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

文章编号： 1005-6629（2024）05-0061-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《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，强化社会责任意识［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与循环利用。

［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