学科融合视域下高中化学项目式学习

摘要：

以“碳中和”为情境，聚焦碳捕获协同转化，开展项目式学习。通过寻找“碳中和”的化学方法、设计“捕获-释放”模式下的“碳中和”化工方案、设计“释放-重生”协同下的“碳中和”电化学方案和分析评价“富集直接转化”模式下的“碳中和”科研方案的四课时子任务，实现对二氧化碳捕获转化设计的逐步高度耦合。任务中充分运用“价-类”二维转化模型、电化学转化模型、工程思维等设计与评价方案，促进化学学科模块融合，帮助学生形成物质转化的多维认知角度。关键词：

学科融合；项目式学习；碳中和；碳捕获协同转化《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》强调提高学生综合运用知识解决实际问题的能力，注重学科内的融合及学科间的联系，明确学习主题，凝练大概念，帮助学生对知识、问题及社会形成整体性认识［1］。项目式学习，在实施过程中能充分调用学生的跨学科知识，促进学生培养解决陌生复杂情境中实际问题的能力。精选“碳中和”为情境载体，充分融合学科内模块核心知识，跨学科多角度地完成“固碳转化”任务，突出物质转化思路与方案优化视角，形成“设计-评价-优化”的螺旋式上升学习模式。整个项目多视角、连续式、进阶性地引导学生实现知识技能结构化，发展学生的“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“科学态度与社会责任”等学科核心素养［2，3］。1

项目主题选择《国家十四五规划纲要》强调，要在2030年实现“碳达峰”，在2060年实现“碳中和”［4］。面对该社会性科学议题，作为当代中学生，若能运用所学知识开展“助力碳中和”等真实问题解决的学科实践，将推进认识化学发展对促进社会文明进步的重要性，強化社会责任意识［5］。基于此，本项目式学习引导学生从跨学科“碳中和”解决方案中聚焦二氧化碳“捕获-释放-转化”的化学问题，从元素化学模块中的“价-类”二维视角、化学反应原理模块中“反应是否自发”的电化学方法视角开展方案设计，进一步完善物质转化的认知视角；融合技术、能耗、成本、环境等工程思维，引导学生从物质的理想转化进阶到物质的实际转化［6］，实现多维视角分析与评价物质的转化方案。整个项目基于“碳中和”理念设计“碳捕获协同转化方案”的核心框架如图1所示，旨在促进学科融合，进一步引导学生明确通过化学反应可以实现物质转化，促进人与自然的可持续发展，凸显化学学科育人价值［7］。2

项目教学目标固碳方案设计活动在初三化学和高一生物、地理等相关学科中略有涉及，但是较为孤立与分散。经过高一高二的化学学习，学生已初步具备“价-类”二维物质转化模型、电化学模型、热力学-动力学综合视角等必备知识。在高三阶段化学学习时，如何从学科融合的更高视角再审视“碳中和”理念下二氧化碳的捕获转化过程？基于上述需求，本项目学习从真实复杂情境中抽提化学问题，开展“寻找‘碳中和的化学方法、设计‘捕获-释放模式下的‘碳中和化工方案、设计‘释放-重生协同下的‘碳中和电化学方案和分析评价‘富集直接转化模式下的‘碳中和科研方案”的四课时子任务，实现知识远迁移。具体学习目标如下：（1）能从物质类别和元素价态等视角设计CO2捕获和转化的方案。能有意识地从工程思维和绿色化学等角度评价与优化CO2捕获转化的工艺流程，建构真实意义上的工业方案的设计与优化的思维模型。（2）能分析、解释CO2转化的电化学装置工作原理，并能围绕流程集约目标，设计与优化CO2转化的电化学装置。能综合考虑电化学装置中的物质变化、能量变化以及工艺优化等进行方案决策，解决实际问题。（3）能根据具体的CO2转化的科研成果，有意识地从技术、能耗、成本、环境等多维视角收集证据，进行循证分析，合理评价与交流。（4）通过“碳中和”方案的迭代优化设计、展示与交流，认识化学科学与技术的不断创新是解决人类社会发展中遇到的问题、实现可持续发展的有效途径，进一步唤醒学习化学科学的兴趣和激发探索未知世界的热情。3

项目任务与教学流程本项目围绕“碳中和”理念，以设计碳捕获转化协同方案为学习抓手，展开项目式学习，包括项目先导课、设计交流课、展望总结课三种课型，整体项目任务的架构与教学流程如图2所示。项目任务环环相扣，逐步进阶，引导学生在自主设计的“碳捕获-碳释放-碳转化”经典方案的基础上，逐步实现“捕获-释放”“释放-转化”等步骤的耦合优化，明确碳捕获转化协同的发展趋势。4

项目实施在项目先导课中，从思政的角度引出碳达峰、碳中和理念，进行生态教育，构建人类命运共同体意识，以化学、生物学、地理、思想政治等跨学科多维视角，进行固碳方案畅想。聚焦化学方案，明确利用电化学方法实现CO2转化为其他有价值的碳基产品（C2+产品）的非自发过程。整节课帮助学生建立从复杂情境中提炼化学问题的一般思路，也让学生明确碳捕获转化协同项目的核心任务与意义，促进学生知、情、意、行的统一。在设计交流课和展望总结课中，从“教-学-评”一体化的思路开展方案设计、学生自评、生生互评、师生互评，从方案评价和任务评价的双重视角推进方案的逐级优化，并逐步实现物质转化多维视角的形成和方案评价思维模型的建立［8］，实现学科内模块间的有机融合。该部分的课型模式如图3所示。以下为课时2～4的核心活动实施过程。4.1

设计“捕获-释放”模式下的“碳中和”化工方案［教师］将CO2捕获、适时释放，然后转化为其他有价值的碳基产品（C2+产品），看上去仅需用“碱捕获-酸释放-电化学转化”即可实现。但真实实施过程中还需要关注哪些问题呢？4.1.1

迁移运用SO2尾气处理方案［教师］工业化进程中，化学家为缓解SO2对环境造成的影响，尝试了如下多种脱硫方法。试分析与评价各个方案的优缺点。［学习支持］工业上常见脱硫方法：活性炭吸附法、钙基固硫法（即用生石灰和含硫的煤混合后燃烧）、氨水脱硫法（即用雾化的氨水与烟气中SO2直接接触吸收）、石灰-石膏法（即利用石灰乳吸收SO2后经氧化转化为石膏）、双碱脱硫法（即利用烧碱吸收SO2，再利用熟石灰再生）等。［学生1］活性炭吸收效率较低；钙基固硫方法中固体-气体接触效率有限但原料廉价，石灰-石膏法吸收效率相对更高；氨水脱硫法效率较高，还可生成氮肥副产品；双碱脱硫法吸收效率较高但流程较复杂。［学生2］氨水脱硫法需要雾化可能对设备要求较高；石灰-石膏法产生的石膏容易堵塞管道；双碱脱硫法可以实现碱的再生與循环利用。［教师过渡］大家能从吸收效率、设备需求、循环利用等多角度来评价经典的脱硫方案，非常难能可贵，这些视角对同为酸性氧化物的CO2捕获释放转化过程有何启发？请大家开展方案设计。4.1.2

CO2捕获与释放方案设计［项目设计引导］进行工艺流程范式展示，对学生的方案设计进行规范化。［组内交流］请各位同学以小组为单位，进行CO2捕获释放转化方案的交流，并根据刚才了解到的评价视角，进行组内评价，并进行方案优化。［方案展示］部分小组学生设计优化后的碳捕获释放转化方案如图4所示。［组间互评1］方案a借鉴侯氏制碱法和氨水脱硫法，保证碳捕获的高效率；联合海水开发利用、化肥和纯碱制取等过程，多种产品的产出让流程价值最大化。但流程过于繁琐，且使用到氨气等要注意安全性和腐蚀作用，最终获得的二氧化碳含有一定量的水蒸气等对后续转化要求比较高。［组间互评2］方案b借鉴双碱吸收法，实现NaOH的重生，提高了捕获效率且降低了成本。整个方案物质循环利用意识强，但过程较复杂，且加热CaCO3分解耗能大。a

借鉴侯氏制碱法设计的方案b

借鉴双碱吸收法设计的方案［文献比对］对比“捕获-释放”模式下经典的固碳化工方案［9］，明确自身方案优缺点。［教师点评］方案百花齐放，体现同学们的深度思考。综合产品价值、循环利用、能耗等因素，方案通过两三轮的修改已经逐步趋于成熟。其中方案b更是极为接近文献中的固碳方案，同学们的智慧可圈可点。“捕获-释放”模式下的“碳中和”化工方案原理较简单，但实施过程较为复杂且粗放，我们有没有可能实现更加集约化的方案？设计意图：在建立“碳中和”理念后，引导学生充分调用元素化学知识，实现碳捕获转化方案。通过分析课内脱硫工艺方案实现知识的迁移应用，突显价-类二维的理想转化和现实工程的实际转化的差异，帮助学生建立“设计-评价-优化”工艺路线的思路。4.2

设计“释放-重生”协同下的“碳中和”电化学方案4.2.1

CO2“碱捕获酸释放”过程再审视［教师］如何评价碱捕获酸释放的方法？［学生］原理简单，操作简便，在不考虑成本时，是实现CO2捕获释放的最佳方案。［教师］从孤立视角看问题往往过于片面化，但各位同学已经开始有全盘考虑的意识了。既然使用酸、碱等原料有利于CO2捕获释放，是否有可能在CO2捕获释放过程中耦合酸碱生产过程？［学生1］像“区域地理”课程中提到的，联合酸制造工厂和碱制造工厂，形成产业链。［学生2］类似于氯碱工业，搭建电化学装置，提供酸性、碱性溶液。4.2.2

CO2的电化学捕获-释放装置设计［学习支持］工业上常利用双极膜进行海水淡化，并获得酸和碱溶液；工业上利用双极膜和阴膜组合电渗析法，处理pH＜6时的HSO-3溶液，可直接获得再生SO2-3吸收液和含较高浓度HSO-3溶液。［项目设计引导］借鉴前人智慧，你能否设计更集约化的CO2捕获-释放方案？［方案展示］学生经过个人设计、组内交流、组间交流再优化后的电化学CO2的捕获-释放方案如图5所示。［小组汇报］受到海水淡化的启发，最开始设计利用阴、阳离子交换膜构建的电化学装置（第一版方案），制备盐酸和NaOH溶液。碱性物质用于CO2捕获，酸性物质用于CO2释放，传统的工艺流程耦合电化学制备后，避免了过多的复杂的工艺流程来实现捕获剂NaOH的重生。电化学的电能可利用太阳能、风能等方式获得，继而实现方案的绿色环保。后续交流过程中，受到其他小组的启发，进一步优化成CO2的释放也耦合并入电化学装置中，进一步减少了流程的繁琐（第二版方案）（见图5）。［文献比对］对比文献［10］中利用电化学设计的固碳方案，思考不同方案间的设计出发点。［教师］该小组不同阶段的两个设计版本，让大家看到交流的力量。是大家的思维碰撞一步一步使方案变得更加富有创意。最终的方案CO2的释放和捕获剂的重生集约化程度非常高，与文献中的设计不谋而合。当然，也看到了二者在电解液上的差异，这是实际生产过程中从物理学科电解电压方面所作的考虑。所以一套方案需要跨学科知识的相互助力，才能更加完善。设计意图：在“碳中和”化工方案的基础上，进一步引导学生利用电化学装置进行流程的耦合，修正和优化方案。学生逐步搭建物质转化的多维视角模型，建立从转化效率、工艺难度、能耗成本等角度进行评价的思维模型，实现核心素养的逐步提升。4.3

分析评价“富集直接转化”模式下的“碳中和”科研方案［教师过渡］从工艺流程和电化学视角，大家已经成功设计出多种CO2捕获-释放转化方案。但无法避免地都出现工艺较为复杂，流程较为繁琐的情况。是否存在更加集约、捕获-释放转化耦合程度更高的方案呢？从生物学科光合作用机理启发，科学家们致力于研发新型转化体系等实现CO2富集直接转化。4.3.1

富集直接转化方案的评价［教师］化学工作者设计出如图6所示三种富集CO2后直接电化学转化为有价值的碳基产品方案［11］。试对三种分案进行比较分析。［学习支持］方案一：将利用碱溶液捕获CO2，并直接进行电化学还原。CO2+OH-HCO-3；2HCO-3+2e-CO+2OH-+CO2－3方案二：利用胺类离子液体（非水溶剂）捕获CO2并直接电化学还原。方案三：利用共价有机框架捕获CO2，并直接在水溶液中电还原。捕获后CO2结构弯曲，需要的还原电压较低。a碱液捕获转化b离子液体捕获转化c有机框架材料捕获转化［学生1］方案a原理較简单，但可能存在转化析氢副反应较多的情况。方案b使用非水溶剂，能有效避免析氢副反应，但是使用胺类离子液体，还存在转化电压较高的问题。方案c既能降低析氢副反应问题，又能处于水溶液体系保证适当的转化电压，但存在研发成本较高等问题。［学生2］方案a过于理想化。方案b可能存在科研投入费用高、有机物有毒等问题。但相对方案c新材料的研发成本，方案b可能更具有推广性。［教师］整体而言，以“碳中和”为目标的碳捕获转化协同方案朝着更加集约耦合的方向发展。大家也越来越能带着发展眼光来设计与评价不同方案。为什么耦合方案成为趋势？4.3.2

从能耗视角分析碳捕获-释放转化耦合方案［教师］请通过绘制耦合程度不同的转化过程体系能量变化图，进一步阐述富集直接转化方案的特点。［文献比对］学生尝试勾画能量变化图，并与图7所示文献图像［12］进行比对分析。［学生］对于富集直接转化，其反应历程为：低浓度CO2被捕获→CO2还原过渡态→还原产物CO。而对于经典的先捕获后释放转化，其反应历程为：低浓度CO2被捕获→CO2释放过渡态→高浓度CO2→CO2还原过渡态→还原产物CO。相比之下，富集直接转化方案省略了CO2释放和捕获剂重生的步骤，方案更加集约，能耗更低，是未来发展的趋势。设计意图：从项目初始的方案设计到项目最终对科技前沿方案进行分析与评价，进一步外显学生的科学态度和核心素养，认识真实情境下实现物质转化的多维视角，形成真实情境下物质转化的思维模型，如图8所示。在整个项目式学习过程中，学生对碳捕获转化的学科理解、跨学科解决实际问题的能力以及创新意识等均获得持续增长，逐步达到化学学科解决问题的价值认同与低碳行为的情感认同，如图9所示。5

项目效果与反思5.1

情境的深度解构促进项目式学习开展本项目将人类面临的“碳中和”的真实问题解构成逐级进阶的四课时子任务，使学生始终围绕“碳中和”的方案设计展开活动，进而形成情感共鸣，持续激发学生的学习动机。在项目最初实施过程中，由于真实的工艺方案与课内理想体系存在较大差异，使得设计任务对于学生而言挑战性过高，耗时过长。因此，本项目对各课时的情境进行深度整合优化，引入SO2尾气处理等经典工艺模型作为知识生长点，利用指定角度、提示角度等方式调控问题难度，实现小起步、逐级深入的真实的CO2捕获转化方案设计。多次实践证明，以上情境的深度解构有效地提高了课堂中设计任务的推进效率，再结合教师的节奏把控，可使学生聚焦于核心任务的解决，形成从实际问题到课内经典模型再到真实的工艺流程方案的思维路径，使学科实践得以实现。5.2

开放性任务促进学科融合与知识结构化本项目设计的较高开放度的核心任务，引导学生多角度思考，促进了学科模块内的知识融合与跨学科实践，如集约化CO2捕获-释放的电化学装置设计等。在项目实施过程中，学生能调动已有知识设计出多种有一定思维深度的方案，甚至能结合国家政策法规以及生物、地理学科知识进行设计意图的阐释，充分激发了学生的主观能动性。教师在学生实践过程中需要适时给予必要的鼓励与学习支持，如从能量视角评估方案优劣势、从循环视角关注工业原料成本优化等，从而关注不同层次学生的素养发展，避免学生因任务的开放性而造成问题解决方向的迷茫与随意。在开放的方案评价任务中，学生在课时1～2中较多地以孤立的视角进行评价，没有形成系统的分析思维。通过不断引导学生组内观点交流、绘制评价思维导图和组间交流汇报，多数学生能在课时3～4中形成多角度评价的思