九年级化学沪教版下册·能源综合利用大单元教学设计-基于STSE理念的跨学科项目式学习课例

九年级化学沪教版下册·能源综合利用大单元教学设计——基于STSE理念的跨学科项目式学习课例

一、教学设计核心素养与顶层架构

（一）课标定位与内容重构

依据《义务教育化学课程标准（2022年版）》“化学与社会·跨学科实践”学习主题，本设计将沪教版九年级下册第9章第2节“能源的综合利用”从传统课时教学升维为四课时大单元项目式学习。以“为未来城市设计能源系统”为核心驱动任务，整合“化石燃料的深加工与清洁化”“新能源技术的原理与突破”“化学电源的微观机制”“能源政策与碳中和路径”四大进阶模块。本单元隶属“可持续发展”大概念统摄下的核心内容，其学科本体是化学反应中的物质变化与能量转化，跨学科接口连通物理（能量守恒、电路）、地理（资源分布）、生物（碳循环）、工程技术（氢能储运），是培育学生“科学观念”“科学思维”“探究实践”“态度责任”四大核心素养的典型载体。

（二）学情精准画像

认知起点：学生已学习燃烧条件、化学反应中的热量变化、常见碳单质及其化合物性质，能够书写甲烷、氢气燃烧的化学方程式，初步具备从元素视角分析燃烧产物的能力。生活经验层面，学生了解汽油、天然气是燃料，接触过干电池、充电宝，但对“石油分馏是物理变化而煤干馏是化学变化”的本质区别存在迷思概念，对氢能“极理想又极难”的双重性缺乏辩证认知。

思维特征：九年级学生处于形式运算阶段，能够基于证据进行推理论证，但面对“能源利弊权衡”这类开放性问题时，非黑即白的二元思维显著，需通过多维度评价矩阵训练批判性思维。本设计通过四课时递进式问题链，完成“事实获取—原理分析—系统建模—决策输出”的思维升级。

跨学科准备：学生在地理学科学习过我国“西煤东运”“西气东输”“西电东送”等资源调配工程，在物理学科学习过能量转化与简单电路，为本节从化学视角深度解析能源物质本质提供了知识锚点。

（三）四维素养目标体系

【科学观念】※核心观念·重中之重※

能辨识一次能源与二次能源、可再生能源与不可再生能源；理解煤、石油是复杂的混合物，其综合利用是基于组分沸点差异或化学键断裂重组进行的物质分离与转化；建立“能源利用的本质是化学能向其他形式能量的转化”这一学科大概念；形成“能源结构转型受资源禀赋、技术水平、环境承载力三重制约”的系统观。

【科学思维】※关键能力·思维难点※

能运用“宏观—微观—符号”三重表征分析甲烷燃烧、原电池反应；能通过化石燃料组成与燃烧产物的关联推理，建立“元素守恒—产物预测—环境影响”的分析模型；能从储量、热值、制取成本、储运安全性、碳排放强度等多个维度对不同能源方案进行批判性比较与利弊权衡；能基于碳中和目标逆向推演区域能源结构优化方案。

【探究实践】※能力载体·评价焦点※

能规范操作甲烷验纯与燃烧实验，设计实验方案验证甲烷中含有碳、氢元素；能分组组装简易铜锌原电池，通过电流表指针偏转感知化学能向电能的直接转化；能运用文献调查法搜集我国能源矿产分布、战略性新兴产业（氢能、储能）政策数据；能绘制能源变迁时间轴与未来能源结构预测雷达图。

【态度责任】※育人旨归·价值引领※

通过追溯煤、石油的远古生物成因，敬畏自然演化之漫长，理解化石燃料的不可再生性；通过对比“直接燃烧”与“深加工综合利用”的环境与经济效益，认同化学是提升资源利用效率的核心科技；在“为未来城市选能源”项目辩论中，体认能源公平、代际正义、人类命运共同体等深层伦理。

（四）评价前置与量规设计

本设计采用逆向教学设计原则，在教学活动展开前向学生发布单元评价量规。评价覆盖三个维度：概念理解准确性（如能否准确区分干馏与分馏的本质）、探究实践规范性（原电池组装成功率、实验报告严谨性）、决策论证合理性（能源方案需综合考虑技术成熟度、经济成本、区域适配性）。核心证据包括：课堂问题链应答水平、分组实验记录单、城市能源规划提案（含设计图、论证依据、碳减排测算）。

二、教学实施过程（四课时递进深化）

第一课时：化石燃料的“深加工密码”——从黑金到百变的化学魔术

【驱动问题】一块黑色的煤、一桶黏稠的石油，为何能变成驱动汽车的汽油、铺路的沥青、甚至你衣服上的化纤？

【教学主线】生活感知→实验求证→工业仿真→价值升华

【实施步骤】

（一）情境锚定——能源物质的前世今生（5分钟）

教师呈现山东滕州墨子故里“煤化工产业园区”航拍图与辽宁盘锦“石油分馏塔”夜景，设问：三千年前墨子在这里烧制陶器用的是木柴，今天我们在这里将煤炭“吃干榨净”。化学家究竟对化石燃料施了什么魔法？学生调动已有经验初步回答，暴露前概念：部分学生认为“石油分馏是裂解”“煤焦油是燃烧产物”。

（二）核心探究一：煤的“化学炼金术”——干馏※【重点】※【高频考点】※（12分钟）

教师演示实验：将烟煤粉放入硬质试管中，隔绝空气强热，检验生成的气体（点燃验证可燃性），观察试管壁凝结的煤焦油，冷却后取出试管内的灰黑色固体（焦炭）。学生小组观察记录。

追问链设计：

1.这个过程是物理变化还是化学变化？你的证据是什么？（生出：生成了新物质——焦炭、煤焦油、焦炉气，此前煤中并无这些物质）

2.煤本身是纯净物还是混合物？为何干馏能得到多种产物？（教师揭示：煤是复杂有机物与无机物的混合物，干馏使其大分子结构发生热解断键）

3.【思维难点·关键突破】工业炼焦的价值在哪里？教师呈现数据：1吨煤直接燃烧发热值约7000大卡，若干馏得到焦炭（冶金用）、煤焦油（提取苯、萘、沥青）、焦炉气（主要成分为H₂、CH₄），综合价值提升4-6倍。学生顿悟：综合利用的本质不是“烧掉”，而是“拆解重组”。

（三）核心探究二：石油的“分子分离术”——分馏※【重点】※【必考辨析】※（12分钟）

问题切入：“煤干馏是化学变化，那石油分馏呢？”学生阅读教材，小组辨析。教师播放石油分馏塔3D动画，动态呈现原油加热后不同沸程组分在不同塔板冷凝分离：石油气（C₁-C₄）→汽油（C₅-C₁₂）→煤油（C₁₂-C₁₆）→柴油（C₁₆-C₁₈）→润滑油/石蜡（C₁₈-C₂₀）→渣油（C₂₀以上）。

关键提问：分馏过程中，分子本身有没有变成新分子？（生：没有，碳原子数没变）这依靠的是物理性质中的什么差异？（生：沸点）教师强化：分馏是物理变化，干馏是化学变化——这是本节选择题第一高频陷阱。

（四）思维建模——化石燃料综合利用矩阵（8分钟）

小组合作绘制“化石燃料深加工图谱”，从原料、加工方式（物理/化学）、主要产品、核心用途四个维度对比煤、石油、天然气。教师巡导，挑选优秀图谱投影展示，学生互评。

（五）态度内化——工业粮食的忧思（8分钟）

呈现资料1：我国煤炭资源储采比（可开采年限）约40年，石油约18年；资料2：山西某焦化产业园区的环保升级改造案例——焦炉煤气制氢、煤焦油深加工成碳纤维。研讨：化学是能源危机的制造者还是拯救者？学生形成共识：不加处理的燃烧是破坏，深度利用化学原理进行综合利用才是出路。

【本课时核心知识罗列】※【应列尽罗】※

煤的组成（主要含C，少量H、O、N、S）；煤干馏的定义（隔绝空气加强热）、产物（焦炭、煤焦油、粗氨水、焦炉气）、变化类型（化学变化）；石油的组成（多种碳氢化合物混合物）；石油分馏的原理（利用沸点差异）、产物（石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油、石蜡、沥青）、变化类型（物理变化）；天然气主要成分（甲烷）、甲烷燃烧化学方程式（CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O）、甲烷验纯方法；化石燃料不可再生性；我国西气东输工程意义。

第二课时：燃烧的代价与清洁化的突围——从穹顶之霾到碧水蓝天

【驱动问题】北方农村“煤改电”“煤改气”推行时，为何有的村民说“电暖气暖和但贵，散煤便宜但有味”？能源转型的阻力究竟在哪里？

【教学主线】污染物溯源→实验模拟→技术路径→政策认同

【实施步骤】

（一）真实问题导入：京津冀“煤改电”争议（6分钟）

呈现2023年京津冀PM2.5来源解析报告（燃煤贡献率约25%），同时呈现某农村居民访谈实录：“不用煤用啥？一冬天电费三千多，补贴有时不到位。”设问：政府花巨资推行煤改电，这笔账到底该不该算？请从环境账、经济账、健康账三个维度思考。

（二）实验探究：煤烟里的“隐形杀手”※【难点】※【高频热点】※（12分钟）

分组实验：分别点燃酒精（模拟清洁燃料）和烟煤块，用棉花蘸取澄清石灰水悬于火焰上方，观察石灰水变浑浊程度对比；用湿润的蓝色石蕊试纸接近烟煤火焰，试纸变红（SO₂、NO₂溶于水成酸）。教师补充：烟煤燃烧还排放大量未燃尽的炭粒（黑烟）、多环芳烃（强致癌物）。

建模分析：从元素视角建立“燃料组成—燃烧条件—产物性质”链条。煤中含S、N元素→燃烧生成SO₂、NOₓ→遇水成酸→酸雨；燃烧不充分→生成CO（剧毒）、炭黑（吸附有毒物质）；CO₂积聚→温室效应。

（三）技术路径剖析：化石燃料的清洁化利用※【重点】※（10分钟）

1.煤的脱硫技术：钙基固硫法——化学原理：CaCO₃高温分解为CaO，CaO+SO₂→CaSO₃，进一步氧化为CaSO₄，将硫固定在废渣中。化学方程式书写训练。

2.煤的气化与液化：气化——C+H₂O(g)高温→CO+H₂（水煤气）；液化——CO+H₂催化剂→液态烃（模拟甲醇合成）。教师强调：这是煤的化学转化，产物更清洁易输运。

3.天然气替代：相对煤和石油，天然气是较清洁的化石能源，单位热值CO₂排放低约30%，几乎无SO₂排放。

（四）社会性科学议题（SSI）辩论：“全面禁煤”是激进还是远见？（12分钟）

小组根据课前搜集资料分正反方。正方论据：发达国家能源转型经验、巴黎协定承诺、居民健康权优先；反方论据：能源安全依赖、贫困群体可承受力、新能源供电稳定性。教师立场：不追求非黑即白的结论，而是引导学生认识到能源转型必须是“技术突破+政策补偿+公众理解”的系统工程。最终共识：化学家的使命是研发更廉价、更高效的清洁能源技术，降低转型成本。

（五）决策模拟：给乡镇府写一封“农村清洁供暖建议书”（5分钟开题，课后完成）

要求运用本课所学，从燃料成本、取暖效果、环境效益、技术可行性四个维度对比“生物质颗粒”“空气源热泵”“低硫型煤”“天然气”四种方案。

【本课时核心知识罗列】※【应列尽罗】※

化石燃料燃烧主要污染物：CO₂（温室效应）、SO₂与NOₓ（酸雨）、CO（中毒）、可吸入颗粒物（雾霾）；酸雨形成化学原理（SO₂→H₂SO₃→H₂SO₄）；温室效应的全球生态影响；清洁煤技术（选洗、型煤、固硫、气化、液化）；乙醇汽油的成分与意义（减少芳烃、烯烃排放）；车用乙醇汽油中乙醇的可再生属性（粮食发酵）；“煤改电”“煤改气”政策背后的能源结构优化逻辑；碳中和愿景下化石燃料的角色转型。

第三课时：未来能源实验室——从太阳到氢能的转化之路

【驱动问题】有人说氢能是“终极能源”，但为什么我们还没开上氢能汽车？卡脖子卡在哪里？

【教学主线】能量来源追溯→氢能闭环理想模型→技术瓶颈实证→中国优势赛道

【实施步骤】

（一）万物能源的源头※【重要观念】※（5分钟）

追问：地球上的化石燃料、风能、水能、生物质能，最初的源头在哪里？学生齐答：太阳能。教师呈现：远古生物通过光合作用固定太阳能→动植物残体深埋→煤、石油。今天利用太阳能光伏板，是直接捕获太阳的馈赠。引出核心观念：人类利用的能源绝大多数间接或直接来自太阳。

（二）氢能：理想与现实的撕裂※【重中之重】※【高频考点】※（15分钟）

1.理想侧——氢的“绿色基因”：学生列举氢气燃烧优点——热值高（142kJ/g，是汽油3倍）、产物是水零污染、来源广泛（水）。书写化学方程式：2H₂+O₂→2H₂O。

2.现实侧——制取之困：教师呈现三种制氢路径图。

路径A：电解水制氢（2H₂O电解→2H₂↑+O₂↑），设问：若电力来自煤电，这氢还“绿色”吗？学生计算转换链：煤化学能→电能→氢化学能，总效率仅30%，且煤电过程已排放CO₂。此为“灰氢”。

路径B：化石燃料重整制氢（CH₄+H₂O高温→CO+3H₂），成本低，但副产CO₂。此为“蓝氢”或“灰氢”。

路径C：太阳能/风能电解水制氢——绿氢。目前成本是灰氢的2-3倍。

3.现实侧——储运之困：模拟实验——将氢气充入气球，气球迅速上浮且几天后明显漏气。教师引申：氢分子极小，易导致金属氢脆，液氢需-253℃低温，储运密度极低。这是氢燃料电池汽车推广的最大工程障碍。

（三）技术攻坚：我是一名氢能工程师（8分钟）

呈现我国科技攻关案例：70MPa高压IV型储氢瓶（碳纤维全缠绕）、固态储氢材料（镁基合金）、中国石化库车绿氢示范项目（年产2万吨绿氢）。学生感悟：从化学原理到工程应用，需要几代人的接力。

（四）太阳能的其他利用形式※【重点】※（5分钟）

光伏发电（光→电）、光热转换（太阳能热水器、塔式熔盐发电）、光化学转化（人工模拟光合作用）。联系前面知识：煤干馏、石油分馏需要热能，未来可用太阳能热源替代燃烧供能。

（五）生物质能：被忽视的零碳能源（5分钟）

沼气工程——将秸秆、畜禽粪便厌氧发酵，主要成分甲烷（CH₄）。学生书写沼气燃烧方程式，与天然气对比。教师点拨：生物质能在燃用过程中虽也排放CO₂，但这是短周期碳循环（植物光合作用刚固定的碳），对大气CO₂浓度净增加无贡献，故视为零碳能源。

（六）跨学科建模：绘制“未来理想能源网”概念图（7分钟）

融合化学、物理、地理知识，构想2060碳中和时某城市的能源结构：海上风电、光伏电解水制氢、氢燃料电池调峰、氢冶金替代焦炭、生物天然气并入管网。

【本课时核心知识罗列】※【应列尽罗】※

氢能源三大优点（来源广、热值高、无污染）；氢能开发利用面临的三大困难（制取成本高、储存难、运输难）；电解水原理与电极反应；三种制氢路径对比；太阳能利用三种形式（光热、光电、光化学）；生物质能定义与沼气生产原理；乙醇是可再生能源；核能、风能、地热能、潮汐能简介（不展开，作能源结构补充）；我国“绿氢”产业布局（西北风光基地配套制氢）。

第四课时：化学电源——藏起来的发电厂

【驱动问题】一块小小的电池，没有火焰、没有涡轮，为何能让电动汽车飞驰、让手机运行一整天？

【教学主线】体验感知→微观探秘→宏微结合→社会责任

【实施步骤】

（一）破冰：电池的“静音革命”（3分钟）

师生互动：列举你身边有多少种电池？纽扣、18650圆柱、方形铝壳、软包……引出课题：这些电池绝大多数是化学电池——将化学能直接转化为电能的装置，转化效率可达80%以上，而火力发电从化学能到电能仅30-40%。

（二）经典重现：铜锌原电池——跨越158年的智慧※【重中之重】※【高频考点】※【必考实验】※（15分钟）

分组实验（两人一组）：锌片、铜片插入稀硫酸，用导线连接电流表。

现象层级观察：

1.锌片表面有气泡（锌与硫酸直接反应）；

2.铜片表面无气泡；

3.导线连接后，铜片表面产生气泡，电流表指针偏转。

认知冲突制造：气泡为何从铜片上冒出？氢气是铜产生的吗？

微观探析（动画模拟）：锌原子失电子变成Zn²⁺进入溶液，电子经导线流向铜片；溶液中H⁺在铜片上得电子变成H₂。书写电极反应式：

负极（Zn）：Zn-2e⁻=Zn²⁺（氧化反应）

正极（Cu）：2H⁺+2e⁻=H₂↑（还原反应）

总反应：Zn+H₂SO₄=ZnSO₄+H₂↑

关键建构：原电池的本质是将一个自发的氧化还原反应的电子转移，通过外电路定向移动形成电流。【思维难点·彻底突破】

（三）电池家族图谱※【重点】※（12分钟）

4.一次电池：干电池（锌锰电池）——不可充电，放电后物质组成不可逆。

5.二次电池：铅酸蓄电池（汽车启动电池）、锂离子电池（手机、电动汽车）——可充电，放电时化学能→电能，充电时电能→化学能。书写铅蓄电池总反应（Pb+PbO₂+2H₂SO₄放电/充电2PbSO₄+2H₂O），体现可逆过程。

6.燃料电池：不燃烧燃料，而是将燃料（氢气、甲烷、甲醇）和氧化剂的化学能连续转化为电能。核心装置是电极与电解质膜。强调：氢燃料电池的产物是水，是未来移动能源终极方案。

（四）工程师视角：电池性能评价指标（5分钟）

比能量（Wh/kg）、比功率（W/kg）、循环寿命、安全性、成本。学生用这四个指标评价铅酸电池与锂电池的优劣。

（五）科学伦理与社会责任：废旧电池归去来兮※【热点】※（10分钟）

实验：将纽扣电池砸开（教师演示防护），观察内部黑色糊状物。讲解：含汞电池废弃后，汞渗入土壤，微生物甲基化生成剧毒甲基汞，通过食物链富集。学生反思：化学在赋予我们便利能源的同时，也留下了废弃物治理的课题。

政策窗口：我国《“十四五”循环经济发展规划》强调动力电池回收。展示格林美、宁德时代“退役电池—梯次利用—拆解再生”闭环模式。学生小组讨论：作为消费者，能为电池污染减做什么？（选购无汞电池、投放专用回收箱、拒绝过度充电）

（六）单元大任务发布：为未来城市设计“能源微网”（10分钟课堂研讨，课后完整输出）

项目要求：以4人小组为单位，为一座10万人口的未来社区设计能源系统。需包含：①能源供应侧（本地可再生能源比例≥50%）；②储能调峰方案（化学电池、抽水蓄能、氢储能选一）；③交通能源（电动汽车、氢能公交）；④碳减排测算；⑤可行性论证。最终成果形式：A3海报+5分钟推介演讲。

【本课时核心知识罗列】※【应列尽罗】※

化学电池定义与能量转化实质；原电池构成三要素（电极、电解质溶液、闭合回路）；原电池工作原理（电子定向移动、氧化反应在负极、还原反应在正极）；锌铜稀硫酸原电池电极反应式与总反应式；常见化学电池类别（干电池、蓄电池、燃料电池）；铅蓄电池反应与可充电特征；锂离子电池优势与应用；废旧电池重金属污染（汞、镉、铅）；电池回收与无害化处理；新能源汽车动力电池发展现状。

三、教学资源与跨学科整合矩阵

（一）教材二次开发与重组

打破原教材“化石燃料—新能源—电池”并列式编排，构建“问题溯源—原理深化—技术应用—决策输出”的螺旋上升结构。将教材第96页“化学能转化为电能”实验前置为思维冲突触发器，后置“氢能”为电池燃料的延伸。引入真实政策文件（《“十四五”能源领域科技创新规划》摘要）作为阅读材料。

（二）跨学科连接点固化

物理学科：第1课时结合“沸