科学精神视域下二氧化碳甲醇化微项目教学实践

史培艳 刘翠

摘要：科学精神是指批判、求实、实证、创新、协作等精神，是高中化学学科核心素养5大维度之一的“科学态度与社会责任”的重要内涵之一。以CO2甲醇化微项目为主线，利用热力学和动力学原理分析化学反应的方向、限度、速率、机理，基于数据、图式、理论等求实、求证、创新，突显微项目教学对科学精神独特的培育价值。

关键词：科学精神；二氧化碳甲醇化；微项目教学；化学学科核心素养

文章编号：1008-0546（2022）02-0058-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.012

一、科学精神的内涵

从认识论角度，任鸿隽提出“科学精神”即“求真理”；竺可桢指出“科学精神”即“求是”。从方法论角度，波普尔（奥）指出“科学精神”即“质疑和批判”。从社会规范角度，库恩（美）指出科学精神的核心是“求证”。科学精神是科学在其历史发展中形成的思维方式、价值取向、行为规范和传统的总和，是指人们在科学活动中具备的意识和态度，是科技工作者所应有的信念、意志、气度、品质、责任感和使命感[1]。新时代下的科学精神内涵主要是指求知探索、求真求实、怀疑批判、开拓创新、团队协作、敬业献身等精神。科学精神是指批判、求实、实证、创新、协作等精神，是高中化学学科核心素养的重要组成。

二、科学精神的培育价值

十九大报告中，习近平总书记强调“建设科技强国，弘扬科学精神”。化学是材料科学、生命科学、环境科学、能源科学、信息科学等现代科學技术的重要基础，是落实立德树人根本任务、发展素质教育、弘扬科学精神、提升学生核心素养的重要载体[2]。在化学教学过程中培育学生科学精神，有利于激发学生学习化学的好奇心、兴趣和积极性，有利于提升学习化学的效率和效能，有利于培育学生批判、探索、求证、创新等科学精神。

在二氧化碳甲醇化微项目教学实践中，通过观看习近平总书记应对气候变化新举措和科学家把二氧化碳转化为甲醇视频，学生了解“碳中和”方法，辩证看待CO2，CO2不仅是温室气体，更是重要的碳能源，培育学生辩证批判精神。通过小组合作讨论二氧化碳甲醇化进阶化问题，培养学生探索、协作精神；通过二氧化碳甲醇化综合问题研讨，融合核心价值、核心素养、关键能力、必备知识，实现学科素养、学科精神、学科育人的有效整合。

三、教学案例

1.二氧化碳甲醇化进展

化学上，利用加氢催化、电催化、光催化等将二氧化碳转化为有机原料，如利用废气二氧化碳制备甲醇是实现碳循环、碳中和的重要途径。

1927年，美国最早利用二氧化碳加氢催化制备甲醇，主要利用ZnO-Cr-Cu催化剂，甲醇的产率为68%[3]。1972年，日本首次利用光照射TiO2电极分解水制氢还原二氧化碳合成甲醇[4]。二氧化碳甲醇化的关键是激活惰性气体二氧化碳，找到高效的催化剂是激活二氧化碳的最好方法。经过科学家的长期探索与研究，目前使用的催化剂主要有Cu基催化剂、贵金属催化剂、In2O3催化剂等。2009年，日本三井化学公司制备甲醇，耗二氧化碳约100 t/年[4]。2012年，碳循环国际公司CRI耗二氧化碳约5600 t/年，目前年耗二氧化碳5万—10万吨[4]。2016年中科院山西煤炭化学研究所和中科院上海高等研究院利用单管试验实现二氧化碳加氢制甲醇，2018年中科院大连化学物理研究所采用“液态阳光”二氧化碳加氢合成甲醇，2019年河南顺成集团引进CRT技术实现二氧化碳加氢制甲醇，2020年国内首套二氧化碳加氢制甲醇的工业装置开工[5]……

2.微项目主题分析

“二氧化碳甲醇化”微项目是对《化学反应原理》中反应方向、限度、速率、机理核心知识的综合复习。通过热力学原理判断反应的方向和限度；通过动力学原理判断转化率、脱除率、去除率、产率等“率”的影响因素（本质是化学反应速率的影响因素）和化学反应机理。

高三学生学完所有模块化学知识，已经具备知识关联化建构能力，但在解决综合性、主题化习题时，不能完整的作答，缺乏科学性。通过微项目教学实践，和学生共同把化学核心价值、学科素养、关键能力、必备知识融合于知识结构和思维认知模型中，提升学生的复杂问题解决能力[6]和高阶思维能力[7]。

3.微项目教学目标

（1）通过“碳中和”途径之一碳循环，从化学学科本质角度认识化学对社会可持续发展的价值；通过二氧化碳功与过，培育学生辩证批判精神。

（2）根据热力学中吉布斯自由能变探索二氧化碳甲醇化的可能性，诊断学生利用数据和理论判断化学反应方向的能力，培育学生质疑、求实精神。

（3）利用热力学中勒夏特列原理分析二氧化碳甲醇化平衡移动方向，探析浓度、压强、温度对化学平衡移动方向和转化率的影响，培育学生探索、求证精神。

（4）利用动力学原理分析、解决二氧化碳甲醇化“率”的归因问题，从宏观到微观分析反应机理，构建思维认知模型，发展学生宏观辨识、微观探析、证据推理、模型认知素养和科学思维能力，培育学生团结协作、专心致志、严谨不苟和迁移创新的科学精神。

4.微项目教学流程（图1）

5.微项目教学过程

（1）任务1：辩证看待，理性批判

二氧化碳被认为是引发全球气温升高、沙漠化加剧、多种生物面临灭绝、多种气候事件频发的“罪魁祸首”。2021年4月22日（世界地球日）习近平总书记根据气候问题进一步提出到2030年实现碳达峰，2060年前达到碳中和。从化学学科角度，将二氧化碳资源化，转化为清洁能源是重要的碳中和方法。研究者受植物光合作用启发将二氧化碳加氢催化，目前能将二氧化碳按每年万吨单位计量转化为甲醇。

【驱动问题】如何看待二氧化碳？二氧化碳是一种惰性的氧化物，能转化为有机物吗？

【学生汇报】需辩证看待二氧化碳，它不仅是一种温室气体，还是一种重要的碳资源。根据二氧化碳甲醇化进展，说明一定条件下二氧化碳可以转化为低碳的有机物。

（2）任务2：探索趋势，析因求实

【驱动问题】二氧化碳加氢催化合成甲醇的工业化优势如何？如何分析？

【提供信息】

图2及表1数据资料。

【活动1】根据资料1，利用吉布斯自由能变探索二氧化碳甲醇化的方向。

【学生汇报】根据数据求实。△H=-48.97 kJ·mol-1<0，反应放热，体系的能量降低，具有自发倾向；△S=-177.16 J·mol-1·K-1<0，体系的熵减，具有非自发倾向；根据吉布斯自由能变方程计算，△G=△HT△S =[-48.97-298×（-177.16）×0.001]KJ·mol- 1≈3.82 KJ·mol-1>0，非自发；若想自发进行，需降低温度。

【教师评价和追问】大家能利用焓变和熵变综合判断等温、等压条件下反应的方向。△G<0，反应自发进行；△G>0，反应非自发进行；△G=0，反应达到化学平衡状态[9]。除了用吉布斯自由能变判断反应的方向，还有什么方法？

【学生汇报】用化学平衡常数判断。化学平衡常数越大，反应进行的程度就越强。通过浓度商Q与化学平衡常數K大小比较判断反应的方向。QK，反应逆向进行；Q=K，反应达到化学平衡[9]。

【活动2】根据图2和表1数据，根据勒夏特列原理探索反应条件对平衡移动的影响。

【学生汇报】根据图2数据变化趋势知：增大压强，平衡正向移动，甲醇的产率增大；520 K之前，温度升高，反应物浓度和温度协同作用，反应正向进行，甲醇产率升高[9]；因为该反应正向放热，逆向吸热，浓度和温度竞争作用，温度影响强于浓度影响，520 K之后，温度升高，平衡逆向移动，甲醇产率降低；表1中数据得知，n（H2）：n（CO2）值增大，平衡正向移动，二氧化碳的转化率升高[9]，即增大一种反应物浓度，另一反应物的转化率增大，因n（H2）：n（CO2）值起始时较小，甲醇的物质的量增大程度较大，甲醇平衡时物质的量分数先增大，当n（H2）：n（CO2）值增大程度大于甲醇物质的量增大程度，甲醇的物质的量分数又减小，所以甲醇平衡时物质的量分数先增大后减小。

[教师评价并小结]大家能根据数据和图式信息判断平衡移动的方向，实质是根据勒·夏特列平衡移动原理来判断。

（3）任务3：宏微探析，精准求证

【活动1】根据图2、表1数据，从动力学角度对二氧化碳转化率和甲醇产率进行归因。

【学生汇报】从动力学角度对转化率、产率等进行归因，本质上是分析浓度、催化剂、温度、压强、接触面等外界因素对化学反应速率的影响。增大浓度，单位体积内活化分子数增多，有效碰撞频率增大，反之减小；升高温度，增大单位体积内活化分子百分数，反之，减小；增大气体压强，相当于增大气体反应物浓度，有效碰撞频率增大，反之减小；使用催化剂，降低活化能；增大接触面，有效碰撞次数增多[9]。

【教师评价和追问】大家能从动力学中碰撞理论对化学反应速率归因。其中催化剂组成不同对甲醇产率和选择性有何影响？如何从微观角度分析CO2催化加氢合成CH3OH的机理？

【提供信息】

资料2：Cu基催化剂主要用于CO2加氢制甲醇，已工业化约50年，在220-300℃和5-10 MPa条件下，CO2的转化率高，甲醇的选择性和产率很高[8]（表2）。

催化剂表面气相反应历程为吸附、表面反应、脱附、扩散[10]。多名研究者利用不同实验手段和理论研究CO2催化加氢合成CH3OH的机理。如图3（其中吸附在催化剂表面的物种用*标注）和图4[11]。

【活动2】分析催化剂不同组成对反应影响及催化机理

【学生汇报】催化剂的组成不同，催化活性不同，组成改变会影响甲醇的产率和选择性。

【学生汇报】从过渡态理论角度分析：铜基催化剂吸附的CO2加氢先生成C-H键（*HCOO），*HCOO加氢转化为*H2COO（二氧亚甲基），*H2COO失氧转化为*H2CO（甲醛），*H2CO加氢转化为*H3CO（甲氧基），*H3CO加氢转化为CH3OH。

（4）学以致用，迁移创新

利用机理认知模型迁移应用到新问题中，如图5，学生写出用二氧化碳在Na-Fe3O4/HZSM-5催化剂上生成汽油C8H16的化学方程式。

6.教学效果和反思

本节课借助二氧化碳甲醇化微项目，从工业原料、生产条件、热力学、动力学角度探索二氧化碳甲醇化的方向、限度、快慢、机理。学生宏观上明白“率”的影响因素，学会归因；微观上明白反应机理，学会符号表征。学生在质疑、求实、求证中构建思维认知模型，外显二氧化碳甲醇化分析过程，如图6。

从学生的汇报和成果可以得出，学生能够判定指定条件下反应的方向、限度，学会平衡移动方向、速率单方归因。提高原料转化率和反应速率的条件相冲突时，学生不能全面的综合考虑因素进行归因。

四、微项目教学实践对科学精神培育的独特价值

微項目教学是以微项目为载体，在真实情境中小组合作探究学习，构成要素为情境、内容、活动、结果。

微项目教学为科学精神培育提供真实实践情境场所，激奇生趣，探中求知。好奇心是“科学家的美德”，也是学生求索的动力。学生因奇生趣，就会有探索的欲望，敢于怀疑、批判、求是。约西亚·威拉德·吉布斯（美）因好奇“冷水为什么不能把热量传给热水”而提出“混乱度”，进而提出反应方向判断依据。

微项目教学不仅授知识、传技能，重在于启智慧、出作品、提精神、育素养。著名的科学史学家萨尔顿（美）在《科学史导论》中指出：“单纯教授科学知识和专业训练，则学习科学无教育价值。”学科知识不能脱离科学精神，脱离科学精神的学科教育“无神、无魂”。微项目教学融入科学精神，淡化应试教育理念，利于素质教育的实施、发展。

在探索活动中，既能感受到探索的乐趣，也能激发创新的灵感。勒·夏特列通过改变外因研究化学反应“产率”提高规律，从而总结出勒·夏特列原理。在探索活动中，学生主动求知、大胆怀疑、独立思索、批判求是、不断创新、协作共进等科学精神得到发展。小组合作学习，不同智慧集中，慧出预想的作品。

参考文献

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[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3]Fujishima A，Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor eletrode[J]. Nature，1972，238（5338）：37-38.

[4]林海周等.二氧化碳与氢合成甲醇技术和产业化进展[J].南方能源建设，2020，7（2）：14-19.

[5]祝贺，汪丹峰，陈倩倩，陈国飞等.二氧化碳加氢制甲醇过程热力学分析[J].天然气化工（C1化学与化工），2015，40（3）：21-25.

[6]Mettas A.C.&.Constantino C.C.The Technology Fair：a proj？ ect-based learning approach for enhancing problem solving skills and interest in design and technology education[J]. International Journal of Technology and Design Education，2008，18（1）：79-100.

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[10]武衍杰，江合佩，杨伏勇.基于化学教学内容“结构化”的项目式教学——以“人工固碳”为例[J].化学教学，2021（3）：44-50.

[11]齐共新. CO2催化加氢合成醇、醚等含氧化合物的Cu基催化剂及其机理研究[D].杭州：浙江大学，2001.