基于真实情境的高三化学复习教学重构———以“汽车尾气净化技术”专题复习教学为例

◇ 北京 贺 新

《普通高中化学课程标准(2017 年版)》(以下简称“课程标准”)明确提出,真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台,为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会.因此,落实学科核心素养的课堂教学,要求教师积极创设真实且富有价值的问题情境,比如“汽车尾气及其危害”以及尾气处理的问题,通过具体的问题解决任务,促使学生查阅文献、设计实验探究等,在问题解决过程中提升学生的化学学科核心素养.

传统的高三化学复习教学往往采用平铺直叙的复习方式.教师引领学生将相关知识进行整合之后,即进入习题训练.高三复习课普遍存在以下问题：考点清单化,知识习题化;模式单一化,知识碎片化;课堂去情境化,能力应用薄弱化等.长此以往,将导致知识和考题两张皮,降低学生对化学的学习兴趣,不利于落实学科核心素养的培养.

1 问题背景

课程标准在每一主题下基本都提供了“情境素材建议”,这为教师设计基于真实情境的教学提供了丰富的教学资源,有利于教师在日常设计教学情境的时候进行参照.然而,高三化学复习教学与新授课的教学不同,复习课的教学要与高考对接,没有直接的教材参照,并且知识整合程度大,对学生高阶能力的发展有进一步的要求.因此,高三复习教学中所使用的情境素材要更贴近真实世界,更注重知识和能力的综合运用,这需要教师在查阅文献的基础上进行教学情境设计的再创造.已有研究中,PISA 测试的试题往往是用一个情境包含若干问题,这既将问题的解决考查寓于情境中,又减少了学生阅读信息所花费的时间.借鉴PISA 测试的这一理念,在复习课的教学设计中应注重选择和应用与教学内容相关的情境,让学生在情境中学习和应用知识,避免过多的简单记忆与习题训练,引导学生逐步学会在新情境下解决问题.

在高三化学一轮复习阶段,借助“汽车尾气净化技术”这一情境进行专题复习,将高中选修的化学与社会、化学与技术主题模块相结合,能够让学生深刻认识和感受化学反应原理在技术创新中的价值.从技术的视角看,汽车尾气净化技术与选修的化学与社会、化学与技术属于综合性的主题,既与化学学科相关,又同时联系社会、联系生活实际.选择这样的综合主题,既有利于提升学生解决实际问题的能力,又符合高考对学生接受、吸收、整合化学信息,分析和解决化学问题能力的测试要求.

2 教学思路与过程

心理学研究表明,学生的抽象逻辑思维能力在高中阶段到达成熟期,一般到高三趋近高峰,这就为教师在设计教学时提出学生能力素养发展上的高水平要求提供了前提.“汽车尾气净化技术”,这个话题离学生既近又远,“汽车尾气”近,而“技术”远,如何将远的“技术”和学生拉近,这是本节教学存在的难点.综合上述情境选择、学科特点和学生发展这3 个方面的分析,设计了如下“汽车尾气净化技术”专题复习教学.

2.1 教学目标设计

在选择和设计情境、进行学科和学生学习基础与困难分析的基础上,教师设计了“汽车尾气净化技术”专题复习教学目标,包括：

1)明确在汽车尾气的产生和净化中涉及的化学反应,深刻体会物质变化是有条件的,每一次技术的改进与创新都是基于化学反应原理的.

2)能够运用已有的反应原理方面的知识和能力,对汽车尾气处理的相关技术作出合理的分析和评价,在此基础上感受和认识化学反应原理在技术创新过程中的意义和价值.

3)发展从提供的文献中提取有用的化学信息,运用相关的知识分析、综合、比较、论证和解决实际化学问题的能力.

4)关注与化学有关的科学技术、社会经济和生态环境的协调发展,增强社会责任感.

2.2 教学整体思路设计

课程运用“汽车尾气净化技术”这样真实的情境,将氧化还原和相关的反应原理等化学知识“包装”起来,教师选择汽车尾气净化技术包含化学反应原理和技术这样综合的主题,不仅有利于学生将已有的原理和技术方面的知识学以致用,而且在思考并回答教师围绕汽车尾气净化技术设置的层层递进的问题过程中,引导学生从教师提供的文献资料中提取有用的化学信息,对汽车尾气处理的相关技术作出合理的分析、比较和评价,学生能深刻体会到,物质变化是有条件的.让学生关注到与化学有关的科学技术、社会经济和生态环境的协调发展,这样的教学大大增强了学生的社会责任感,同时在解决问题的过程中将知识转化为能力,把能力逐渐内化为学生的化学学科素养.

2.3 教学过程设计

课程通过设置4个驱动性问题：汽车尾气的成分及产生的原因是什么? 减少汽车尾气可以采取的途径有哪些? 尾气有没有更彻底的去除方法? 使用新能源汽车是否绝对环保,不带来任何环境污染问题?让学生既明确了汽车尾气的产生和净化中涉及的化学反应,同时,深刻体会到物质变化是有条件的,认识到每一次技术的改进与创新都是基于化学反应原理.上述这4个问题分别对应了课程所蕴含的问题解决过程,即提出问题、解决问题、深化问题和总结反思.

1)提出问题

[教师]展示图片,汽车的快速发展为人们带来极大便利的同时,也给环境带来了污染问题.

问题1：汽车尾气的成分及产生的原因是什么?

[学生]看、听、思考、讨论并回答：在发动机中燃料的不完全燃烧产生HC(碳氢化合物,简称为HC,下同)/CO,以及C等固体颗粒;同时在电火花的作用下,空气中的N2和O2反应产生NOx;另外,在尾气的处理装置中,发动机中产生的CO、HC、NOx等气体没有完全被净化.

设计意图：从学生熟悉的汽车出发,让学生切实感受到汽车在给人们带来便利的同时也给环境带来了污染,并从尾气产生的源头即发动机及后续处理装置两个视角思考尾气产生的原因;初步感知这些污染问题可以用化学的方法加以处理和解决.

2)解决问题

[教师]根据尾气产生的成因提出问题.

问题2：减少汽车尾气可以采取的途径有哪些?

[学生]学生根据已有的知识和经验思考并回答：首先可选用新能源汽车、清洁燃料汽车.

[教师]追问：尾气在发动机中产生,能否从发动机入手减少尾气的生成?

[教师]展示图片：废 气 再 循 环 技 术(EGR)(如图1).

[学生]简单描述废气再循环技术的原理及优缺点.优点是：显著降低了NOx的浓度.缺点是：燃烧不充分,CO、HC增多.

[教师]追问：稀薄燃烧技术是一项能够减少汽车尾气的新技术,它的优势是什么?

图1 废气再循环技术(EGR)

[教师]展示资料：稀薄燃料技术.

[学生]阅读、分析,回答：燃烧效率高,经济性好,降低汽车尾气污染.

[教师]小结：解决尾气,可以从产生的“源头”发动机入手.第一,换发动机(比如电动车)或使用清洁燃料;第二,调整发动机工作参数(空燃比),还有废气再循环技术或稀燃技术.另外,增加尾气处理装置.

[教师]展示图片：三元催化器(如图2).

图2 三元催化器

[学生]简单描述三元催化器的原理及优缺点.优点是：空燃比恰当的条件下,降低了CO、HC、NOx的浓度.缺点是：CO、HC、NOx依然存在.

设计意图：学生运用已有的氧化还原等反应原理,即尾气中CO、HC 需要氧化剂加以消除,NOx则需要还原剂来消除,初步建立起分析和解决尾气问题的视角.进而对汽车尾气处理的相关技术作出合理的分析和评价,在此基础上感受和认识到化学反应原理在技术创新过程中的意义和价值.

3)深化问题

[教师]根据对尾气成因及已有方法优缺点的分析提出问题.

问题3：尾气有没有更彻底的去除方法?

[教师]展示资料：选择性催化还原(SCR)技术.

选择性催化还原(SelectiveCatalyticReduction,SCR)是指排气中本身有还原性质的有机物如烃类或另外添加还原剂(氨气或是尿素的水溶液等),在氮氧化物浓度远远低于排气中氧气浓度的情况下,利用催化剂的催化作用,高选择性地优先将氮氧化物还原为氮气的技术.

SCR 系统设计中的关键在于选取合适的催化剂和还原剂.目前应用的还原剂主要为各种氨类物质(如尿素、氨气等)和各种烃类等.早在20世纪60年代,以NH3作为还原剂的选择性催化还原技术(NH3-SCR)就得到了应用,但是氨存在强刺激性与毒性,因而以尿素(32.5% 的尿素水溶液)代替氨选择性催化(Urea-SCR)还原柴油机排气中的NOx成为研究者更为普遍的选择.尿素进入尾气中会反应释放出氨气,氨气在催化剂的作用下会优先选择与NOx发生反应从而减少尾气中的NOx排放.但是SCR 系统容易造成氨气的泄漏,因此最后经常会加装氧化装置将多余的氨气去除(如图3).

图3 选择性催化还原(SCR)技术

采用NH3对 NOx的选择性还原,是SCR 技术消除一些固定源中氮氧化物污染(如发电厂排放的氮氧化物)的一项较为成熟的技术,但是在发动机上应用有自身明显的缺点：该技术需要更大的安装空间;氨气本身具有极强的腐蚀性,容易造成设备的损坏,从体积和成本方面考虑,该系统均不利于在小型汽油机上应用.

[学生]阅读、思考并回答：SCR 技术可有效去除稀燃尾气中的NOx.

[教师]追问：SCR 技术有哪些优势与不足?

[学生]优势是可有效去除稀燃尾气中的NOx,但占用空间大、设备维护成本高,不适合小型汽油车使用.

[教师]追问：能否同时去除CO、HC、NOx?

[教师]展示资料：NOx存储还原(NSR)技术.

NOx存储还原(NOxStorage/Reduction,NSR)技术,指调节发动机使其处于稀燃和浓燃周期性交替的工作方式,尾气处理装置在稀燃期吸附NOx,在浓燃期脱附存储的NOx并利用尾气进行还原.以已经得到商业化的催化剂Pt/BaO/Al2O3为例,反应机理如图4所示(图中R 为还原性气体).

图4 NOx 存储还原(NSR)技术

其氮氧化物存储还原过程主要为：在稀燃条件下,NO 在贵金属Pt上被氧化成NO2,NO2与相邻碱性组分BaO 反应生成亚硝酸钡Ba(NO2)2或硝酸钡Ba(NO3)2而储存起来;在富燃条件下硝酸盐或亚硝酸盐分解,释放出NOx,被HC、CO 和 H2等还原剂还原为氮气.

在存储还原过程中主要发生的反应如下,反应方程式中的M 表示金属元素.

由于发动机稀燃时间远远大于浓燃时间,NSR 能兼具稀燃发动机高能效和SCR 技术低排放的优点.

[学生]阅读、思考并回答：NSR 技术能兼具稀燃发动机高能效和SCR 技术低排放的优点.

设计意图：学生深刻意识到物质变化是有条件的.学生从提供的文献中提取有用的信息,辩证地分析和解决尾气问题的原理方法及技术途径,提升学生运用相关知识综合分析、比较和论证解决实际化学问题的能力.

4)总结反思

[教师]小结汽车尾气净化的方法,提出问题.

问题4：使用新能源汽车是否绝对环保,不带来任何环境污染问题?

[学生]思考：新能源汽车制造、回收过程中的污染问题不能忽视.

设计意图：学生持续关注与化学有关的科学技术和生态环境协调发展的问题,增强社会责任感.

3 教学反思与启示

在高三第一轮复习课上,如何将汽车尾气净化技术的改进和发展历程这一真实情境用好? 如何让学生在进一步应用并巩固核心知识的同时,关注与化学有关的科学技术、社会经济和生态环境协调发展,提升解决问题的能力;促进模型认知、创新意识、社会责任等化学学科核心素养的落实?

在教学设计和实施中,教师尝试运用驱动性问题,将尾气净化工作原理直观化,并整合相关文献素材等策略进行了教学难点的突破.

3.1 创设驱动性问题情境,提升学生解决实际问题的能力

驱动性问题是那些事先设计的、能够推动课堂教学进行的、促进学生思考与探究活动开展的问题.好的驱动性问题应该具有可行性、有价值、情境化、有意义、可持续性的特点.在课堂教学中运用驱动性问题,不仅可以提高学习兴趣,保持注意力的稳定,促进思维的发展,更重要的是可以让学生学会如何学习,如何思考,变被动学习为主动学习.课程首先通过展示汽车的快速发展图片,从学生熟悉的汽车出发,让学生切实感受到化学在给人们带来便利的同时也给环境带来了污染问题,很自然地提出问题1：汽车尾气的成分及产生的原因是什么? 此问题旨在让学生关注化学、社会和环境的协调发展,引发学生的思考.在此基础上提出问题2：减少汽车尾气可以采取的途径有哪些? 以此问题调动学生已有的知识和经验,让学生运用已有的原理和技术方面的知识和能力,回答可以从发动机和尾气处理两个方面解决.问题3的提出是在学生提到的三元催化转化尾气装置之后,在人教版《选修1》中简单叙述了汽车三元催化转化的工作原理,因此学生提到三元催化转化是在情理之中,但是学生的认识是不深入的、模糊的.首先,学生会认为CO、HC、NOx在三元催化转化装置中同时发生了反应;其次,学生会认为经过三元催化转化之后的气体“清洁”了.鉴于此,利用三元催化转化装置工作原理示意图进行分析和讲解,尽管在催化剂催化作用下提高了CO、HC、NOx等气体的转化效率,但是CO、HC、NOx并不能完全转化为无毒的气体.在此基础上自然就会提出问题3：尾气有没有更彻底的去除方法?以及能否同时去除CO、HC、NOx? 最后提出问题4：使用新能源汽车是否绝对环保,不带来任何环境污染问题? 这4个问题驱动了学生深入思考,并运用已有的相关知识和经验,进行分析、比较和论证,进而提升学生解决实际问题的能力,提高化学学科核心素养.

3.2 利用直观化的图片情境,提升学生解决实际问题的能力

“汽车尾气净化技术”,离学生既近又远,“汽车尾气”近,而“技术”远,如何将远的“技术”和学生拉近?在课堂中教师将尾气净化技术改进和发展历程中涉及的工作原理,利用示意图将装置工作原理直观化,有效地将“远”的技术与学生拉“近”,不断深化学生的认识,提升学生模型认知的化学学科核心素养.课程共展示了四次技术改进时涉及的工作原理示意图,分别是废气再循环技术(图1)、三元催化转化技术(图2)、选择还原(SCR)技术(图3)、储存还原(NSR)技术(图4),每一次展示的示意图各有侧重.废气再循环技术,结合工作原理装置图在简单介绍原理后,带着学生一起观察分析废气再循环技术的优缺点,为后续尾气净化技术的分析和评价奠定基础.利用三元催化转化装置工作原理示意图,是为了消除学生不清晰的认识,让学生明确是NOx在Rh的催化下先还原并释放N2和O2,而CO 和HC 等气体是在Pd和Pt的催化下,结合O2发生了氧化反应,最终转化为CO2和H2O,这样的分析和讲解有利于帮助学生深刻地认识和体会到物质变化是有条件的.选择还原(SCR)技术工作原理示意图的呈现,一方面是为了帮助学生理解文献资料中描述的工作流程和原理,另一方面是为了帮助学生发现选择还原(SCR)技术中的一些不足,为后续储存还原(NSR)技术的提出埋下伏笔.最后储存还原(NSR)技术工作原理示意图的呈现,不仅可以让学生更好地结合已有的氧化还原等原理分析、理解此项技术,而且在前面学习的基础上,自然而然会对汽车尾气处理的相关技术作出综合的、全面的、合理的分析和评价,在此基础上深刻地感受和认识到化学反应原理在技术创新过程中的意义和价值.

3.3 运用文献资料情境,提升学生解决实际问题的能力

课程多次引入汽车尾气净化技术改进和发展历程的文献资料,教师课前将相关文献资料进行了整合,为帮助学生解决汽车尾气处理的相关技术问题,并对相关技术作出合理的分析、比较和评价,为切实提升学生解决真实问题的能力提供了素材.教师提出问题：“减少汽车尾气可以采取的途径有哪些?”学生回答可以从发动机和尾气处理两个方面解决,提出从“源头”发动机入手,选用新能源汽车、清洁燃料汽车等方案.在学生回答的基础上,教师利用文献资料适时补充废气再循环技术,结合工作原理装置图在简单介绍原理后,带着学生一起观察分析废气再循环技术的优缺点,为后续尾气净化技术的分析和评价奠定基础.在教师深入追问“尾气有没有更彻底的去除方法?”和“能否同时去除CO、HC、NOx?”时采用这样的教学方法,即为学生提供必要的文献素材和装置工作原理示意图,通过学生的阅读以及师生、生生间的讨论,结合之前课上讲解废气再循环技术和稀燃技术时的铺垫,让学生主动建构,形成解决问题的思路.学生能够根据文献来分析、阐释数据,得出结论,并能识别科学文献中的假设、证据和推理是科学地阐释数据和证据能力的重要表现.高三复习课的功能定位,不仅要帮助学生整合原有的知识,更重要的是能够从提供的文献情境中提取有用的化学信息,运用已有的相关知识和经验,进行分析、比较和论证,进而逐渐形成解决实际问题的能力.