]不同溫度、不同催化劑對(duì)CO2轉(zhuǎn)化率和甲醇選擇性的影響，見表2。

[小組匯報(bào)]學(xué)生運(yùn)用控制變量法選取合適的反應(yīng)序號(hào)，說明結(jié)論并解釋原因。梳理催化劑對(duì)化工生產(chǎn)的影響。

[學(xué)術(shù)前沿]我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)[7]歷時(shí)6年，首次利用富含硫空位的少層MoS2催化劑實(shí)現(xiàn)低溫、高效、長(zhǎng)壽命催化CO2加氫制甲醇工藝，如圖7所示。MoS2催化劑的活性和選擇性顯著優(yōu)于傳統(tǒng)催化劑，具有優(yōu)異的工業(yè)應(yīng)用潛力。

設(shè)計(jì)意圖： 任務(wù)二由理想轉(zhuǎn)化進(jìn)階到實(shí)際轉(zhuǎn)化，運(yùn)用數(shù)據(jù)處理、圖表等數(shù)學(xué)方法（M），通過小組匯報(bào)分析不同因素對(duì)反應(yīng)的影響（S），突破難點(diǎn)，確定CO2催化加氫儲(chǔ)氫的適宜條件（E），調(diào)控化學(xué)反應(yīng)（T）。并結(jié)合學(xué)術(shù)前沿，激發(fā)學(xué)生的探索熱情。

[過渡]在使用過程中我們?nèi)绾吾寶淠兀?/p>

[比較釋氫方案]方案Ⅰ： 甲醇水蒸氣重整制氫氣： CH3OH（g）+H2O（g） CO2（g）+3H2（g）

ΔH=+49.12kJ·mol-1， ΔS=+177.16J·mol-1·K-1;方案Ⅱ： 甲醇裂解制氫法： CH3OH（g） CO（g）+2H2（g） ΔH=+90.5kJ·mol-1。

[問題]你會(huì)選擇哪種釋氫方案？為什么？

[評(píng)價(jià)釋氫方案]學(xué)生普遍選擇方案Ⅰ，并從綠色化學(xué)、經(jīng)濟(jì)效益、能耗等角度說明理由。

[思維建模]學(xué)生建立工業(yè)生產(chǎn)方案評(píng)價(jià)的思維模型。

[調(diào)控反應(yīng)]已知利用方 案Ⅰ 進(jìn)行釋氫，體系中存在副反 應(yīng)： H2（g）+CO2（g） CO（g）+H2O（g）

ΔH= -41kJ·mol-1， 在某催化劑作用下，相同時(shí)間內(nèi)，隨著溫度的變化，CH3OH轉(zhuǎn)化率和CO生成率如圖8所示。想想哪些措施能提高CH3OH轉(zhuǎn)化率而降低CO生成率？

[學(xué)生思考回答]及時(shí)移出氫氣，選擇適宜催化劑;適當(dāng)提高水醇比等措施。

[技術(shù)手段]除了熱催化釋氫技術(shù)，我們還可以利用光能，采用光催化甲醇重整釋氫技術(shù)[8]，如圖9所示。

[問題]（1） 太陽(yáng)光照下，光催化劑受到光激發(fā)產(chǎn)生光生空穴（h+）和光生電子（e-），具有氧化性的是哪種微粒？

（2） 甲醇的空穴氧化促進(jìn)自身轉(zhuǎn)化成哪種物質(zhì)？

（3） 水在光催化劑表面反應(yīng)的方程式是什么？

[思考回答]從氧化還原角度分析光催化甲醇重整釋氫的轉(zhuǎn)化過程。

設(shè)計(jì)意圖： 通過熱催化釋氫和光催化甲醇重整釋氫技術(shù)（T），體會(huì)不同形式的能量的相互轉(zhuǎn)化，提高學(xué)生對(duì)圖表的分析與應(yīng)用能力（S、 M）。綜合運(yùn)用反應(yīng)原理解決實(shí)際問題，滲透工程思維（E）的培育。

5.4 任務(wù)三： 設(shè)計(jì)“制 儲(chǔ) 用”一體化氫燃料電池裝置

[問題]以甲醇為儲(chǔ)氫介質(zhì)，請(qǐng)你以物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)化為線索，設(shè)計(jì)基于綠色化學(xué)的“制 儲(chǔ) 用”一體化氫燃料電池的簡(jiǎn)易示意圖。

[學(xué)生匯報(bào)]“制 儲(chǔ) 用”一體化氫燃料電池的簡(jiǎn)易示意圖，如圖10。

[評(píng)價(jià)]通過學(xué)生繪制的示意圖，可以看出部分學(xué)生已初步形成對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，具備物料循環(huán)利用和綠色化學(xué)等工程思想，并能加以應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)一體化裝置的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，如圖11所示。這也是我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于液態(tài)太陽(yáng)能燃料的合成研究成果。

[構(gòu)建思維模型]融合STEM理念形成解決氫能源利用化學(xué)問題的思維模型，如圖12所示。

設(shè)計(jì)意圖： 通過“儲(chǔ)氫”“釋氫”，再到“設(shè)計(jì)‘制 儲(chǔ) ?用一體化氫燃料電池”的工程項(xiàng)目，學(xué)生能夠融合STEM理念從原料、能量、裝置等角度建模，形成解決物質(zhì)利用化學(xué)問題的思維模型，發(fā)展遷移創(chuàng)新能力。

6 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)效果及反思

本項(xiàng)目融合STEM理念，通過創(chuàng)設(shè)分析型和設(shè)計(jì)型的任務(wù)，開展“氫能的利用”項(xiàng)目學(xué)習(xí)，解決實(shí)際問題。在課堂教學(xué)實(shí)施過程中，學(xué)生參與度高，能夠積極思考和分析問題。任務(wù)一“設(shè)計(jì)車用氫氧燃料電池裝置”較為簡(jiǎn)單，運(yùn)用課前學(xué)案的形式引導(dǎo)學(xué)生自主完成。在任務(wù)二“化學(xué)視角下的儲(chǔ)氫與釋氫”的實(shí)施過程中，注重工程思維的滲透，通過小組匯報(bào)對(duì)圖表信息和表格數(shù)據(jù)的分析，幫助學(xué)生建立從理想轉(zhuǎn)化到實(shí)際轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)思路，形成確定工業(yè)生產(chǎn)條件的思維模型，如圖13所示。任務(wù)三“設(shè)計(jì)‘制 儲(chǔ) 用一體化氫燃料電池裝置”，通過學(xué)生繪制結(jié)果，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生在解決物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化問題的過程中，能夠融合技術(shù)手段和工程思維加以思考，構(gòu)建思維模型。

教學(xué)實(shí)施后，以“CO2加氫合成甲酸復(fù)雜體系”創(chuàng)設(shè)情境，測(cè)查學(xué)生對(duì)“不同因素對(duì)反應(yīng)的影響、化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控”等問題的遷移情況，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班80%的學(xué)生能夠從化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)綜合視角以及同一體系中主副反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系分析問題，而對(duì)照班在此類問題的分析上，較多學(xué)生認(rèn)識(shí)視角不夠全面或者思路較為混亂。說明融合STEM理念的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，在一定程度上能夠幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)思路。課后在關(guān)于“氫能的利用”發(fā)散思維交流的過程中，不少學(xué)生表達(dá)了對(duì)氫能源發(fā)展和應(yīng)用的強(qiáng)烈興趣，有的學(xué)生還提出了創(chuàng)造性的想法，如圖14所示。雖然這位學(xué)生想法的合理性和可操作性有待商榷，但其創(chuàng)新思維和大膽表達(dá)體現(xiàn)了我們“發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)”項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)意義——科學(xué)就是在不斷修正的過程中發(fā)展的。此外，在一體化裝置的繪制過程中，教師還可以根據(jù)學(xué)情與開放角度由學(xué)生自主繪制，廣開思路，發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科思維和遷移創(chuàng)新能力。

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