大概念统摄下跨学科项目式教学设计与实践

摘"要："发展光伏发电是我国推进节能减排工作的重要举措。以“探究硅太阳能电池的发电原理”为项目主题，在“结构决定性质”大概念的统摄下，通过分析硅晶体导电的原理、优化硅晶体的导电性能、制备硅太阳能电池板等活动，建构从“原子结构、晶体结构、电子配对、精硅提纯、pn结制备”等角度认识物质性质的思维模型，从化学视角认识改变硅晶体结构对其导电性能的影响，加强学生对化学学科社会价值的认识，培养学生化学学科核心素养。关键词："中学化学；大概念；项目式教学；核心素养；硅太阳能电池1"项目主题及现状分析在素养导向育人时代背景下，跨学科项目化学习已成为课程教学改革的重要途径［1］。大概念作为一种上位的思维方式或工具手段［2］，为项目化学习的高层次发展——跨学科项目化学习提供了联系各学科的方法［3］。《普通高中化学课程标准（2017年版）》明确指出：重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实［4］。硅及其化合物知识是鲁科版高中化学必修2第一章第3节“元素周期表的应用”的重要内容［5］。通过对该节内容的学习，学生了解了硅的性质及其用途，但对硅的“结构-性质-用途”之间的因果关系并不清楚，所学知识呈现碎片化，在一定程度上阻碍了学生“结构决定性质”大概念的形成与发展，不利于促进学生从化学知识向核心素养的转化。学生学习了高中化学选择性必修2《物质结构与性质》内容以后，已具备从原子结构、晶体结构、电离能、电负性、键能等维度认识硅基半导体的能力。在此基础上开展以“探究硅太阳能电池的发电原理”为项目主题，以“结构决定性质”大概念为主线的实践活动，既遵循学生的认知规律，又能帮助学生从感性认知走向理性认知。在多学科知识的有机融合下，探究硅太阳能电池的发电原理，可使学生切身体验化学学科的核心价值，提升运用多学科知识解决实际问题的能力，促进化学大概念的形成。课时安排1课时。1.1"项目育人价值项目化学习可使学生在做事过程中实现知识、能力、价值观的融通与获得，是落实核心素养目标的最好载体和途径。本项目活动的育人价值如图1所示。图1"“探究硅太阳能电池的发电原理”项目育人价值1.2"项目内容结构在经济与科技日新月异发展的今天，随着世界能源危机的加剧，世界各国都在积极寻找解决危机的方法，研究开发以清洁太阳能为能源的硅太阳能电池意义重大。本项目活动以“结构决定性质”大概念为核心素养的主培育点，以硅的原子结构、晶体结构与导电性能关系为探究点，以电离能、电负性、晶体掺杂、电势差等知识为支撑点，在化学、物理、技术等多学科知识的融合下，设计“探究硅太阳能电池的发电原理”项目式教学的知识层级，如图2所示。图2"“探究硅太阳能电池的发电原理”项目知识层级活动沿“分析硅晶体导电的原理→优化硅晶体的导电性能→制备硅太阳能电池板”的轨迹进行，其基本内容与设计思路如图3所示。图3"“探究硅太阳能电池的发电原理”项目内容结构2"项目教学目标（1）通过对硅的原子结构、晶体结构的分析，深度理解硅晶体导电的原因，发展“结构决定性质”大概念，提升证据推理与模型认知的核心素养。（2）通过探究改变硅晶体的结构，优化硅晶体的导电性能，加深对“结构决定性质”大概念的理解，发展科学探究与创新意识的核心素养。（3）通过对粗硅的制备、精硅的提纯、硅太阳能电池板的组装方案的设计，提升分析问题、协同多学科知识解决实际问题的能力，形成工程思维，发展变化观念与平衡思想的核心素养。3"项目教学流程基于以上教学目标，制定本项目教学流程如表1所示。4"项目实施过程［资料］2024年3月5日，李强总理在政府工作报告中强调：加强大型风电光伏基地和外送通道建设，推动分布式能源开发利用，发展新型储能，促进绿电使用［6］。4.1"分析硅晶体导电的理由［教师］我国在太阳能和风能发电领域的产能，特别是光伏产业，在全球市场上占据主导地位。国家大力发展光伏发电有何意义？［学生1］太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机。［学生2］太阳能随处可得，不必长距离输送，运行成本低。［学生3］太阳能不产生废物，没有污染，有利于“碳中和、碳达峰”。［教师］硅是发展光伏发电的基础材料，请回忆硅的哪些性质能体现其具备导电性能？［学生1］有金属光泽。［学生2］能与强碱反应。Si＋2NaOH＋H2ONa2SiO3＋2H2↑和2Al＋2NaOH＋6H2O2Na［Al（OH）4］＋3H2↑，两个反应实质相同，说明硅和铝有一定的相似性，从而推断硅可能具备导电性能。［讨论］硅原子最外层有4个电子，处在得失电子都较为困难的状态，为何还能导电呢？［学生］硅原子的最外层电子离原子核相对较远，在阳光照射下电子吸收能量被激发，成为自由电子。［资料］第3周期部分元素第一电离能如表2所示。［讨论］电离能是判断失电子能力的定量指标。从第一电离能分析，硅原子的失电子能力仅次于镁。镁是良好的导体，而硅为什么只能作半导体呢？［学生］晶体类型不同，硅晶体属于共价晶体，形成硅晶体时最外层的4个电子均形成了共价键，达到了8电子稳定结构，从而使硅晶体的导电性能大大降低。［讨论］形成8电子稳定结构，为何硅还能做半导体材料？请结合以下资料进行分析。［资料］部分共价键键能参数如表3所示。［学生］Si原子半径大，形成的Si—Si键长较长，键能较小，在阳光的照射下能够断裂，部分价电子在太阳光的照射下被激发为自由电子。［小结］光照射硅晶体时，部分Si—Si共价键断裂或变得不够牢固，极少数价电子被激发出来，形成自由电子，从而使得硅晶体能够导电。4.2"优化硅晶体的导电性能［资料］本征激发是指电子和空穴分离的现象。光照射硅晶体时每产生一个自由电子（e－），会在原处产生一个空穴（h+，h+可看作与电子运动方向相反的正电荷），当价电子被激发，发生跃迁时，硅晶体内就会产生等量的自由电子和空穴。电子和空穴在传输电荷方面的作用，被称为“载流子”，半导体通常有两种载流子，它们都是成对存在的，叫做“电子-空穴对”［7］。［教师］硅晶体在光照下发生本征激发，空穴附近的电子来填充空穴从而产生电流。但由于硅晶体中价电子已达稳定状态，光照时产生的自由电子和空穴很少，所以纯硅的导电能力很差。如何增强硅晶体的导电性能呢？［学生］增加晶体硅中自由电子和空穴数目。［讨论］如何增加自由电子和空穴数目？［学生］在硅晶体中掺杂价电子数为5的原子，拿出4个电子与硅原子配对，多出来的1个电子即为自由电子。用同样的办法，在硅晶体中掺杂价电子数为3的原子，还缺少一个电子与硅原子形成4个共用电子对，缺少1个电子就相当于增加了1个空穴。［教师］请分别画出硅晶体中掺杂硼、磷原子时的电子配对情况。［学生］画出掺杂硼、磷时电子配对情况如图4所示。图4"掺杂硼、磷时电子配对情况［讨论］请结合以下资料，分析硅晶体中掺杂P元素比掺杂N元素导电性能强的原因？［资料］N、P、Si元素的电负性和原子半径数据如表4所示。［学生］P元素与N元素相比，电负性小，半径大，与Si形成的共价键更易断裂，P原子与Si原子之间的空隙相对较大，有利于电子移动，导电性能会更好。［教师］通过在硅晶体中分别掺杂硼（或铝、镓等）和磷（或氮、砷等）元素，增强了导电能力。纯净的硅晶体中掺入硼元素制得p型半导体，纯净的硅晶体中掺入磷元素制得n型半导体［8］。p型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体；n型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。p型半导体和n型半导体结构如图5所示。［归纳］硅基半导体材料的研发路径如图6所示。4.3"制备硅太阳能电池板4.3.1"探究晶体硅的制备方案［教师］自然界中不存在游离态的硅，需要从二氧化硅中获取。工业上用焦炭还原SiO2，该反应在什么条件下进行呢？［资料］SiO2（s）+2C（s）=Si（s）+2CO（g）"ΔH＝+690kJ·mol-1"ΔS＝366J·mol-1·K-1。［学生］由ΔG=ΔH-TΔS计算得：当Tgt;690kJ·mol-1÷366J·mol-1·K-1×103J/kJ=1885K时，ΔGlt;0，粗硅的制备需要在高温下进行。［教师］此方法可制得纯度为98%～99%的硅，但仍然满足不了太阳能电池对硅纯度高达99.9999%的要求。改良西门子法是对粗硅进行提纯的常用方法，其原理是用氢气与氯气制备HCl气体，让粗硅与HCl气体在300℃条件下发生反应：Si＋3HCl300℃SiHCl3＋H2，提纯后，再用氢气还原SiHCl3得精硅，原理为SiHCl3＋H21100℃Si＋3HCl。［讨论］提纯时要严格控制反应体系保持干燥且无氧状态，其原因是什么？［学生］硅属于亲氧元素，无氧是防止硅与氧气反应生成二氧化硅。干燥是为了防止SiHCl3水解。［讨论］从原子结构角度分析SiHCl3能否水解？［学生］硅原子存在空的3d轨道，这些空轨道易受到水分子中氧原子的进攻，与氧原子形成配位键，从而能发生水解。［资料］SiCl4水解过程：硅原子有3d空轨道，当H2O分子中的O原子与Si接近时，Si原子接受O原子的孤电子对形成sp3d杂化的五配位中间体，然后氯化氢分子离去，由sp3d杂化变成sp3杂化，继续取代，最终生成原硅酸。水解机理如图7所示。［资料］制备的SiHCl3气体中混少量SiH3Cl、SiH2Cl2、SiH4、HCl等杂质。含氯硅化物及SiH4、HCl的沸点如表5所示。［讨论］如何提纯SiHCl3呢？［学生］首先降温液化，再蒸馏得到SiHCl3。［教师］请依据上述精硅提纯原理设计精硅的制备流程。［汇报］通过学生互评、教师点评、学生修改等环节，最终设计流程如图8所示。［点评］改良西门子法的优点是对还原尾气进行有效的回收，降低原料的消耗，减少污染。4.3.2"组装硅太阳能电池板［教师］制得精硅以后，分别掺杂B、P元素得到p型半导体和n型半导体。［讨论］如何组装硅太阳能电池板呢？［学生］将p型半导体和n型半导体拼接在一起。拼接时n型半导体中部分自由电子移动到p型半导体就近的空穴中，从而产生了电流。［讨论］这种电流持续吗？［学生］不能持续。拼接以后，n型半导体中拼接处附近的自由电子移动到p型半导体附近的空穴中，拼接处附近电子和空穴进行了复合，该区域不再有自由电子和空穴，阻止了远处的自由电子继续向更远处的空穴移动。［教师］工业上将该区域称为pn结。pn结两侧是否存在电势差呢？［学生］p区由于得到了电子而带负电，n区由于失去了电子而带正电，形成了一个由n区指向p区的电场，两端形成了电势差。［总结］pn结的结构如图9所示。［讨论］如果用导线将拼接的p型半导体和n型半导体连接，光照射到n型半导体上时，导线上是否能产生持续电流呢？［学生］能。当太阳光照射n型半导体时，大量电子吸收能量变得自由，在电势差的作用下，n型半导体中的自由电子沿着导线流向p型半导体，同时造成pn结内部原本稳定的电子去补充n区的空穴，p区的电子去补充pn结中的空穴，形成了闭合回路。在阳光照射下，电流不断地从p区经过导线流向n区。［总结］硅太阳能电池实际上是一个大面积的pn结。当将pn结与外电路接通，在光照情况下，外电路就会产生电流，此时pn结就相当于电源。［教师］请绘制硅太阳能电池的工作原理图。［展示］学生通过讨论、修改，最终绘制硅太阳能电池工作原理如图10所示。5"项目教学效果与反思大概念引领的项目式教学，凸显学科知识的内涵和价值，加深学生对学科本质的认识和理解，帮助学生形成认识问题的一般思路，从而习得可迁移的学科核心素养［10］。通过课堂观察和课后访谈了解到，以探究硅太阳能电池发电原理为真实情境的项目学习，在一定程度上发展了学生认识物质性质的思维模型，实现了知识的系统化和结构化，促进了化学大概念的形成，落实了化学学科核心素养。当然，大概念的形成不是一蹴而就的，而是学科知识、思路、方法、态度不断整合与发展的漫长过程。需要教师不间断地对具体知识进行抽象和概括，从基础概念逐步凝练次级概念、大概念，有意识地帮助学生形成科学思维，促使核心素养导向的教学扎实落地。跨学科项目式学习为学生学习提供了一个基于学科又超越学科的学习视角，能够让学生在真实的情境中，带着问题运用多学科