郭金花

摘要：在“碳中和”情境中，引導(dǎo)學(xué)生提出研究課題“二氧化碳和甲烷重整制合成氣”，思考該課題需要研究反應(yīng)的自發(fā)性，反應(yīng)條件的控制以及催化劑的選擇等內(nèi)容。在還原科學(xué)研究的過程中，融入化學(xué)反應(yīng)方向、反應(yīng)速率和反應(yīng)限度等反應(yīng)原理的深度復(fù)習(xí)。在學(xué)法指導(dǎo)上，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建反應(yīng)焓變認(rèn)知模型、速率與平衡“歸因類”問題解決模型和催化劑認(rèn)知模型。

關(guān)鍵詞：碳中和；情境；化學(xué)反應(yīng)原理；深度學(xué)習(xí)；高階思維

文章編號(hào)：1008-0546（2023）10-0065-07

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.014

最近幾年隨著高考改革的不斷深入，每到高三，學(xué)生在做完幾套高考真題或模擬題后一般會(huì)有這些議論：“有些大題目中的題干信息太陌生了，根本看不懂，不少答案都是蒙的；到了高三，突然感覺化學(xué)跟沒學(xué)過一樣，考的跟學(xué)的好像不是一回事。”從學(xué)生的考試感受中可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)問題：一是高三試題中出現(xiàn)了大量新穎的情境，由于情境的陌生，學(xué)生很難找到答題的準(zhǔn)確方向；二是反映了在平時(shí)的化學(xué)教學(xué)中，尤其是高三化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)中，情境教學(xué)不夠深入，學(xué)生不知道所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用環(huán)境，出現(xiàn)了考教脫節(jié)的現(xiàn)象；三是高三試題的綜合性大大增強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的高階思維能力，解決問題的能力要求大幅提高。因此，在高三復(fù)習(xí)階段，有必要在一定的情境下進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

一、碳中和情境的選擇

情境學(xué)習(xí)的研究者認(rèn)為知識(shí)的發(fā)展、應(yīng)用和情境緊密聯(lián)系在一起，知識(shí)的獲取最好還原到知識(shí)建立的情境中去，同時(shí)再應(yīng)用到具體的情境中才能實(shí)現(xiàn)知識(shí)的發(fā)展，否則知識(shí)就是僵化的知識(shí)，不能再發(fā)展，也不能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。[1]因此無論在平時(shí)的教學(xué)中還是高考命題中都需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)與教學(xué)內(nèi)容或測試任務(wù)融為一體的、豐富而生動(dòng)的、真實(shí)的、有意義的情境。[2]

在高考評(píng)價(jià)體系中，考查要求不僅體現(xiàn)在化學(xué)科學(xué)對(duì)物質(zhì)世界客觀規(guī)律的研究，更是體現(xiàn)在化學(xué)科學(xué)對(duì)新物質(zhì)的創(chuàng)造及在解決關(guān)系人類福祉的關(guān)鍵問題上發(fā)揮巨大的作用。[3]而“碳中和”是我們國家未來幾十年重大發(fā)展戰(zhàn)略，它在解決全球氣候變暖、資源開發(fā)與利用、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、維護(hù)人類健康等人類福祉方面作用顯著。因此，在近兩年化學(xué)高考中均出現(xiàn)了“碳中和情境”，例如2021年全國甲卷第10題，2021年江蘇高考第18題，2022年江蘇高考第12題，第17題（1）等。另一方面，“碳中和”物質(zhì)轉(zhuǎn)化中的能量變化、反應(yīng)方向、反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、催化劑等與化學(xué)反應(yīng)原理密切相關(guān)。因此，選擇在“碳中和”情境下對(duì)“化學(xué)反應(yīng)原理”進(jìn)行復(fù)習(xí)比較妥帖。

二、化學(xué)反應(yīng)原理主題分析

高中化學(xué)反應(yīng)原理主要包括化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)的部分基礎(chǔ)知識(shí)和原理。化學(xué)熱力學(xué)主要研究化學(xué)反應(yīng)的方向與限度，化學(xué)動(dòng)力學(xué)主要研究化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。這部分內(nèi)容是高中化學(xué)的重要組成部分，是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，也是高考的重點(diǎn)和難點(diǎn)。將這部分內(nèi)容融人甲烷和二氧化碳的催化重整科學(xué)研究真實(shí)過程進(jìn)行復(fù)習(xí)，可以讓學(xué)生更深入地理解化學(xué)反應(yīng)的相關(guān)原理及其應(yīng)用。下面將以“二氧化碳和甲烷重整制合成氣”[4]為具體情境進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)原理的深度復(fù)習(xí)。

三、教學(xué)目標(biāo)

1．通過在“碳中和”情境中對(duì)化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性、反應(yīng)條件控制以及催化劑的深度復(fù)習(xí)，強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)方向、反應(yīng)速率和平衡等知識(shí)在真實(shí)情境中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生微觀思維、平衡思維及創(chuàng)新思維等化學(xué)高階思維能力。

2．通過構(gòu)建反應(yīng)焓變認(rèn)知模型、速率與平衡“歸因類”問題解決模型和催化劑認(rèn)知模型，完善和強(qiáng)化學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)歸納能力。

3．通過在“二氧化碳和甲烷重整制合成氣”科學(xué)研究情境中解決化學(xué)反應(yīng)原理問題，讓學(xué)生體會(huì)化學(xué)知識(shí)對(duì)“碳中和”的科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的作用，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的科學(xué)精神，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

四、內(nèi)容結(jié)構(gòu)

化學(xué)反應(yīng)原理主題復(fù)習(xí)內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下（見圖1）。

五、學(xué)習(xí)過程

活動(dòng)1確定研究課題：二氧化碳和甲烷重整制合成氣

【引入】二氧化碳是一種溫室氣體，它對(duì)環(huán)境的影響主要是使全球氣候變暖。同學(xué)們知道近半個(gè)世紀(jì)以來全球各國二氧化碳排放量到底是如何變化的嗎？讓我們來看一段視頻（播放視頻：全球二氧化碳排放量排行榜）?？赐暌曨l你的感受是什么？

【學(xué)生討論】近20年來，中國CO2排放量迅速上升，而美國CO2排放量迅速下降，中國CO2排放量反超了美國。當(dāng)然，中國CO2排放量迅速上升對(duì)環(huán)境造成了極大的危害，但同時(shí)也反映了中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突飛猛進(jìn)。

【教師點(diǎn)評(píng)】觀察很仔細(xì)。有數(shù)據(jù)顯示，2021年全球二氧化碳排放量達(dá)363億噸，其中，中國二氧化碳排放量占全球總量的1/3，居世界第一。同學(xué)們，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)，所以我國于2020年第75屆聯(lián)合國大會(huì)上公開承諾，中國將力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，體現(xiàn)了一個(gè)大國的擔(dān)當(dāng)和責(zé)任。

【提問】同學(xué)們還知道其他溫室氣體嗎？

【學(xué)生討論】甲烷。

【追問】甲烷是世界第二豐富的溫室氣體，它在捕獲大氣熱量方面其效率是CO2的80多倍，有專家提出CH4對(duì)氣候變暖的“貢獻(xiàn)”可能要更甚于CO2。假如你是化學(xué)家的話，根據(jù)前面的討論，要想實(shí)現(xiàn)碳中和，你想研究什么課題呢？

【學(xué)生討論】讓CO2和CH4這兩種溫室氣體反應(yīng)，看看能不能生成為我們所用的新物質(zhì)。

【教師點(diǎn)評(píng)】設(shè)想不錯(cuò)。事實(shí)上可以將CO2和CH4進(jìn)行重整制合成氣（CO和H2），由合成氣可以制備發(fā)動(dòng)機(jī)燃料、甲醇、丁醛、丁醇、光氣、甲酸、草酸等一系列高附加值產(chǎn)品，從而變廢為寶，一舉兩得。

設(shè)計(jì)意圖：目前中國已經(jīng)成為世界CO2排放量最多的國家，學(xué)生深切體會(huì)到中國實(shí)現(xiàn)“碳中和”的必要性．激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的欲望。另一方面，CO2和CH4都是溫室氣體，如何同時(shí)消除這兩種溫室氣體？啟發(fā)學(xué)生自己提出實(shí)現(xiàn)“碳中和”的研究課題：讓CO2和CH4反應(yīng)，生成新的可利用的物質(zhì)，從而培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)以及提出問題的能力。

活動(dòng)2討論反應(yīng)的自發(fā)性

【引入】如果要研究“CO2和CH4重整制合成氣”這個(gè)課題，首先要研究什么問題？

【學(xué)生1】研究溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑等對(duì)重整反應(yīng)的影響。

【學(xué)生2】研究如何提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。

【啟發(fā)】如果你們?cè)O(shè)想的這個(gè)反應(yīng)根本就不能發(fā)生，那么研究那些影響因素或轉(zhuǎn)化率還有意義嗎？

【學(xué)生討論】首先研究這個(gè)反應(yīng)的自發(fā)性即反應(yīng)的方向。

【追問】如何判斷一個(gè)反應(yīng)能否發(fā)生？

【學(xué)生回顧】反應(yīng)自發(fā)性的綜合判據(jù)為：△H<0，△S＞0，一定自發(fā)；△H＜0，△S＜0，低溫易自發(fā)；△H>0，△S＞0，高溫易自發(fā)；△H>0，△S<0，一定非自發(fā)。

【資料呈現(xiàn)】CO2和CH4重整制合成氣的主反應(yīng)：

【學(xué)習(xí)任務(wù)2】思考以上5個(gè)反應(yīng)自發(fā)發(fā)生的溫度條件。

【學(xué)生討論】反應(yīng)I、Ⅱ和Ⅲ的△H>0，△S＞0，高溫有利于反應(yīng)正向自發(fā)；反應(yīng)Ⅳ和V的△H＜0，△S＜0，低溫有利于反應(yīng)正向自發(fā)。

【追問】反應(yīng)I、Ⅱ和Ⅲ都是高溫有利于自發(fā)，為什么？

【學(xué)生討論】根據(jù)吉布斯自由能公式，△G=△H一T△S，若△G<0，能自發(fā)；△G=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)；△G>0，不能自發(fā)（逆向可自發(fā)）。如果△H>0，△S＞0，根據(jù)普斯自由能公式，溫度T高才有可能使△G<0，所以高溫有利于自發(fā)。

【追問】反應(yīng)I、Ⅱ和Ⅲ正向自發(fā)進(jìn)行的最低溫度是一樣的嗎？

【知識(shí)拓展】這個(gè)臨界溫度在數(shù)學(xué)上是可以用一定的公式進(jìn)行計(jì)算的，當(dāng)然這個(gè)公式的推導(dǎo)過程很復(fù)雜，大學(xué)才能學(xué)到。對(duì)于重整反應(yīng)中主反應(yīng)與若干副反應(yīng)的吉布斯自由能隨溫度（500～1000℃）變化的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖上可以找到反應(yīng)I、Ⅱ和Ⅲ正向自發(fā)的最低溫度分別為640℃、820℃和550℃左右，反應(yīng)Ⅳ和V正向自發(fā)的最高溫度分別為550℃和700℃。從圖中還可以直觀地看出有些反應(yīng)溫度越高，吉布斯自由能越小于0，越容易正向自發(fā)；有些反應(yīng)溫度越低，吉布斯自由能越小于0，越容易正向自發(fā)。

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)于“CO2和CH4重整制合成氣”這個(gè)課題的研究，啟發(fā)學(xué)生思考首先要“研究反應(yīng)的方向”，讓學(xué)生明白這個(gè)問題是課題研究的起點(diǎn)。然后引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)主反應(yīng)與副反應(yīng)的特點(diǎn)；從焓變和熵變視角綜合判斷反應(yīng)的自發(fā)性；從埃林漢姆圖尋找主反應(yīng)和副反應(yīng)發(fā)生的溫度臨界點(diǎn)。這些教學(xué)設(shè)計(jì)旨在讓學(xué)生深度認(rèn)識(shí)反應(yīng)的方向與焓變、熵變以及溫度的關(guān)系。

活動(dòng)3討論反應(yīng)條件的控制

【引入】以上分析了反應(yīng)的自發(fā)性。下面我們是不是只希望主反應(yīng)發(fā)生，且反應(yīng)程度越大越好，而副反應(yīng)盡量不發(fā)生，所以接下來又要研究什么問題呢？

【學(xué)生討論】研究如何提高CH4和CO2的轉(zhuǎn)化率，以及如何提高H2和CO的選擇性。

【追問】如何提高CH4和CO2的轉(zhuǎn)化率呢？

【學(xué)生】可以通過控制溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑等反應(yīng)條件提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。

【教師點(diǎn)評(píng)】很好。下面主要討論溫度和CH4/CO2比值對(duì)CH4平衡轉(zhuǎn)化率的影響，尋找合適的反應(yīng)條件。

【學(xué)生任務(wù)1】根據(jù)下圖（見圖4），思考溫度和CH4/CO2的比值對(duì)CH4平衡轉(zhuǎn)化率的影響。

【思考1】溫度升高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率增大的原因？

【學(xué)生討論】CH4出現(xiàn)在反應(yīng)I和Ⅲ中，而這兩個(gè)反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)，溫度升高，平衡常數(shù)增大（或促進(jìn)反應(yīng)I和Ⅲ的正向進(jìn)行或促進(jìn)平衡正向移動(dòng)），甲烷轉(zhuǎn)化率增大。

【思考2】600℃時(shí)，CH4/CO2的值減小，CH4的轉(zhuǎn)化率增大的原因？

【學(xué)生討論】根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)的規(guī)律“提高一個(gè)反應(yīng)物的量會(huì)使另一個(gè)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率提高，而自身的轉(zhuǎn)化率下降”可知，其他條件相同時(shí)，CH4/C02的值減小，CO2相對(duì)于CH4的量增多，促進(jìn)反應(yīng)I中CH4的轉(zhuǎn)化。

【思考3】隨著溫度的升高，不同CH4/CO2的比值下，CH4的轉(zhuǎn)化率趨于相等的原因？

【學(xué)生】從圖可知，溫度較低時(shí)，CH4/CO2的比值對(duì)CH4轉(zhuǎn)化率的影響占主導(dǎo)地位；溫度較高時(shí)，溫度對(duì)CH4轉(zhuǎn)化率的影響占主導(dǎo)地位。

【教師點(diǎn)評(píng)】很好，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了問題的本質(zhì)。能否分析得再詳細(xì)一些？

【學(xué)生討論】在溫度較低時(shí)，隨著CH4/C02比值增大，CO2的量減少，不利于反應(yīng)I中CH4的轉(zhuǎn)化，CH4的轉(zhuǎn)化率較低；但隨著溫度的升高，有利于促進(jìn)反應(yīng)Ⅲ（△H3>0）CH4的分解，多余的甲烷可以靠高溫下甲烷的分解轉(zhuǎn)化掉。因此，在較高CH4/C02比值下，隨著溫度的升高，CH4的轉(zhuǎn)化率上升幅度更大，最終與較低CH4/CO2比值下CH4的轉(zhuǎn)化率趨于相等。

【學(xué)生任務(wù)2】畫圖：結(jié)合圖4和圖5，在下面的坐標(biāo)圖（圖6）上畫出CH4/CO2的比值為1：1時(shí)，溫度從500℃升高到800℃，CH4和CO2的平衡轉(zhuǎn)化率曲線。

【學(xué)生作圖】投影學(xué)生作圖（圖7）。

【提問】同學(xué)們有沒有覺得這個(gè)圖似曾相識(shí)？

【學(xué)生】2021年江蘇高考題最后一道題中有這個(gè)圖（圖8）。

1.01×105Pa下，將n起始（CO2）：n起始（CH4）=1：1的混合氣體置于密閉容器中，不同溫度下重整體系中CH4和CO2的平衡轉(zhuǎn)化率如題1 8圖一1所示（圖8）。800℃下CO2平衡轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)大于600℃下CO2平衡轉(zhuǎn)化率，其原因是▲。

【學(xué)生討論】反應(yīng)I、反應(yīng)Ⅱ的△H>O，相比于600℃， 800℃平衡常數(shù)大（或反應(yīng)正向進(jìn)行程度大），C02消耗的量多；反應(yīng)Ⅲ的△H<0，相比于600 ℃，800℃平衡常數(shù)?。ɑ蚍磻?yīng)正向進(jìn)行程度?。珻O2的生成量少。

【教師點(diǎn)評(píng)】通過剛才的作圖和分析，同學(xué)們是否能體會(huì)到高考題中情境的來源？因此，高考題考查的問題其實(shí)是真實(shí)的科學(xué)研究問題、工業(yè)生產(chǎn)問題等，不是命題老師憑空想象的問題，不僅考查同學(xué)們分析問題、解決問題的能力，更是想讓同學(xué)們領(lǐng)悟我們所學(xué)的化學(xué)是真實(shí)的化學(xué)，有用的化學(xué)。

【思考4】綜合考慮CH4和CO2的轉(zhuǎn)化率，CH4和CO2重整制合成氣適宜的溫度和CH4/CO2的值分別是多少？

【學(xué)生討論】根據(jù)圖4、圖5可知：適宜的溫度為900℃，CH4/CO2的比值為1：1。

【建模】構(gòu)建速率與平衡“歸因類”的問題解決模型（圖9）。

設(shè)計(jì)意圖：從熱力學(xué)角度分析CO2和CH4重整反應(yīng)方向后，接下來需要研究反應(yīng)的限度，即如何通過控制反應(yīng)條件提高反應(yīng)的限度。通過分析溫度和濃度對(duì)反應(yīng)限度的影響，訓(xùn)練學(xué)生多維度思考，質(zhì)疑與批判，邏輯表達(dá)等能力，形成對(duì)速率與平衡“歸因類”問題的一般認(rèn)識(shí)。

活動(dòng)4討論催化劑的選擇

【引入】前面我們從熱力學(xué)的角度分析了反應(yīng)的方向和限度問題，熱力學(xué)的計(jì)算結(jié)果告訴我們，在大于900℃時(shí)，CO2和CH4的轉(zhuǎn)化率是可以達(dá)到將近100%的。但事實(shí)上即使在900℃這樣的高溫下，反應(yīng)速率仍然是較慢的，還不能用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。這個(gè)現(xiàn)象說明了什么問題？該如何解決？

【學(xué)生討論】說明反應(yīng)限度大，不代表反應(yīng)速率就快；還說明CO2和CH4反應(yīng)的活化能很高。可以選擇合適的催化劑改變反應(yīng)的歷程，降低反應(yīng)的活化能，從而加快化學(xué)反應(yīng)的速率。

【教師評(píng)價(jià)】很好。反應(yīng)速率和反應(yīng)機(jī)理的研究屬于化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究。

【追問】CO2和CH4重整適宜的溫度需要900℃，在這樣的高溫下，會(huì)促進(jìn)副反應(yīng)Ⅲ即甲烷的分解反應(yīng)發(fā)生，容易導(dǎo)致積碳的產(chǎn)生，而積碳會(huì)使催化劑失活。根據(jù)以上信息，該反應(yīng)的催化劑需要有怎樣的性能？

【學(xué)生討論】活性高、熱穩(wěn)定性好、抗積碳等。

【教師點(diǎn)評(píng)】科研工作者們研究發(fā)現(xiàn)鎳基催化劑既便宜，催化活性和熱穩(wěn)定性也可以跟貴金屬相媲美，就是抗積碳性能和抗燒結(jié)性能差了一點(diǎn)。因此，鎳基催化劑的積碳失活和改性是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題。

【學(xué)習(xí)任務(wù)1】下圖（圖10）是CO2和CH4在鎳基催化劑作用下的重整機(jī)理模型。已知：“*”表示催化劑活性位點(diǎn)，“CH2*，表示活性亞甲基。注意：除了反應(yīng)物和生成物，其他活性中間體以及催化劑活性位點(diǎn)都在催化劑表面。

（1）CO2和CH4重整反應(yīng)過程可以描述為▲。

（2）寫出總反應(yīng)方程式▲。

【學(xué)生討論】（1）反應(yīng)過程描述：CH4被吸附于Ni催化劑表面，與活性位點(diǎn)作用生成H2和CH2; C02被吸附于Ni催化劑表面，與活性位點(diǎn)作用生成CO和O*；O*與H2結(jié)合生成H20，并從催化劑表面脫附，離開活性位點(diǎn)；H2O與CH2反應(yīng)生成H2和CO*，CO從催化劑表面脫附，離開活性位點(diǎn)。

（2）總反應(yīng)方程式：CH4（g）+CO2（g）=2CO（g）+2H2（g）

【過渡】上圖只畫出了主反應(yīng)的催化機(jī)理。事實(shí)上，在高溫條件下CHi會(huì)進(jìn)一步在催化劑表面分解成CH*，再分解生成C*。同理CO2也可以進(jìn)一步分解出C*。然后這些C*相互聯(lián)結(jié)形成絲狀結(jié)構(gòu)，最后形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（見圖11、圖1 2），包裹催化劑，使催化劑的活性位點(diǎn)被覆蓋，從而使催化劑失去活性。

【學(xué)習(xí)任務(wù)2】科研工作者發(fā)現(xiàn)一定條件下，CH4分解形成碳的反應(yīng)歷程如下圖（圖1 3）所示。該歷程分▲步進(jìn)行，其中，總反應(yīng)速率由第▲步控制。

【學(xué)生討論】反應(yīng)共經(jīng)過4次能壘，因此該歷程分4步進(jìn)行；最高能壘（活化能）步驟即慢反應(yīng)步驟，決定了整個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率，因此總反應(yīng)速率由第4步控制。

【提問】積碳問題是甲烷和二氧化碳重整過程中最大的障礙，鎳基催化劑在抗積碳方面還是比貴金屬差了一些，有沒有辦法解決這個(gè)問題呢？

【學(xué)生討論】①提高圖13中甲烷分解最后一步的活化能，阻止碳的生成。②對(duì)產(chǎn)生積碳的催化劑進(jìn)行燃燒或者與水蒸氣反應(yīng)，消除積碳。

【教師補(bǔ)充】③對(duì)催化劑進(jìn)行改良，例如添加氧化鈣或鈷等不同的助劑可以使積碳減少。

【建模】建構(gòu)催化劑的特點(diǎn)、催化過程和失活原因等認(rèn)識(shí)模型（圖14）。

【總結(jié)與期望】抗積碳催化劑被公認(rèn)為是“甲烷二氧化碳重整”技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的核心難題。同學(xué)們，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，任重但道并不遠(yuǎn)了，希望對(duì)化學(xué)感興趣的同學(xué)將來可以從事催化劑的研究。一方面催化劑研究意義重大，從1901年開始，與催化相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)多達(dá)二十多次，2021年的化學(xué)諾貝獎(jiǎng)就是授予催化劑研究的兩位科學(xué)家。另一方面，未來幾十年，你們正是國家科學(xué)發(fā)展的主力軍，希望你們能夠?yàn)樽鎳贾泻褪聵I(yè)貢獻(xiàn)自己的力量。

設(shè)計(jì)意圖：通過生產(chǎn)事實(shí)讓學(xué)生明白一個(gè)化學(xué)反應(yīng)能發(fā)生且反應(yīng)限度很大并不代表反應(yīng)速率就很快。只有當(dāng)以上三個(gè)條件都具備了，才有實(shí)際生產(chǎn)的意義和價(jià)值。通過CH4與CO2在鎳基催化劑表面反應(yīng)的機(jī)理分析和積碳形成過程中活化能的變化，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到催化劑在改變反應(yīng)歷程、降低反應(yīng)活化能中的作用，形成對(duì)催化劑的特點(diǎn)、催化過程和失活原因的一般認(rèn)識(shí)。

六、教學(xué)反思

1．體會(huì)科學(xué)研究過程，領(lǐng)悟?qū)W科本質(zhì)

化學(xué)反應(yīng)原理的復(fù)習(xí)不能只是簡單重復(fù)學(xué)過的知識(shí)和原理，不能一味地刷題，掌握所謂的解題技巧，而是要適當(dāng)?shù)貙⒒瘜W(xué)反應(yīng)原理融人真實(shí)的科學(xué)研究中，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)研究的過程和方法，感受所學(xué)的化學(xué)知識(shí)是有用的、有趣的。在以科學(xué)研究為載體的學(xué)習(xí)中，讓學(xué)生充分領(lǐng)悟化學(xué)反應(yīng)的方向、速率和平衡、催化劑等化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的學(xué)科本質(zhì)，從而提高解決實(shí)際問題的能力。

2．了解命題情境由來，感受試題呈現(xiàn)

學(xué)生進(jìn)入高三，突然覺得試題變難，原因之一是試題情境的陌生度加大了試題的難度。而學(xué)生平時(shí)所學(xué)的知識(shí)和原理往往是高度抽象的，如何將抽象的知識(shí)和原理還原到實(shí)際問題中，再用這些知識(shí)解決實(shí)際問題，就需要教師查文獻(xiàn)、動(dòng)腦筋，通過文獻(xiàn)中翔實(shí)的數(shù)據(jù)、圖片等，引導(dǎo)學(xué)生分析、思考、作圖，讓學(xué)生領(lǐng)悟高考題中情境和圖像的來源，站在命題者角度理解命題思路，切人命題者“核心指向”，從而準(zhǔn)確尋找到答題角度和方法。

3．分析語言邏輯表達(dá)，訓(xùn)練高階思維

江蘇高考試題難度較大的另一個(gè)原因是語言表述類問題較多，通常有問方案、問過程、問原因、問舉措等。而不少學(xué)生語言表述缺乏科學(xué)性、規(guī)范性和邏輯性，更有不少學(xué)生使用所謂的“套路”，缺乏具體問題具體分析的意識(shí)和思辨的精神。因此，高三教師要多講命題者的設(shè)問邏輯，少講必須按照“標(biāo)準(zhǔn)答案”；多講試題中蘊(yùn)含的學(xué)科本質(zhì)，少講所謂的“技巧”。加強(qiáng)對(duì)試題語言進(jìn)行“文法”和“結(jié)構(gòu)”的分析，提高語言表達(dá)的準(zhǔn)確性；加強(qiáng)對(duì)問題的邏輯分析、歸納綜合、多維度思辨，培養(yǎng)高階思維能力與創(chuàng)新精神。

參考文獻(xiàn)

[1]

Brown，J.S.Collins， A&Duguid，P.Situated Cognition andthe Culture of Learning[Jl. Educational Researcher， 1989，18（1）：32-41．

[2] 中華人民共和國教育部．普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：15-41.

[3] 單旭峰，基于高考評(píng)價(jià)體系的化學(xué)科考試內(nèi)容改革實(shí)施路徑．中國考試，2019，（12）：45-52．[4] 張鳳霞．改性Ni/y-Al20。催化甲烷二氧化碳重整及其熱化

學(xué)回收余熱的研究[D]．云南：昆明理工大學(xué)，2021.