基于项目化学习的“硫及其化合物”复习课教学

复习课从新的角度、新的高度，促进学科知识的结构化、系统化、功能化，使学生的认知水平、应用能力和价值观念达到更好的层次，从而促进学生素养的发展[1。传统的复习教学通常以知识梳理加习题讲评，教学过程往往成为教师的单向灌输，容易导致学生在学习过程中重复训练和被动接受。由于缺少思维建构过程和归纳整合，表现为零散性、记忆性的浅表学习状态，对知识的理解难以真正深化和迁移应用，故在应对新情境问题、变式思维问题时，会无从下手、生搬硬套，导致复习课促进学生素养发展的功能未能真正发挥。项目化学习作为一种基于建构主义的教与学的方法论，从“学”的视角，通过学科或跨学科的驱动性问题的探索和解决过程，调动相应的知识、能力、品质等形成公开的项目成果，获得对核心知识和学习历程的深刻理解，并在新情境中进行迁移应用2；从“教”的视角，根据学生兴趣将学习任务项目化，提供必要的学习支架，引导学生通过信息资料开展研究、方案设计和实验探究操作，在问题的解决中，实现知识的重构、能力的提升和高阶思维的发展[3]。利用真实情境进行项目化复习课教学，使得学生对知识的回忆、提取和重组，是学生面对更加复杂的学习情境时理解特定信息、实现知识整合和问题解决的策略行为[4]。以江苏省2024年高中化学优质课评比一等奖课例“船舶废气中SO2

的脱除工艺设计”教学为例，探讨基于项目化学习的复习课教学[5]1项目主题分析《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课程标准”）关于硫及其化合物相互转化的内容要求为“结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解硫及其化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响；认识物质及其转化在促进社会文明进步、自然资源综合利用和环境保护中的重要价值”；重要学业要求为“能从物质类别、元素价态的角度，预测物质的化学性质和变化，设计实验验证，并能分析、解释有关实验现象”“能有意识地运用所学知识或寻求相关证据参与社会性议题的讨论”；学业质量水平4中要求“能在物质及其变化的情境中，依据需要选择不同方法，从不同角度对物质及其变化进行分析和推断；能依据‘绿色化学’思想分析某些化学品生产和应用存在的问题，提出处理或解决的方案\"等[6]。可见，硫及其化合物相关知识不仅承载着重要的元素化学知识，更是发展学生“宏观辨识与微观探析”“科学态度与社会责任”等学科核心素养的重要载体。在新授课中学生基本掌握了硫及其化合物的重要物理性质、化学性质，能够用化学方程式等化学用语表达硫及其化合物的相互转化过程，并能够运用“价-类”二维图将元素化合价和物质类别两个视角结合起来认识硫及其化合物相互转化的实质和特征。这一阶段的学习中，大部分学生仍存在着对无机元素化合物转化过程的知识不够系统、认知视角不全面等局限性，还缺乏从多个维度认识物质性质及其转化关系的学习机会，缺少运用结构化的知识去系统分析以及解决真实问题的学习时空，因而尚未充分认识原理选择和条件控制在物质转化关系中的重要性。因此，本复习课教学不仅要进一步巩固硫及其化合物的知识结构，更重要的是学生能够调用相关知识体系和认识思路去解决新情境中的真实问题，建立基于物质转化及条件控制的综合应用化学-技术-工程知识解决实际问题的一般思路模型，从而实现知识的功能化和素养化。SO2

带来的环境问题一直是全社会重点关注的议题。“课程标准”要求能有意识地运用所学知识参与社会性议题的讨论，能运用绿色化学思想解决化学问题等。考虑到全球\"限硫令”的出台[7与近些年航运界船舶脱硫塔行业的兴起，以船舶废气中SO2

的脱除设计为真实情境，开展项目化学习，综合应用硫及其化合物知识体系及化学反应原理相关知识解决船舶脱硫塔工艺设计的实际问题，引导学生将已有知识进行结构化整合，建立解决实际问题的一般思路和方法，促进核心素养的发展。2项目教学目标（1）能够自主建构硫及其化合物的“价-类”二维图并分析船舶废气中SO2

的产生与脱除原理。（2）能够设计船舶废气中SO2

的转化利用工艺流程，并基于真实情境进行评价和优化认识化学反应的选择和条件控制对物质转化的重要影响。（3）能够分析说明物质转化在环境治理、资源利用等方面的重要作用，树立绿色化学理念，增强社会责任感。3项目实施过程本项目以船舶脱硫工艺设计为真实任务，通过“船舶废气中二氧化硫是如何产生的，有何危害”“如何除去船舶废气中的二氧化硫”“如何优化船舶废气脱硫工艺”三个连续性问题，驱动学生完成三个子任务并展示项目成果，教学流程如图1所示。设计1.小组合作，结合已知信息设计脱硫新任务三：探究船舶废气工艺能进一步优化脱硫工艺，并脱硫新工艺2.实验探究最佳pH条件分析选择最佳工艺条件3.分析pH对氧化速率的影响展示各环节工艺流程，再现体验化学工程师的成就感和项目成果展示思维进阶过程社会责任感3.1情境引人随着国际贸易和航运事业的不断发展，船舶成为国际物流交易的主要交通工具，船舶运输带来的废气污染问题在全球范围受到关注。据联合国计划署和国际海事组织统计数据显示，船舶废气年排放SO2

量约占全球排放总量的16.36%[8]3.2任务一分析船舶废气的主要成分及危害［资料卡1]船用燃料油一般为重油，是石油加工中分馏及裂化的残渣油，主要由碳、氢元素组成，硫含量0.05%～3.5%，另外还有少量N元素。含硫物质主要有S、HS、二硫化物及硫醇、硫醚等多种有机物[9][问题]船舶废气的主要成分有哪些，可能带来哪些危害？［学生]根据资料卡思考并回答船舶废气中存在CO2

、SO2

、NOx

、固体小颗粒等成分，可能带来酸雨、雾霾等危害。[问题]从船用燃料油燃烧到酸雨的形成，含硫物质是如何转化的？这些转化体现了二氧化硫具有哪些性质？［学生]分析含硫物质之间的转化过程，激活已有的“价-类”二维结构。分析通过氧化还原反应实现不同价态含硫物质之间的转化，通过非氧化还原反应实现相同价态含硫物质之间的转化。从物质类别和元素价态角度分析SO2

的性质，并进一步完善“价-类”二维图如图2所示。图4学生活动1学习成果（部分）展示设计意图：基于真实情境，引导学生激活已有认知中的硫及其化合物性质以及相互转化关系分析问题，并完善知识体系，为后续船舶废气的脱硫工艺设计奠定知识基础。3.3任务二设计船舶废气中SO2

的脱除工艺[资料卡2]随着国际社会对环境保护标准的要求日益提高，航运业的环保法规也愈发严格。自2020年1月1日起，国际海事组织（IMO）正式在全球范围内实施船用燃油硫含量不超过0.50%的规定，即全球“限硫令”[10]。业界内现有三种应对方式，即使用低硫燃料油、使用液化天然气等替代燃料、在船上安装脱硫塔（废气清洗装置）。近些年，随着低硫燃料油价格的持续攀升，越来越多的船主选择安装脱硫塔（构造示意图见图3），船舶脱硫塔行业应运而生。图3脱硫塔构造示意图[1]［学生活动1]小组合作，提出脱除船舶废气中SO2

的方法，并设计工艺流程图。小组代表展示：氧化法、还原法、碱性物质吸收法等。NaOHNaSNa2sOCmasosaSQMsaSHsOHHsoSaso碱sCa（OH+SO=CaSO+HO12NHHD+SD=WHSD+HO250+0SOS+HO=HS2H2S+SO2=3Sl+H2O[问题]船舶废气脱硫工艺设计应重点考虑哪些因素？[学生]根据船舶航行的实际条件，分析船舶脱硫工艺选择的要点：吸收效率、占地面积、原料稳定性与安全性、便于运输、原料成本、产物资源化利用等。[追问]刚才提出的脱除船舶废气中SO2

的方法是否都适用？[学生]对活动1提出的脱硫方法进行组内评价和小组间互评，选择出ΔNaOH或Ca（OH）2

吸收法，因为该吸收法相较于其他方法，存在吸收效率高、便于存储运输、安全性能高等优势。设计意图：引导学生将理论上的可行性与实际上的可行性相结合，对物质转化路径进行评价筛选，初步建立应用化学知识解决实际问题的一般思路。[问题]那么，选用哪一种碱更为适宜呢？[实验探究]比较NaOH吸收法和石灰-石膏（石灰乳）法的吸收效果，装置如图5所示。实验用品：NaOH溶液、石灰乳、SO2

、集气袋、注射器、双通阀、过滤器。图6学生活动2学习成果（部分）展示实验步骤：如图5所示，准备两套实验装置作对照试验。打开阀门1，同时将注射器1内的5mLNaOH溶液或石灰乳分别注入盛有SO2

的集气袋中，并振荡集气袋；将集气袋倒置，打开阀门2，分别将反应后的液体吸入注射器2。［学生汇报]实验现象：注人NaOH溶液的集气袋变瘪速度更快，吸收液温度升高；将吸收液吸出时，注人石灰乳的管路堵塞。实验结论：NaOH溶液吸收效率更高，反应放热，石灰-石膏法容易堵塞设备。［小结]两种方法各有优缺点。NaOH吸收法：吸收效率高，设备占地面积小，但成本高；石灰-石膏法：成本低，可回收利用石膏，但吸收效率低，吸收塔易堵塞，设备占地面积大。[问题]是否能综合两者优点设计工艺流程？[学生活动2]根据船舶航行条件，结合NaOH吸收法和石灰-石膏法的优点，设计“双碱脱硫法”工艺流程（见图6）。[学生]气液逆流，增大接触面积和接触时间，从而提高吸收效率。设计意图：通过实验探究选择脱硫方法，强化证据推理意识，辩证分析两种反应的优缺点，对脱硫工艺进行评价和改进，提升工程思维能力。3.4任务三探究船舶废气脱硫新工艺[问题]双碱脱硫法中，吸收液的稀释和循环使用过程都需要淡水，对于远洋航行的船舶来讲，会大大增加淡水负载。CaSO4

的回收经济价值低且市场趋于饱和，船舶废气脱硫后往往将产物做废弃处理，造成了二次污染和硫资源的浪费。工艺应如何进一步改进？[学生]找到一种工艺能直接利用海水且转化的副产品更有利用价值。[引导]再回到图2的“价-类”二维图中，从SO2

到亚硫酸盐或硫酸盐需要加什么？除了前面所用到的两种碱外，还有可能用哪种碱可达到目的？[资料卡3]镁法脱硫：将MgO加水调制成Mg（OH）2

浆液，吸收烟气中的SO2

，吸收液经氧化、分离提纯得到副产品。海水法脱硫：利用海水的弱碱性，吸收除去烟气中的SO2

。（已知：20%时，MgS03

的溶解度为0.57g，MgS04

的溶解度为25.5g）［学生活动3]小组合作，结合镁法脱硫和海水脱硫法，设计工艺流程，并说明工艺优点。[学生]展示流程图并说明工艺优点（见图7）。[问题]镁基-海水法脱硫效果受ΔpH的影响[12]，如何确定最佳pH条件？［实验探究]探究镁基-海水法脱硫工艺的最佳pH条件。实验用品：模拟烟气.15%Mg（OH）2

浆液、.NaOH溶液∇⋅pH传感器、.SO2

传感器、四口烧瓶、烧杯、导管、磁力搅拌器。实验装置如图8所示。图8实验装置示意图连续通入模拟烟气，测定吸收液的pH和尾气中SO2

的浓度，实验结果如图9所示。图9吸收液pH及尾气中S02

浓度随时间变化图[学生分析]随着模拟烟气的通入，Mg（OH）2

浆液pH先保持稳定后逐渐降低，尾气中SO2

浓度先保持不变后逐渐增大，时间为21s时，尾气中SO2

浓度开始逐渐增大，说明吸收效果变差，选择此时对应的pH约为7.5为最佳条件。[追问]pHgt;7.5时，SO2

吸收效果均较好，为什么不选择更大的pH条件？[学生]pHgt;7.5，SO2

脱除率变化不大，且Mg（OH）2

浆液利用率降低，造成原料的浪费。[追问]pHlt;7.5会造成怎样的影响？[学生］pH过小，脱硫效果变差，并加快设备腐蚀。[小结]综合考虑Mg（OH）2

浆液利用率和SO2

吸收效率选择最佳pH条件为7.5。实际脱硫过程中，是通过调节单位时间内Mg（OH）2

浆液的喷淋量来实现pH的控制。[问题]在催化剂作用下O2

将MgSO3

氧化为MgSO4

。02

氧化溶液中SO32-

的离子方程式为2S032-+。在其他条件相同时，浆料中02

氧化MgS03

的化学反应速率随ΔpH变化曲线如图10所示。在pH=6～8范围内，pH增大，MgS03

的氧化速率增大，其主要原因是什么？图10O2

氧化MgSO3

反应速率随pH变化图[学生]pH增大，溶液中SO32-

离子浓度增大，化学反应速率加快。[追问]从设备角度思考，为什么需要加快氧化速率？[学生]将难溶于水的MgS03

氧化为易溶于水的MgSO4

，从而避免设备堵塞。［教师]由大连海事大学研发的镁基-海水法船用脱硫系统，巧妙结合镁法和海水法脱硫的技术特点，采用成套减阻增效措施，攻克困扰绿色高效船舶海洋运输的国际技术难题，开发出的海运船舶硫排放控制装备，打破了欧美企业对高端船配市场的垄断，使中国船舶脱硫技术跻身世界一流水平[13]设计意图：根据海洋船舶脱硫的特定情境，结合资料卡信息，优化设计海运船舶脱硫工艺，促进知识的迁移应用，发展批判性思维和创造性思维；通过数字化实验探究以及图表数据的分析、解释，发展学生信息获取及加工能力，认识物质转化过程中条件控制的重要性；通过我国科学家的成果展示，增强科技自信和民族自豪感。3.5整理归纳（1）船舶废气脱硫工艺演进以及其中所蕴含的化学原理，如图11所示。图12综合解决实际问题的思路（2）综合运用化学-技术-工程知识解决实际问题的一般思路，如图12所示。设计意图：将思维过程结构化并形成一般思路，强化化学知识的应用价值，为进一步的迁移应用打下基础。4项目学习效果与反思在课堂学习中，学生化身工程师，始终围绕硫及其化合物的性质以及相互转化的“价-类”二维知识结构图，结合船舶实际生产情境，设计并优化船舶脱硫工艺。学生的设计经历了从碱吸收法到双碱脱硫法，进而为远洋航行的船舶寻找最佳脱硫工艺的思维迭代过程。课堂教学中，学生通过头脑风暴、小组合作、工艺流程展示、实验探究等多种活动解决实际问题，能积极主动参与项目的各个环节，组内有效沟通，分工明确，结合项目背景，调用已学知识提出解决问题的一般方法，自信展示项目成果，并结合实际情况反思质疑，接受评价反馈并改进解决方案。例如，学生在优化完成双碱脱硫工艺后，进一步提出了“远洋航行的船舶可否直接利用海水”的质疑，自然推动了项目任务三的生成与解决。在镁基-海水脱硫法工艺条件控制的教学环节，融合了2023年江苏化学高考试题内容，学生能够分析解释在一定条件下，pH增大导致MgSO3

的氧化速率增大的主要原因，以及实际脱硫过程中，加快MgS03

氧化速率的原因。经过任务一和任务二完成过程中化学思维与工程思维的融合训练，学生在处理此类问题时，不仅能从化学反应原理的理论角度分析问题，也能从实际设备维护、原料利用率等角度综合思考，思维方式得到了质的提升，项目化学习取得预期的成果。本项目尽管是复习课，但教学中仍重视“以实验为基础”，将