王朝暉

摘? ?要：通過“化學(xué)反應(yīng)原理”選修模塊的項目式教學(xué)案例，以“乙醇和水蒸氣反應(yīng)制備氫氣”為項目學(xué)習(xí)主題，以討論生產(chǎn)條件的優(yōu)化為項目學(xué)習(xí)活動，呈現(xiàn)了高三復(fù)習(xí)課的教學(xué)設(shè)計和實踐過程。為在高三復(fù)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科關(guān)鍵能力的教學(xué)實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：項目式教學(xué);關(guān)鍵能力;高三化學(xué);原理復(fù)習(xí)

化學(xué)反應(yīng)速率及化學(xué)平衡理論是中學(xué)化學(xué)重要的核心知識，應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率及化學(xué)平衡理論解決實際問題是高考常見題型，這類題以實際反應(yīng)為背景，信息多以圖像、表格數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)。需要學(xué)生具備獲取信息能力，理論聯(lián)系實際能力和思維能力。這類題的考查直指化學(xué)學(xué)科的關(guān)鍵能力——分析問題和解決問題的能力。如何在高三復(fù)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科關(guān)鍵能力，應(yīng)用項目式教學(xué)復(fù)習(xí)是有效途徑。項目式教學(xué)是在真實情境下，讓學(xué)生經(jīng)歷成果導(dǎo)向下的綜合任務(wù)完成過程，對培養(yǎng)學(xué)生形成真實情境下的復(fù)雜問題解決思路、實踐應(yīng)用、遷移創(chuàng)新能力有獨特的功能和價值。

1? 項目學(xué)習(xí)主題的確立

“乙醇和水蒸氣反應(yīng)制備氫氣”是基于項目式學(xué)習(xí)理論設(shè)計和實施的高三復(fù)習(xí)課程。以往高三的復(fù)習(xí)以知識梳理和習(xí)題講練為主，本案例圍繞“乙醇和水蒸氣反應(yīng)制備氫氣”開展項目式學(xué)習(xí)活動，切實實現(xiàn)復(fù)習(xí)課的知識結(jié)構(gòu)化，問題解決的思路化，有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科關(guān)鍵能力。

1.1? 教學(xué)內(nèi)容在社會發(fā)展的實際應(yīng)用價值

由于燃料電池的迅速發(fā)展 ，氫氣作為清潔的二次能源將被廣泛的應(yīng)用。通過利用生物質(zhì)或食品、畜牧業(yè)的廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇是可再生的潔凈能源。利用得到的乙醇來制備氫氣對比傳統(tǒng)用煤和水反應(yīng)制備氫氣，該方法可以減少對不可再生能源的依賴，同時乙醇制氫氣中釋放出來的CO2 可以在植物生長過程中經(jīng)光合作用形成閉合循環(huán) ，亦即不增加溫室氣體 ， 因此研究開發(fā)乙醇制氫技術(shù)對保護環(huán)境具有十分重要的意義[ 1 ]。

1.2? ?教學(xué)內(nèi)容對學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的價值

從素養(yǎng)發(fā)展的角度看，“乙醇和水蒸氣反應(yīng)制備氫氣”項目的學(xué)習(xí)有助于進一步發(fā)展學(xué)生的“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。從學(xué)科能力的角度看，化學(xué)平衡是高中化學(xué)學(xué)習(xí)的重點和難點，對其它平衡體系的學(xué)習(xí)具有重要的指導(dǎo)意義。構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)的限度、平衡移動及速率的核心關(guān)聯(lián)，綜合利用平衡解決實際問題具有較大的挑戰(zhàn)，能有效促進學(xué)生學(xué)科能力的發(fā)展和素養(yǎng)的形成。

1.3? 項目教學(xué)目標(biāo)

（1）通過探究溫度、壓強、水醇比的討論探究反應(yīng)理論適宜條件，培養(yǎng)探究能力;

（2）通過如何選擇合適的催化劑，分析在實際生產(chǎn)中條件選擇，提高解決實際問題的能力;

（3）通過在真實情景中的探究活動，進行多角度思考、基于證據(jù)的科學(xué)推理，形成運用熱力學(xué)、動力學(xué)和工程思想系統(tǒng)解決問題的思維模型。

2? 項目式任務(wù)及教學(xué)流程

2.1? 項目設(shè)計思路

“能從多角度認(rèn)識化學(xué)變化，能基于證據(jù)系統(tǒng)推理、分析解決問題，能對生產(chǎn)和生活中的化學(xué)問題提出創(chuàng)造性的建議”，這是新課標(biāo)對當(dāng)下化學(xué)教學(xué)的要求[ 2 ]。本節(jié)課設(shè)計基于上述要求，本著“基于真實情景”這一主線展開。從工業(yè)生產(chǎn)中重要原料氫氣的制備引入新課，通過討論、交流、指出現(xiàn)有方法的不足：不環(huán)保、能源消耗大。通過探究生物乙醇制備氫氣的可行性討論，讓學(xué)生參與運用所學(xué)知識綜合分析，解決實際問題的過程。通過項目活動幫助學(xué)生建立科學(xué)解決問題的基本途徑和方法，培養(yǎng)基于證據(jù)系統(tǒng)分析、推理、解決問題能力，從而突破本節(jié)課難點。同時讓學(xué)生體會科學(xué)探究過程中的科學(xué)精神，科學(xué)方法與工程化思想，使學(xué)生了解化學(xué)知識在生活中的應(yīng)用，體會化學(xué)對經(jīng)濟、社會發(fā)展的重要貢獻，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和熱情。

2.2? 項目教學(xué)流程

項目學(xué)習(xí)包含三個核心環(huán)節(jié)，即從能量及反應(yīng)限度的角度思考該反應(yīng)開發(fā)利用的價值;從實際生產(chǎn)的角度思考如何選擇適宜的反應(yīng)條件;從工程、社會發(fā)展的角度形成解決問題的一般思路。按照這樣的想法，為使學(xué)生能順利完成學(xué)習(xí)任務(wù)，設(shè)計教學(xué)流程如表1所示。

2.3? 項目實施

項目實施以【學(xué)習(xí)活動】為例，學(xué)生在前面的復(fù)習(xí)中學(xué)習(xí)反應(yīng)自發(fā)性的判斷、平衡和速率的影響因素，對反應(yīng)有一定的認(rèn)知基礎(chǔ)，且經(jīng)過前一階段的復(fù)習(xí)，積累了綜合分析問題，解決問題的知識儲備。學(xué)習(xí)活動具體實施過程如下。

【學(xué)習(xí)活動】：從熱力學(xué)角度分析“乙醇與水反應(yīng)制備氫氣”的可行性。

【思考討論】工業(yè)制備氫氣有哪些方法？傳統(tǒng)的這些方法有哪些不足。

【歸納總結(jié)】（1）水煤氣法：C+2H2O=CO2+2H2 ，煤炭是不可再生資源。

（2）電解水法：2H2O=2H2+O2，電解得到100克氫氣耗電5.62kWh，耗能大。

【問題Ⅰ】從熱力學(xué)的角度分析乙醇、水蒸氣制氫氣的反應(yīng)趨勢。

【交流研討】計算乙醇與水反應(yīng)制備氫氣的反應(yīng)熱，依據(jù)乙醇和氫氣的燃燒熱計算可得：

C2H5OH（g）+3H2O（g）=2CO2 （g）+6H2（g），ΔH=+225.6kJ·mol-1 ，ΔH﹥0，ΔS﹥0? ?。

【結(jié)論】計算所得該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，并且反應(yīng)的熵是增加的，所以升溫有利于反應(yīng)朝自發(fā)方向進行。

【問題Ⅱ】從熱力學(xué)的角度分析乙醇、水蒸氣制氫氣的平衡常數(shù)。

依據(jù)C2H5OH（g）+3H2O（g）=2CO2（g）+6H2（g），ΔH=+225.6kJ·mol-1 ， Kp=。

【結(jié)論】由于ΔH﹥0，溫度升高，Kp增大。

【問題Ⅲ】從熱力學(xué)的角度分析，如何提高乙醇水蒸氣制氫氣的平衡轉(zhuǎn)化率？（圖中xi為各物質(zhì)在體系中的百分含量）

【結(jié)論】從圖1可知，常壓下，水醇比一定時，溫度越高，平衡轉(zhuǎn)化率越高，但生產(chǎn)實際中從能耗的角度考慮選擇700～800K。從圖2可知，常壓下，相同溫度下，水醇比越大，乙醇的平衡轉(zhuǎn)化率越高，但水醇比為1：8以后轉(zhuǎn)化率增加就不顯著了，所以生產(chǎn)中一般選擇水醇比為8。

【歸納總結(jié)】乙醇和水蒸氣制備氫氣適宜條件的選擇。乙醇和水蒸氣制備氫氣是個體積增加的反應(yīng)，雖然減壓有利于平衡正向移動，但減壓造成的濃度降低又會減低單位時間內(nèi)的產(chǎn)率，所以生產(chǎn)實際中通常選擇常壓生產(chǎn)。所以，對于乙醇和水蒸氣制備氫氣適宜條件的選擇，必須綜合上述多個因素，多角度進行思考，綜合分析后做出合理選擇。

3? 總結(jié)

項目式教學(xué)通過一系列驅(qū)動性任務(wù)，促使學(xué)生運用核心知識解決問題。面對從真實情境中凝練出來的若干問題，運用學(xué)科知識從多角度進行思考，實現(xiàn)復(fù)習(xí)課中“能力外顯化、知識結(jié)構(gòu)化、解決問題思路化”的功能。從而有效提高高三復(fù)習(xí)效率，提升學(xué)生在復(fù)雜環(huán)境下分析問題、解決問題的學(xué)科關(guān)鍵能力。微項目的開發(fā)可以基于新聞如里約奧運會泳池水變綠了引發(fā)消毒劑的討論，也可以源自對實驗異?，F(xiàn)象的探究，或者源于試題、最新科研論文等。當(dāng)然，困擾一線教師的是，開發(fā)一個項目耗時長，查資料、做實驗、討論教學(xué)設(shè)計都要耗費大量的精力和時間，客觀上增大老師開發(fā)的難度，降低老師開發(fā)的意愿。

參考文獻：

[1]楊宇，馬建新.乙醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)條件的優(yōu)化[J].華東理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，32（9）：1081-1085.

[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.