碳中和视域下简易吸碳机制作项目式学习教学设计（高中二年级化学选择性必修）

碳中和视域下简易吸碳机制作项目式学习教学设计（高中二年级化学选择性必修）

一、教学背景分析

（一）宏观背景与选题价值

【非常重要】本设计积极响应我国“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的重大战略承诺，将宏大的国家战略转化为微观的课堂实践。在当前全球气候变化的严峻形势下，二氧化碳的过量排放已成为制约可持续发展的关键因素。本项目以“简易吸碳机制作”为载体，引导学生从化学的视角审视这一全球性挑战，深刻理解化学科学在解决环境问题中的核心价值。通过项目式学习，学生不仅能够掌握学科核心知识，更能培养作为未来公民应具备的生态责任感和参与社会议题决策的素养。

（二）课标依据与教材整合

本设计严格遵循《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》的要求，精准定位于选择性必修课程。内容上，深度融合了“主题1：化学反应与能量”中关于反应热与焓变的内容，以及“主题3：水溶液中的离子反应与平衡”中的核心大概念。具体而言，项目涉及弱电解质的电离平衡（如碳酸的电离）、盐类水解的原理（如碳酸盐水解）、沉淀溶解平衡（如生成碳酸钙沉淀）以及离子反应的本质。同时，本设计突破了单一学科的界限，体现了【热点】跨学科融合理念（STEAM教育），有机整合了物理学（流体力学、气压原理、简单机械传动）、生物学（光合作用原理的类比学习）、工程学（结构设计、材料选型与系统优化）及通用技术（模型制作、工具使用），实现了从“知识传递”到“综合解决问题能力培养”的转变。

（三）学情深度剖析

1.知识储备【基础】：授课对象为高中二年级学生，已完成化学必修课程的学习，掌握了基本的化学反应原理，熟悉二氧化碳的实验室制法及其与碱反应（如澄清石灰水变浑浊）的化学性质。在物理学科中，已学习大气压强、流体流速与压强的关系（伯努利原理）。学生具备初步的实验操作能力和信息处理能力。

2.能力水平：学生具备一定的逻辑推理能力，但对于涉及多因素、多变量的复杂工程问题，其系统性思维和建模能力尚显不足。将抽象的化学平衡理论应用于解决具体的“吸收效率”问题时，容易产生思维断层，即从“定性认识”走向“定量优化”存在【难点】。

3.认知风格与心理特点：高二学生对社会热点问题（如“碳中和”）具有较高的关注度和探究欲望，渴望通过亲手实践来验证想法、创造价值。他们不喜欢枯燥的说教，对具有挑战性、开放性和实用性的项目任务表现出浓厚兴趣。小组合作意识增强，但需要引导建立有效的团队协作机制。

二、教学目标设计（核心素养导向）

（一）化学观念与知识构建

学生能够从元素守恒和物质转化的视角，阐述“吸碳”过程的化学本质，即利用碱性物质（如氢氧化钠、氢氧化钙）或特定盐溶液（如碳酸钾溶液）与二氧化碳发生化学反应，将其从气态转化为液态或固态物质。能够准确书写相关反应的离子方程式，并能运用平衡移动原理分析温度、浓度等因素对吸收效率的影响。深刻理解“性质决定用途”的化学观念。

（二）科学思维与创新意识

能够运用“物质类别-化合价”二维视角预测和分析碳的转化路径。在装置设计过程中，能够运用系统思维分析“气路-液路-反应”的协同关系，绘制装置原理示意图，并提出创造性的优化方案（如如何增大气液接触面积、如何实现吸收剂的循环利用）。培养基于证据进行推理和质疑的批判性思维。

（三）科学探究与实践能力

【重要】能够经历完整的项目式学习cycle：明确问题（如何高效吸收CO2）→原理探究（寻找合适的吸收剂）→方案设计（构思吸碳机结构）→动手制作（选材、组装、调试）→测试优化（检验吸碳效果并改进）→成果展示（交流与答辩）。掌握控制变量法在探究吸收剂效果对比实验中的应用，能够利用pH传感器、气压传感器等数字化实验设备进行定量或半定量检测，提升实验操作与数据处理能力。

（四）科学态度与社会责任

通过亲身参与“减碳”实践，深刻认识到化学技术在应对全球气候变化中的关键作用，增强绿色化学观念和可持续发展意识。在小组协作中，能够主动承担责任，尊重他人意见，理性面对失败，培养精益求精的工匠精神和团队合作的工程伦理意识。

三、教学重点与难点定位

（一）教学重点【高频考点】

1.二氧化碳与不同碱性物质（NaOH、Ca(OH)2、K2CO3等）发生化学反应的原理及离子方程式的书写。

2.基于化学反应原理进行简易工程模型设计的系统思维方法，特别是气液接触效率的提升策略。

（二）教学难点

3.多学科知识（化学原理、物理气压、工程结构）的有机整合与协同应用，解决实际设计中“理论可行”与“工程实现”之间的矛盾。

4.从定性分析到定量（或半定量）优化思维的进阶，即如何引导学生通过数据（如反应前后pH变化、压强变化）来评估装置效能并指导迭代改进。

四、项目教学准备

（一）教师准备

1.教学资源：制作项目启动PPT，包含“全球碳循环”科普视频、工业碳捕集技术（CCUS）简介、碳中和相关政策解读。开发“数字化实验”辅助课件，展示pH传感器、气压计的使用方法。准备用于启发思维的“设计思维导图”模板。

2.实验材料与工具：准备充足的化学试剂（如氢氧化钠固体、澄清石灰水、饱和碳酸钠溶液、酚酞试剂、pH试纸）、实验仪器（塑料瓶、试管、烧杯、量筒、导管、胶塞、止水夹、注射器）。提供制作材料（如小型气泵或手动打气筒、软管、三通阀、不同规格的塑料容器、3D打印喷嘴模型、吸管、热熔胶枪、剪刀、美工刀等）。配置数字化实验设备（如DISpH传感器、气压传感器及数据采集器）。

（二）学生准备

复习已学过的二氧化碳的性质、碱的通性、离子反应等知识。预习气体吸收的相关工业案例（如用碱液吸收尾气）。以小组为单位（4-5人一组），准备笔记本、绘图工具，并进行小组内初步的角色分工（如“首席化学家”负责原理、“总工程师”负责结构、“数据分析师”负责测试）。

五、教学实施过程（核心环节，共4课时，每课时40分钟）

第1课时：项目启动与原理深潜——从“碳中和”国家战略到“吸碳”化学原理

【情境导入，激发动机】（约8分钟）

上课伊始，教师播放一段剪辑视频：开篇是冰川融化、极端天气的震撼画面，随即切换到我国“库布其沙漠变绿洲”的生态建设成就，最后定格在“2060碳中和”的目标愿景图上。教师提出问题：“同学们，减少大气中的二氧化碳，除了植树造林，化学家还能做什么？如果让你设计一台‘机器’来吸收空气中的二氧化碳，它的核心工作原理应该是什么？”通过真实且具有冲击力的情境，迅速将学生的注意力聚焦于本项目的核心任务——制作一台“简易吸碳机”。【热点】

【核心问题驱动，明确项目任务】（约5分钟）

教师在黑板上写下核心驱动问题：“我们能否利用身边的材料，设计并制作一台能模拟‘人工树叶’或‘化学树’功能的简易吸碳机？”接着，教师展示本项目的最终产出物要求：一台能在教师指导下运行的、可演示其吸碳效果的简易装置。并明确项目将分为“捕风”（气路设计）、“捉碳”（吸收剂选择与反应原理）、“释碳/用碳”（产物处理与拓展）、“优化迭代”四个子任务推进。【非常重要】

【任务一：探究吸收剂的奥秘——“捉碳”原理的深度建构】（约22分钟）

这是本课时的核心环节。教师引导学生回顾已有知识：“我们在初中就知道，二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，这说明它能与氢氧化钙反应。那么，是不是所有的碱溶液都能吸收二氧化碳？哪种效果更好？”

1.提出假设：学生分组讨论，提出可能的吸收剂：水、氢氧化钙溶液（石灰水）、氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液等。

2.实验验证【基础】：学生分组进行基础对比实验。向四个相同体积的集气瓶（充满CO2）中，分别迅速注入等体积的上述四种溶液，立即盖上瓶塞，振荡。观察集气瓶的变瘪程度（定性比较吸收效果），并用燃着的木条伸入瓶口检验是否还有CO2剩余。

3.现象辨析与原理深化：学生观察到注入NaOH溶液的瓶子最瘪，木条熄灭最彻底。教师引导学生写出化学方程式：

CO2+H2O⇌H2CO3（物理溶解为主，吸收量小）

Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O（生成沉淀，吸收效果好但有溶解度限制）

【高频考点】2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O（吸收效率高，无沉淀，但无明显现象）

进阶问题：Na2CO3溶液也能吸收CO2，这是为什么？教师引导学有余力的学生查阅资料或根据提示写出反应：Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3。引出利用盐溶液吸收CO2的新思路，为后续优化埋下伏笔。

4.【难点】微观机制探讨：利用数字化传感器数据（可提前录制或引用研究成果）展示，NaOH溶液吸收CO2时，溶液pH随时间变化的曲线。引导学生分析pH下降的原因，理解H+浓度增加与HCO3-、H2CO3生成的关系，从而将宏观现象与微观粒子变化联系起来。

【课堂总结与任务布置】（约5分钟）

教师总结：高效的吸收剂是吸碳机的“心脏”。今天我们从化学原理上找到了几种有效的“捉碳”能手，特别是NaOH和Na2CO3溶液。课后，请各小组查阅资料，从吸收效率、成本、安全性、是否易于再生等角度，初步选定你们小组将要使用的吸收剂，并撰写一份简短的“吸收剂选型分析报告”。

第2课时：工程思维介入——“捕风”设计与整体方案构想

【成果反馈与问题聚焦】（约5分钟）

教师简短点评各小组的“吸收剂选型分析报告”，肯定优点（如有的小组提到用氢氧化钾溶液吸收效果更好，有的提到有机胺吸收法等），指出共性问题：大家只关注了“化学吸收”，但气体如何高效地“送”进吸收剂里？引出本课时的核心：气路系统设计，即“捕风”。

【任务二：气路设计与装置整体建模——工程思维的启蒙】（约30分钟）

1.头脑风暴：教师展示几种工业上的气液接触设备图片（如喷淋塔、填料塔、鼓泡塔）。“实验室里没有几十米高的塔，我们如何用塑料瓶、吸管、气泵来模拟这些原理？”

2.原理链接（物理跨学科）：引导学生回顾伯努利原理或连通器原理。思考：如何让气体（空气）主动进入反应室，而不是被动扩散？如何增大气体与液体的接触面积？

3.方案构思与草图绘制【重要】：

1.方案A（鼓泡式）：用气泵或打气筒将空气压入装有吸收剂的瓶底，空气以气泡形式穿过液层。讨论点：气泡越小、路径越长，接触越充分。如何实现？（加装砂芯、用多孔隔板、延长导管路径）

2.方案B（喷淋式）：将吸收剂用微型泵抽到顶部，以喷淋形式下落，空气从侧面进入形成逆流接触。讨论点：如何实现液体的循环利用？如何保证喷淋均匀？

3.方案C（表面吸收式）：用浸润了吸收剂的多孔材料（如海绵、无纺布）填充在管道内，让空气流过材料表面。

各小组选择一个主攻方向或提出融合方案，在纸上绘制出装置的结构示意图，标注各部分功能（进气口、出气口、液路循环、反应室）。

1.可行性分析：各小组派代表上台利用实物投影仪展示草图，阐述设计理念。其他同学和教师从“原理科学性”、“材料易得性”、“可操作性”三个维度进行提问和建议。教师特别强调“系统思维”：化学反应的效率（温度、浓度）与物理结构（气密性、气液接触面积）是相互影响的，必须协同考虑。

【任务布置与材料规划】（约5分钟）

课后任务：各小组根据确定的设计方案，列出所需的材料清单（如：2.5L可乐瓶、橡胶塞、玻璃管、乳胶管、鱼缸气泵、热熔胶等）。课后收集材料，下节课带来。

第3课时：动手制作与原型机搭建——从图纸走向现实

【安全教育与工具使用规范】（约5分钟）

【非常重要】教师强调热熔胶枪、美工刀等工具的安全使用规范。强调化学试剂（特别是NaOH溶液）的安全取用规则（戴手套、护目镜）。明确实验室废液处理要求。

【任务三：原型机制造——匠心与协作的考验】（约30分钟）

学生以小组为单位，根据设计图纸开始搭建吸碳机原型。教师巡视，扮演“技术顾问”角色，对各组遇到的工程问题进行引导性帮助。

1.A组（制作鼓泡式吸碳机）：他们正尝试用热熔胶将一根带有砂芯的玻璃管密封在瓶盖上。教师引导：“注意气密性！接上气泵后，如果漏气，气泡就没了。如何检验气密性？”（封住进出口，用注射器打气看是否回弹）

2.B组（制作喷淋式吸碳机）：他们用小型潜水泵将吸收液抽到瓶顶的淋浴头，但发现喷淋不均匀。教师引导：“水流是不是太大了？液体下落太快接触时间短。可以考虑加个阀门控制流速，或者在顶部增加一个布水器。”

3.C组（尝试表面吸收式）：他们用NaOH溶液浸泡海绵后填充在U形管中。教师提示：“长时间运行，海绵里的溶液会饱和，你们如何更换或补充吸收液？是不是要考虑一个滴加装置？”

在这个过程中，教师引导学生记录遇到的问题和临时的解决方案，强调“失败是工程实践的一部分”。

【初步测试与问题记录】（约5分钟）

各小组完成组装后，进行通气和加液的初步测试。有的组发现连接处漏液，有的组发现气泵功率不足气泡太少，有的组发现出气口有液滴带出（缺少除雾器）。教师引导学生将这些问题详细记录在“项目日志”中，作为下一节课迭代优化的依据。

第4课时：测试优化、成果展示与项目反思

【任务四：效能测试与迭代优化——量化思维的培养】（约15分钟）

1.制定测试方案【难点突破】：各小组讨论如何证明自己的吸碳机“吸碳”了？效果如何？教师引导学生避免“拍脑袋”式的评价，提供数字化实验工具支持。

1.方案一（pH变化法）：测量吸收液反应前后的pH值变化。pH升高还是降低？（吸收CO2后生成碳酸或碳酸氢盐，pH应降低）。pH变化越大，吸收的CO2越多。

2.方案二（气压变化法）：将装置的进气口和出气口用软管连接成一个密闭循环系统，中间接入一个气压传感器。启动气泵，观察系统内气压随时间下降的曲线。曲线越陡，下降幅度越大，说明气体被吸收得越快、越多。

3.方案三（经典沉淀法）：如果用的是澄清石灰水，可通过称量生成的碳酸钙沉淀质量来定量计算。

1.迭代优化：各小组根据测试数据，分析自己装置的优缺点。例如，发现pH变化不明显的组，意识到是气液接触时间太短，于是立即在反应瓶中增加一段“导流板”或加装多层隔板以延长路径。这个过程让学生亲身体验到“设计-制造-测试-改进”的工程闭环。

【成果展示与答辩——汇聚高光时刻】（约20分钟）

这是项目的最终展示环节，各小组轮流上台，向全班同学和特邀评委（如其他年级的化学老师、物理老师）展示他们的“简易吸碳机”。

展示内容包括：

1.作品演示：现场启动装置，展示吸碳效果（如用pH计实时显示数据，或通过澄清石灰水变浑浊的现象证明排出了CO2）。

2.设计思路阐述：介绍本组吸收剂选型原因、结构设计的巧思、遇到的工程困难及解决方法。

3.数据分析：展示测试数据，说明本装置的吸碳效率。

评委和其他小组同学从创新性、科学性、实用性、美观度、团队协作等方面进行提问和打分。教师在此过程中引导学生学会欣赏他人的优点，礼貌地质疑，并客观地评价。

【项目总结与反思——从实践走向素养】（约5分钟）

教师对本次项目式学习进行全面总结。首先，充分肯定所有小组的付出和创意，从化学原理的准确应用到工程实现的精巧构思。其次，引导学生回顾整个项目历程：我们不仅学会了如何用化学知识吸收CO2，更重要的是，我们学会了像科学家一样思考，像工程师一样解决问题。我们经历了失败，经历了迷茫，但最终通过团队合作和不懈努力，创造出了属于我们自己的“减碳”成果。最后，布置一份反思性作业：撰写一份不少于500字的项目学习反思报告，内容包括“我学到了什么跨学科知识？”“我遇到了什么困难，如何克服？”“如果再做一次，我会在哪些方面改进？”“我对化学、技术与社会的关系有了哪些新认识？”

六、学习评价设计（多元化与过程性并重）

本设计摒弃单一的结果评价，构建了贯穿项目始终的多元评价体系。

（一）过程性评价（占60%）

1.【基础】课堂参与度（10%）：小组讨论的积极性、提出问题的质量、对他人观点的回应。

2.【重要】项目日志与过程文档（20%）：包括吸收剂选型分析报告、设计草图及迭代记录、实验数据记录、遇到的困难及解决思路。重点考查思维的连贯性和深度。

3.【重要】团队协作表现（10%）：小组成员间的分工合作、沟通协调能力、对小组共同成果的贡献度。通过组内互评和教师观察综合评定。

4.【高频考点】实验操作规范（20%）：试剂取用、仪器使用、安全防护等方面的规范性和安全意识。

（二）终结性评价（占40%）

5.作品质量（20%）：依据事先公布的量规，从“化学原理科学性”（吸收剂选择与反应效率）、“工程设计合理性”（结构稳定、气液接触高效、气密性好）、“创新性”（有独特的改进或设计亮点）、“展示效果”（现场演示成功、讲解清晰）四个维度进行评分。

6.答辩表现与反思报告（20%）：逻辑清晰、表达流畅、能准确回答评委提问；反思报告深刻、真实，能体