林藝玲 江合佩 鄭敏

摘要： ?聚焦“新能源的開發(fā)”社會熱點問題，以“氫能的利用”為項目主題，融合STEM理念，圍繞“制氫 儲氫 釋氫 用氫”等核心任務和技術手段，設計驅動性問題，突出綜合運用化學熱力學和化學動力學等科學原理解決氫能轉化問題，滲透工程思維的培育。融合STEM理念形成物質利用的思維模型，發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)，提高分析和解決問題的能力。

關鍵詞： ?氫能的利用; 發(fā)展中的化學科學; STEM; 項目式學習; 思維模型

文章編號： ?1005 6629（2022）08 0053 08

中圖分類號： ?G633.8

文獻標識碼： ?B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中提出化學教學中應重視跨學科內容主題的選擇和組織，引導學生在更寬廣的學科背景下認識物質及其變化的規(guī)律，發(fā)展學生科學素養(yǎng)[1]。STEM教育追求科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）與數學（Mathematics）四個學科之間的深度融合，STEM教育的課程與教學都基于學生如何“做中學”而不是“記憶科學知識”[2]。STEM素養(yǎng)的培養(yǎng)方式以基于項目或基于問題解決為主[3]。因此，融合STEM理念的項目式學習，對于發(fā)展學生在面對未知復雜問題的分析和解決能力、促進學生跨學科思維和綜合素質的發(fā)展、提升學科核心素養(yǎng)具有一定的意義。

1 項目使用說明

“氫能的利用”項目適用于高中二年級復習階段（已完成選擇性必修1《化學反應原理》模塊學習）或高中三年級的學生。本項目通過三個進階式活動任務的設計，引導學生綜合運用化學反應原理，解決“儲氫”和“釋氫”等有關問題，調控化學反應。并通過設計“制 儲 用”一體化的氫氧燃料電池，關注氫能源利用中的物質轉化和能量轉化，發(fā)展學生的工程思維，建立融合STEM理念的物質利用化學問題的思維模型。

2 融合STEM理念的項目設計

2.1 融合STEM理念的項目主題的確定

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》將“發(fā)展中的化學科學”作為化學選修課程中的一個系列，且化學反應原理內容是學生學習的難點，學生對復雜體系中的多反應競爭、多因素分析尚缺乏系統(tǒng)化和結構化的認識思路，信息獲取、加工與應用的能力較為薄弱。結合學生已有的對化學能源發(fā)展和氫能前景的了解，遴選出“氫能的利用”作為項目的主題，這一主題也與課標要求、難點、學生經驗相契合。

氫能是一種綠色的低碳能源，因其獨特的優(yōu)勢成為能源革命的關注熱點。氫經濟被認為是21世紀世界經濟新的轉折點。2012—2018年，我國氫能產量逐漸增加[4]。2019年，“氫能”首次寫入我國政府工作報告。當前，全國氫能產業(yè)蓬勃發(fā)展。氫能的應用需要解決氫能源的獲取、儲運與轉化等技術問題。

融合STEM理念的“氫能的利用”項目式學習內容如圖1所示，綜合運用化學熱力學和化學動力學等科學原理（S）實現物質轉化，結合制氫、儲氫、釋氫和原電池等技術手段（T），滲透綠色化學和物料循環(huán)利用等工程思維（E），運用圖表處理、數據分析和建模等數學方法（M）加以分析，解決氫能源利用的實際問題。

2.2 項目任務的拆解及蘊含的學科核心知識

根據真實情境的項目式學習的操作流程[5]和學習流程[6]，抽提出有關氫能利用的物質轉化和能量轉化、反應調控等問題，拆解為三個進階式活動任務，蘊含價類二維、化學熱力學和化學動力學等學科核心知識，涉及化學平衡與守恒思想、條件控制與選擇等學科思維方法，幫助學生實現理想轉化、實際轉化和工程轉化的思維進階，建構解決物質轉化問題的思維模型?！皻淠艿睦谩本唧w的項目式學習流程如圖2所示，在任務的完成中突破難點，發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。

3 融合STEM理念的項目教學目標

圍繞“氫能的利用”項目主題，基于STEM理念的四個維度設計項目教學目標，如表1所示。

4 融合STEM理念的項目任務流程設計

本項目任務中對應的驅動性問題的設計（括號內容表示設問角度側重STEM的某些維度）、學生思維建模和認知發(fā)展線，如圖3所示，在任務的完成中發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)。

5 融合STEM理念的項目學習與實施過程

5.1 情境導入

[STEM情境導入]“氫風”襲來。

[展示評價]學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，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、儲運與轉化等問題。

設計意圖： 通過課前學生收集資料，分組完成“氫能”主題手抄報，將學生帶入“氫能的利用”的真實情境，了解氫能發(fā)展的現狀，確定項目核心問題——如何儲氫與釋氫。

5.2 任務一： 設計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？用化學方程式表示。

[評價]通過學生分享制取氫氣的化學原理，了解學生對價 類二維模型的認識水平，如圖5所示。

[問題]2. 根據原電池的形成條件，請你設計車用氫氧燃料電池的裝置（結合圖示和文字加以說明），并寫出相應的電極反應式。

[評價]根據不同燃料電池技術性能參數，選擇合適的車用燃料電池。

設計意圖： 任務一主要涉及的是理想轉化的簡單問題，因此主要以課前學案的形式，由學生自主完成，初步建立從物質轉化和能量轉化的視角看待氫氣的應用，了解制氫和用氫的科學原理（S）和技術手段（T），鞏固電化學的內容。

5.3 任務二： 化學視角下的儲氫與釋氫

[過渡]氫燃料電池汽車中有一個裝置——儲氫罐，在工作過程中不斷提供氫氣。當然，在公共設施中，還會配有加氫站的建設。

[問題]儲氫罐儲氫的原理是什么？請你想想還可以通過哪些方法進行儲氫？

[學生回答]儲氫罐的儲氫原理為物理儲氫，還可以利用化學方法儲氫。

[設計并評價儲氫方案]甲醇存儲氫氣方案，安全高效，降低成本又環(huán)保。并且常溫常壓下，甲醇為液體，儲運較為方便。

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

[問題]在實際工業(yè)生產過程中我們如何控制反應條件呢？已知體系中還存在副反應： ?CO2（g）+H2（g） CO（g）+H2O（g） ΔH=+41.17kJ·mol-1， ΔS=+42.08J·mol-1·K-1。（注： 上述兩個反應a.反應溫度為298K，各氣體分壓為100kPa;b.假設反應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，學生結合學案討論： ①反應物n（H2）/n（CO2）和壓強對反應的影響;②溫度對反應的影響;③催化劑對反應的影響。

[小組匯報]學生繪制的圖像變化大致趨勢，如圖6所示。

[交流討論]解釋圖像呈現不同變化趨勢的原因，確定工業(yè)生產條件。

[思維建模]梳理轉化率隨溫度變化在極值點前后的分析思維模型。

[分析圖表]不同溫度、不同催化劑對CO2轉化率和甲醇選擇性的影響，見表2。

[小組匯報]學生運用控制變量法選取合適的反應序號，說明結論并解釋原因。梳理催化劑對化工生產的影響。

[學術前沿]我國科研團隊[7]歷時6年，首次利用富含硫空位的少層MoS2催化劑實現低溫、高效、長壽命催化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)應用潛力。

設計意圖： 任務二由理想轉化進階到實際轉化，運用數據處理、圖表等數學方法（M），通過小組匯報分析不同因素對反應的影響（S），突破難點，確定CO2催化加氫儲氫的適宜條件（E），調控化學反應（T）。并結合學術前沿，激發(fā)學生的探索熱情。

[過渡]在使用過程中我們如何釋氫呢？

[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]你會選擇哪種釋氫方案？為什么？

[評價釋氫方案]學生普遍選擇方案Ⅰ，并從綠色化學、經濟效益、能耗等角度說明理由。

[思維建模]學生建立工業(yè)生產方案評價的思維模型。

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

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

[學生思考回答]及時移出氫氣，選擇適宜催化劑;適當提高水醇比等措施。

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

[問題]（1） 太陽光照下，光催化劑受到光激發(fā)產生光生空穴（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自身轉化成哪種物質？

（3） 水在光催化劑表面反應的方程式是什么？

[思考回答]從氧化還原角度分析光催化甲醇重整釋氫的轉化過程。

設計意圖： 通過熱催化釋氫和光催化甲醇重整釋氫技術（T），體會不同形式的能量的相互轉化，提高學生對圖表的分析與應用能力（S、 M）。綜合運用反應原理解決實際問題，滲透工程思維（E）的培育。

5.4 任務三： 設計“制 儲 用”一體化氫燃料電池裝置

[問題]以甲醇為儲氫介質，請你以物質轉化、能量轉化為線索，設計基于綠色化學的“制 儲 用”一體化氫燃料電池的簡易示意圖。

[學生匯報]“制 儲 用”一體化氫燃料電池的簡易示意圖，如圖10。

[評價]通過學生繪制的示意圖，可以看出部分學生已初步形成對物質轉化和能量轉化的系統(tǒng)認識，具備物料循環(huán)利用和綠色化學等工程思想，并能加以應用，實現一體化裝置的簡單設計，如圖11所示。這也是我國研究團隊長期致力于液態(tài)太陽能燃料的合成研究成果。

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

設計意圖： 通過“儲氫”“釋氫”，再到“設計‘制 儲 ?用一體化氫燃料電池”的工程項目，學生能夠融合STEM理念從原料、能量、裝置等角度建模，形成解決物質利用化學問題的思維模型，發(fā)展遷移創(chuàng)新能力。

6 項目式學習教學效果及反思

本項目融合STEM理念，通過創(chuàng)設分析型和設計型的任務，開展“氫能的利用”項目學習，解決實際問題。在課堂教學實施過程中，學生參與度高，能夠積極思考和分析問題。任務一“設計車用氫氧燃料電池裝置”較為簡單，運用課前學案的形式引導學生自主完成。在任務二“化學視角下的儲氫與釋氫”的實施過程中，注重工程思維的滲透，通過小組匯報對圖表信息和表格數據的分析，幫助學生建立從理想轉化到實際轉化的結構化認識思路，形成確定工業(yè)生產條件的思維模型，如圖13所示。任務三“設計‘制 儲 用一體化氫燃料電池裝置”，通過學生繪制結果，發(fā)現大部分學生在解決物質轉化和能量轉化問題的過程中，能夠融合技術手段和工程思維加以思考，構建思維模型。

教學實施后，以“CO2加氫合成甲酸復雜體系”創(chuàng)設情境，測查學生對“不同因素對反應的影響、化學反應的調控”等問題的遷移情況，發(fā)現實驗班80%的學生能夠從化學熱力學和化學動力學綜合視角以及同一體系中主副反應的競爭關系分析問題，而對照班在此類問題的分析上，較多學生認識視角不夠全面或者思路較為混亂。說明融合STEM理念的項目式學習，在一定程度上能夠幫助學生建立結構化的認識思路。課后在關于“氫能的利用”發(fā)散思維交流的過程中，不少學生表達了對氫能源發(fā)展和應用的強烈興趣，有的學生還提出了創(chuàng)造性的想法，如圖14所示。雖然這位學生想法的合理性和可操作性有待商榷，但其創(chuàng)新思維和大膽表達體現了我們“發(fā)展中的化學科學”項目式學習的教學意義——科學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，教師還可以根據學情與開放角度由學生自主繪制，廣開思路，發(fā)展學生跨學科思維和遷移創(chuàng)新能力。

參考文獻：

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[ 8 ] Jiaqi Zhao， Run Shi， Zhenhua Li et al.. How to make use of methanol in green catalytic hydrogen production [J]. Nano Select， 2020， 1（1）： 12～29.