學(xué)科融合視域下高中化學(xué)項目式學(xué)習(xí)

摘要：

以“碳中和”為情境，聚焦碳捕獲協(xié)同轉(zhuǎn)化，開展項目式學(xué)習(xí)。通過尋找“碳中和”的化學(xué)方法、設(shè)計“捕獲-釋放”模式下的“碳中和”化工方案、設(shè)計“釋放-重生”協(xié)同下的“碳中和”電化學(xué)方案和分析評價“富集直接轉(zhuǎn)化”模式下的“碳中和”科研方案的四課時子任務(wù)，實現(xiàn)對二氧化碳捕獲轉(zhuǎn)化設(shè)計的逐步高度耦合。任務(wù)中充分運用“價-類”二維轉(zhuǎn)化模型、電化學(xué)轉(zhuǎn)化模型、工程思維等設(shè)計與評價方案，促進化學(xué)學(xué)科模塊融合，幫助學(xué)生形成物質(zhì)轉(zhuǎn)化的多維認知角度。關(guān)鍵詞：

學(xué)科融合；項目式學(xué)習(xí)；碳中和；碳捕獲協(xié)同轉(zhuǎn)化《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》強調(diào)提高學(xué)生綜合運用知識解決實際問題的能力，注重學(xué)科內(nèi)的融合及學(xué)科間的聯(lián)系，明確學(xué)習(xí)主題，凝練大概念，幫助學(xué)生對知識、問題及社會形成整體性認識［1］。項目式學(xué)習(xí)，在實施過程中能充分調(diào)用學(xué)生的跨學(xué)科知識，促進學(xué)生培養(yǎng)解決陌生復(fù)雜情境中實際問題的能力。精選“碳中和”為情境載體，充分融合學(xué)科內(nèi)模塊核心知識，跨學(xué)科多角度地完成“固碳轉(zhuǎn)化”任務(wù)，突出物質(zhì)轉(zhuǎn)化思路與方案優(yōu)化視角，形成“設(shè)計-評價-優(yōu)化”的螺旋式上升學(xué)習(xí)模式。整個項目多視角、連續(xù)式、進階性地引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)知識技能結(jié)構(gòu)化，發(fā)展學(xué)生的“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”“科學(xué)態(tài)度與社會責任”等學(xué)科核心素養(yǎng)［2，3］。1

項目主題選擇《國家十四五規(guī)劃綱要》強調(diào)，要在2030年實現(xiàn)“碳達峰”，在2060年實現(xiàn)“碳中和”［4］。面對該社會性科學(xué)議題，作為當代中學(xué)生，若能運用所學(xué)知識開展“助力碳中和”等真實問題解決的學(xué)科實踐，將推進認識化學(xué)發(fā)展對促進社會文明進步的重要性，強化社會責任意識［5］。基于此，本項目式學(xué)習(xí)引導(dǎo)學(xué)生從跨學(xué)科“碳中和”解決方案中聚焦二氧化碳“捕獲-釋放-轉(zhuǎn)化”的化學(xué)問題，從元素化學(xué)模塊中的“價-類”二維視角、化學(xué)反應(yīng)原理模塊中“反應(yīng)是否自發(fā)”的電化學(xué)方法視角開展方案設(shè)計，進一步完善物質(zhì)轉(zhuǎn)化的認知視角；融合技術(shù)、能耗、成本、環(huán)境等工程思維，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)的理想轉(zhuǎn)化進階到物質(zhì)的實際轉(zhuǎn)化［6］，實現(xiàn)多維視角分析與評價物質(zhì)的轉(zhuǎn)化方案。整個項目基于“碳中和”理念設(shè)計“碳捕獲協(xié)同轉(zhuǎn)化方案”的核心框架如圖1所示，旨在促進學(xué)科融合，進一步引導(dǎo)學(xué)生明確通過化學(xué)反應(yīng)可以實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，促進人與自然的可持續(xù)發(fā)展，凸顯化學(xué)學(xué)科育人價值［7］。2

項目教學(xué)目標固碳方案設(shè)計活動在初三化學(xué)和高一生物、地理等相關(guān)學(xué)科中略有涉及，但是較為孤立與分散。經(jīng)過高一高二的化學(xué)學(xué)習(xí)，學(xué)生已初步具備“價-類”二維物質(zhì)轉(zhuǎn)化模型、電化學(xué)模型、熱力學(xué)-動力學(xué)綜合視角等必備知識。在高三階段化學(xué)學(xué)習(xí)時，如何從學(xué)科融合的更高視角再審視“碳中和”理念下二氧化碳的捕獲轉(zhuǎn)化過程？基于上述需求，本項目學(xué)習(xí)從真實復(fù)雜情境中抽提化學(xué)問題，開展“尋找‘碳中和的化學(xué)方法、設(shè)計‘捕獲-釋放模式下的‘碳中和化工方案、設(shè)計‘釋放-重生協(xié)同下的‘碳中和電化學(xué)方案和分析評價‘富集直接轉(zhuǎn)化模式下的‘碳中和科研方案”的四課時子任務(wù)，實現(xiàn)知識遠遷移。具體學(xué)習(xí)目標如下：（1）能從物質(zhì)類別和元素價態(tài)等視角設(shè)計CO2捕獲和轉(zhuǎn)化的方案。能有意識地從工程思維和綠色化學(xué)等角度評價與優(yōu)化CO2捕獲轉(zhuǎn)化的工藝流程，建構(gòu)真實意義上的工業(yè)方案的設(shè)計與優(yōu)化的思維模型。（2）能分析、解釋CO2轉(zhuǎn)化的電化學(xué)裝置工作原理，并能圍繞流程集約目標，設(shè)計與優(yōu)化CO2轉(zhuǎn)化的電化學(xué)裝置。能綜合考慮電化學(xué)裝置中的物質(zhì)變化、能量變化以及工藝優(yōu)化等進行方案決策，解決實際問題。（3）能根據(jù)具體的CO2轉(zhuǎn)化的科研成果，有意識地從技術(shù)、能耗、成本、環(huán)境等多維視角收集證據(jù)，進行循證分析，合理評價與交流。（4）通過“碳中和”方案的迭代優(yōu)化設(shè)計、展示與交流，認識化學(xué)科學(xué)與技術(shù)的不斷創(chuàng)新是解決人類社會發(fā)展中遇到的問題、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，進一步喚醒學(xué)習(xí)化學(xué)科學(xué)的興趣和激發(fā)探索未知世界的熱情。3

項目任務(wù)與教學(xué)流程本項目圍繞“碳中和”理念，以設(shè)計碳捕獲轉(zhuǎn)化協(xié)同方案為學(xué)習(xí)抓手，展開項目式學(xué)習(xí)，包括項目先導(dǎo)課、設(shè)計交流課、展望總結(jié)課三種課型，整體項目任務(wù)的架構(gòu)與教學(xué)流程如圖2所示。項目任務(wù)環(huán)環(huán)相扣，逐步進階，引導(dǎo)學(xué)生在自主設(shè)計的“碳捕獲-碳釋放-碳轉(zhuǎn)化”經(jīng)典方案的基礎(chǔ)上，逐步實現(xiàn)“捕獲-釋放”“釋放-轉(zhuǎn)化”等步驟的耦合優(yōu)化，明確碳捕獲轉(zhuǎn)化協(xié)同的發(fā)展趨勢。4

項目實施在項目先導(dǎo)課中，從思政的角度引出碳達峰、碳中和理念，進行生態(tài)教育，構(gòu)建人類命運共同體意識，以化學(xué)、生物學(xué)、地理、思想政治等跨學(xué)科多維視角，進行固碳方案暢想。聚焦化學(xué)方案，明確利用電化學(xué)方法實現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化為其他有價值的碳基產(chǎn)品（C2+產(chǎn)品）的非自發(fā)過程。整節(jié)課幫助學(xué)生建立從復(fù)雜情境中提煉化學(xué)問題的一般思路，也讓學(xué)生明確碳捕獲轉(zhuǎn)化協(xié)同項目的核心任務(wù)與意義，促進學(xué)生知、情、意、行的統(tǒng)一。在設(shè)計交流課和展望總結(jié)課中，從“教-學(xué)-評”一體化的思路開展方案設(shè)計、學(xué)生自評、生生互評、師生互評，從方案評價和任務(wù)評價的雙重視角推進方案的逐級優(yōu)化，并逐步實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化多維視角的形成和方案評價思維模型的建立［8］，實現(xiàn)學(xué)科內(nèi)模塊間的有機融合。該部分的課型模式如圖3所示。以下為課時2～4的核心活動實施過程。4.1

設(shè)計“捕獲-釋放”模式下的“碳中和”化工方案［教師］將CO2捕獲、適時釋放，然后轉(zhuǎn)化為其他有價值的碳基產(chǎn)品（C2+產(chǎn)品），看上去僅需用“堿捕獲-酸釋放-電化學(xué)轉(zhuǎn)化”即可實現(xiàn)。但真實實施過程中還需要關(guān)注哪些問題呢？4.1.1

遷移運用SO2尾氣處理方案［教師］工業(yè)化進程中，化學(xué)家為緩解SO2對環(huán)境造成的影響，嘗試了如下多種脫硫方法。試分析與評價各個方案的優(yōu)缺點。［學(xué)習(xí)支持］工業(yè)上常見脫硫方法：活性炭吸附法、鈣基固硫法（即用生石灰和含硫的煤混合后燃燒）、氨水脫硫法（即用霧化的氨水與煙氣中SO2直接接觸吸收）、石灰-石膏法（即利用石灰乳吸收SO2后經(jīng)氧化轉(zhuǎn)化為石膏）、雙堿脫硫法（即利用燒堿吸收SO2，再利用熟石灰再生）等。［學(xué)生1］活性炭吸收效率較低；鈣基固硫方法中固體-氣體接觸效率有限但原料廉價，石灰-石膏法吸收效率相對更高；氨水脫硫法效率較高，還可生成氮肥副產(chǎn)品；雙堿脫硫法吸收效率較高但流程較復(fù)雜。［學(xué)生2］氨水脫硫法需要霧化可能對設(shè)備要求較高；石灰-石膏法產(chǎn)生的石膏容易堵塞管道；雙堿脫硫法可以實現(xiàn)堿的再生與循環(huán)利用。［教師過渡］大家能從吸收效率、設(shè)備需求、循環(huán)利用等多角度來評價經(jīng)典的脫硫方案，非常難能可貴，這些視角對同為酸性氧化物的CO2捕獲釋放轉(zhuǎn)化過程有何啟發(fā)？請大家開展方案設(shè)計。4.1.2

CO2捕獲與釋放方案設(shè)計［項目設(shè)計引導(dǎo)］進行工藝流程范式展示，對學(xué)生的方案設(shè)計進行規(guī)范化。［組內(nèi)交流］請各位同學(xué)以小組為單位，進行CO2捕獲釋放轉(zhuǎn)化方案的交流，并根據(jù)剛才了解到的評價視角，進行組內(nèi)評價，并進行方案優(yōu)化。［方案展示］部分小組學(xué)生設(shè)計優(yōu)化后的碳捕獲釋放轉(zhuǎn)化方案如圖4所示。［組間互評1］方案a借鑒侯氏制堿法和氨水脫硫法，保證碳捕獲的高效率；聯(lián)合海水開發(fā)利用、化肥和純堿制取等過程，多種產(chǎn)品的產(chǎn)出讓流程價值最大化。但流程過于繁瑣，且使用到氨氣等要注意安全性和腐蝕作用，最終獲得的二氧化碳含有一定量的水蒸氣等對后續(xù)轉(zhuǎn)化要求比較高。［組間互評2］方案b借鑒雙堿吸收法，實現(xiàn)NaOH的重生，提高了捕獲效率且降低了成本。整個方案物質(zhì)循環(huán)利用意識強，但過程較復(fù)雜，且加熱CaCO3分解耗能大。a

借鑒侯氏制堿法設(shè)計的方案b

借鑒雙堿吸收法設(shè)計的方案［文獻比對］對比“捕獲-釋放”模式下經(jīng)典的固碳化工方案［9］，明確自身方案優(yōu)缺點。［教師點評］方案百花齊放，體現(xiàn)同學(xué)們的深度思考。綜合產(chǎn)品價值、循環(huán)利用、能耗等因素，方案通過兩三輪的修改已經(jīng)逐步趨于成熟。其中方案b更是極為接近文獻中的固碳方案，同學(xué)們的智慧可圈可點?！安东@-釋放”模式下的“碳中和”化工方案原理較簡單，但實施過程較為復(fù)雜且粗放，我們有沒有可能實現(xiàn)更加集約化的方案？設(shè)計意圖：在建立“碳中和”理念后，引導(dǎo)學(xué)生充分調(diào)用元素化學(xué)知識，實現(xiàn)碳捕獲轉(zhuǎn)化方案。通過分析課內(nèi)脫硫工藝方案實現(xiàn)知識的遷移應(yīng)用，突顯價-類二維的理想轉(zhuǎn)化和現(xiàn)實工程的實際轉(zhuǎn)化的差異，幫助學(xué)生建立“設(shè)計-評價-優(yōu)化”工藝路線的思路。4.2

設(shè)計“釋放-重生”協(xié)同下的“碳中和”電化學(xué)方案4.2.1

CO2“堿捕獲酸釋放”過程再審視［教師］如何評價堿捕獲酸釋放的方法？［學(xué)生］原理簡單，操作簡便，在不考慮成本時，是實現(xiàn)CO2捕獲釋放的最佳方案。［教師］從孤立視角看問題往往過于片面化，但各位同學(xué)已經(jīng)開始有全盤考慮的意識了。既然使用酸、堿等原料有利于CO2捕獲釋放，是否有可能在CO2捕獲釋放過程中耦合酸堿生產(chǎn)過程？［學(xué)生1］像“區(qū)域地理”課程中提到的，聯(lián)合酸制造工廠和堿制造工廠，形成產(chǎn)業(yè)鏈。［學(xué)生2］類似于氯堿工業(yè)，搭建電化學(xué)裝置，提供酸性、堿性溶液。4.2.2

CO2的電化學(xué)捕獲-釋放裝置設(shè)計［學(xué)習(xí)支持］工業(yè)上常利用雙極膜進行海水淡化，并獲得酸和堿溶液；工業(yè)上利用雙極膜和陰膜組合電滲析法，處理pH＜6時的HSO-3溶液，可直接獲得再生SO2-3吸收液和含較高濃度HSO-3溶液。［項目設(shè)計引導(dǎo)］借鑒前人智慧，你能否設(shè)計更集約化的CO2捕獲-釋放方案？［方案展示］學(xué)生經(jīng)過個人設(shè)計、組內(nèi)交流、組間交流再優(yōu)化后的電化學(xué)CO2的捕獲-釋放方案如圖5所示。［小組匯報］受到海水淡化的啟發(fā)，最開始設(shè)計利用陰、陽離子交換膜構(gòu)建的電化學(xué)裝置（第一版方案），制備鹽酸和NaOH溶液。堿性物質(zhì)用于CO2捕獲，酸性物質(zhì)用于CO2釋放，傳統(tǒng)的工藝流程耦合電化學(xué)制備后，避免了過多的復(fù)雜的工藝流程來實現(xiàn)捕獲劑NaOH的重生。電化學(xué)的電能可利用太陽能、風(fēng)能等方式獲得，繼而實現(xiàn)方案的綠色環(huán)保。后續(xù)交流過程中，受到其他小組的啟發(fā)，進一步優(yōu)化成CO2的釋放也耦合并入電化學(xué)裝置中，進一步減少了流程的繁瑣（第二版方案）（見圖5）。［文獻比對］對比文獻［10］中利用電化學(xué)設(shè)計的固碳方案，思考不同方案間的設(shè)計出發(fā)點。［教師］該小組不同階段的兩個設(shè)計版本，讓大家看到交流的力量。是大家的思維碰撞一步一步使方案變得更加富有創(chuàng)意。最終的方案CO2的釋放和捕獲劑的重生集約化程度非常高，與文獻中的設(shè)計不謀而合。當然，也看到了二者在電解液上的差異，這是實際生產(chǎn)過程中從物理學(xué)科電解電壓方面所作的考慮。所以一套方案需要跨學(xué)科知識的相互助力，才能更加完善。設(shè)計意圖：在“碳中和”化工方案的基礎(chǔ)上，進一步引導(dǎo)學(xué)生利用電化學(xué)裝置進行流程的耦合，修正和優(yōu)化方案。學(xué)生逐步搭建物質(zhì)轉(zhuǎn)化的多維視角模型，建立從轉(zhuǎn)化效率、工藝難度、能耗成本等角度進行評價的思維模型，實現(xiàn)核心素養(yǎng)的逐步提升。4.3

分析評價“富集直接轉(zhuǎn)化”模式下的“碳中和”科研方案［教師過渡］從工藝流程和電化學(xué)視角，大家已經(jīng)成功設(shè)計出多種CO2捕獲-釋放轉(zhuǎn)化方案。但無法避免地都出現(xiàn)工藝較為復(fù)雜，流程較為繁瑣的情況。是否存在更加集約、捕獲-釋放轉(zhuǎn)化耦合程度更高的方案呢？從生物學(xué)科光合作用機理啟發(fā)，科學(xué)家們致力于研發(fā)新型轉(zhuǎn)化體系等實現(xiàn)CO2富集直接轉(zhuǎn)化。4.3.1

富集直接轉(zhuǎn)化方案的評價［教師］化學(xué)工作者設(shè)計出如圖6所示三種富集CO2后直接電化學(xué)轉(zhuǎn)化為有價值的碳基產(chǎn)品方案［11］。試對三種分案進行比較分析。［學(xué)習(xí)支持］方案一：將利用堿溶液捕獲CO2，并直接進行電化學(xué)還原。CO2+OH-HCO-3；2HCO-3+2e-CO+2OH-+CO2－3方案二：利用胺類離子液體（非水溶劑）捕獲CO2并直接電化學(xué)還原。方案三：利用共價有機框架捕獲CO2，并直接在水溶液中電還原。捕獲后CO2結(jié)構(gòu)彎曲，需要的還原電壓較低。a堿液捕獲轉(zhuǎn)化b離子液體捕獲轉(zhuǎn)化c有機框架材料捕獲轉(zhuǎn)化［學(xué)生1］方案a原理較簡單，但可能存在轉(zhuǎn)化析氫副反應(yīng)較多的情況。方案b使用非水溶劑，能有效避免析氫副反應(yīng)，但是使用胺類離子液體，還存在轉(zhuǎn)化電壓較高的問題。方案c既能降低析氫副反應(yīng)問題，又能處于水溶液體系保證適當?shù)霓D(zhuǎn)化電壓，但存在研發(fā)成本較高等問題。［學(xué)生2］方案a過于理想化。方案b可能存在科研投入費用高、有機物有毒等問題。但相對方案c新材料的研發(fā)成本，方案b可能更具有推廣性。［教師］整體而言，以“碳中和”為目標的碳捕獲轉(zhuǎn)化協(xié)同方案朝著更加集約耦合的方向發(fā)展。大家也越來越能帶著發(fā)展眼光來設(shè)計與評價不同方案。為什么耦合方案成為趨勢？4.3.2

從能耗視角分析碳捕獲-釋放轉(zhuǎn)化耦合方案［教師］請通過繪制耦合程度不同的轉(zhuǎn)化過程體系能量變化圖，進一步闡述富集直接轉(zhuǎn)化方案的特點。［文獻比對］學(xué)生嘗試勾畫能量變化圖，并與圖7所示文獻圖像［12］進行比對分析。［學(xué)生］對于富集直接轉(zhuǎn)化，其反應(yīng)歷程為：低濃度CO2被捕獲→CO2還原過渡態(tài)→還原產(chǎn)物CO。而對于經(jīng)典的先捕獲后釋放轉(zhuǎn)化，其反應(yīng)歷程為：低濃度CO2被捕獲→CO2釋放過渡態(tài)→高濃度CO2→CO2還原過渡態(tài)→還原產(chǎn)物CO。相比之下，富集直接轉(zhuǎn)化方案省略了CO2釋放和捕獲劑重生的步驟，方案更加集約，能耗更低，是未來發(fā)展的趨勢。設(shè)計意圖：從項目初始的方案設(shè)計到項目最終對科技前沿方案進行分析與評價，進一步外顯學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和核心素養(yǎng)，認識真實情境下實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的多維視角，形成真實情境下物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思維模型，如圖8所示。在整個項目式學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生對碳捕獲轉(zhuǎn)化的學(xué)科理解、跨學(xué)科解決實際問題的能力以及創(chuàng)新意識等均獲得持續(xù)增長，逐步達到化學(xué)學(xué)科解決問題的價值認同與低碳行為的情感認同，如圖9所示。5

項目效果與反思5.1

情境的深度解構(gòu)促進項目式學(xué)習(xí)開展本項目將人類面臨的“碳中和”的真實問題解構(gòu)成逐級進階的四課時子任務(wù)，使學(xué)生始終圍繞“碳中和”的方案設(shè)計展開活動，進而形成情感共鳴，持續(xù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機。在項目最初實施過程中，由于真實的工藝方案與課內(nèi)理想體系存在較大差異，使得設(shè)計任務(wù)對于學(xué)生而言挑戰(zhàn)性過高，耗時過長。因此，本項目對各課時的情境進行深度整合優(yōu)化，引入SO2尾氣處理等經(jīng)典工藝模型作為知識生長點，利用指定角度、提示角度等方式調(diào)控問題難度，實現(xiàn)小起步、逐級深入的真實的CO2捕獲轉(zhuǎn)化方案設(shè)計。多次實踐證明，以上情境的深度解構(gòu)有效地提高了課堂中設(shè)計任務(wù)的推進效率，再結(jié)合教師的節(jié)奏把控，可使學(xué)生聚焦于核心任務(wù)的解決，形成從實際問題到課內(nèi)經(jīng)典模型再到真實的工藝流程方案的思維路徑，使學(xué)科實踐得以實現(xiàn)。5.2

開放性任務(wù)促進學(xué)科融合與知識結(jié)構(gòu)化本項目設(shè)計的較高開放度的核心任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生多角度思考，促進了學(xué)科模塊內(nèi)的知識融合與跨學(xué)科實踐，如集約化CO2捕獲-釋放的電化學(xué)裝置設(shè)計等。在項目實施過程中，學(xué)生能調(diào)動已有知識設(shè)計出多種有一定思維深度的方案，甚至能結(jié)合國家政策法規(guī)以及生物、地理學(xué)科知識進行設(shè)計意圖的闡釋，充分激發(fā)了學(xué)生的主觀能動性。教師在學(xué)生實踐過程中需要適時給予必要的鼓勵與學(xué)習(xí)支持，如從能量視角評估方案優(yōu)劣勢、從循環(huán)視角關(guān)注工業(yè)原料成本優(yōu)化等，從而關(guān)注不同層次學(xué)生的素養(yǎng)發(fā)展，避免學(xué)生因任務(wù)的開放性而造成問題解決方向的迷茫與隨意。在開放的方案評價任務(wù)中，學(xué)生在課時1～2中較多地以孤立的視角進行評價，沒有形成系統(tǒng)的分析思維。通過不斷引導(dǎo)學(xué)生組內(nèi)觀點交流、繪制評價思維導(dǎo)圖和組間交流匯報，多數(shù)學(xué)生能在課時3～4中形成多角度評價的思