依据高中化学学业质量标准开展“化学反应与能量”一轮复习教学

摘 要：高三化学一轮复习应依据学业质量标准设计教学目标和教学过程。“化学反应与能量”一轮复习教学，以“如何实现‘双碳’目标”为情境素材，设计了“如何优化能源结构”和“如何资源化利用CO2”两个微项目。教学中，通过问题驱动，引导学生关心社会议题，应用反应热和电化学原理解决实际问题，培养关注社会热点问题、主动运用所学知识服务社会的责任担当意识。

关键词：高中化学；学业质量标准；一轮复习；“双碳”目标；化学反应与能量

高中化学学业质量标准是学生在完成化学课程学习后的学业成就表现，也是教学实施和高考命题的重要依据。高三化学一轮复习应在充分研究学业质量标准的基础上进行教学设计。在教学设计过程中，首先找到与学业质量水平紧密贴近的教学情境；立足贴合的教学情境，针对生产生活实际，设计学习任务和活动；由此，确定教学目标。教学实施时，学生通过经历这些基于真实情境的学习任务和系列实践活动，在真实、复杂的问题情境中探索和学习，在解决实际问题的过程中实现深度学习。［1］下文以“化学反应与能量”主题的一轮复习教学为例，阐释如何依据学业质量标准确立教学框架。

一、 教学设计

（一） 依据学业质量标准创设教学情境

教学情境的创设首先应结合知识的实际应用从社会热点话题中选取。

“化学反应与能量”这一主题包括化学反应的热效应、原电池和电解池等学习内容。从学业质量标准来看，包括以下要求［2］：

水平4-1：能从宏观与微观、定性与定量等角度对物质变化中的能量转化进行分析和表征。

水平4-2：能依据化学变化中能量转化的原理，提出利用化学变化实现能量储存和释放的有实用价值的建议；能分析评估物质转化过程对环境和资源利用的影响。

通过该主题的学习，使学生认识到，利用化学反应，人们可以获取新物质，也可以获得能量。能源问题是事关国民经济发展的重大战略问题。目前，社会使用的能源主要还是化石能源，使用化石能源会造成环境污染，排放的CO2会引起温室效应。2020年9月，我国宣布到2030年实现碳达峰，力争到2060年实现碳中和。据此，创设的教学情境是“如何实现我国的‘双碳’目标”。

（二） 依据学业质量标准设计真实问题

情境创设后需要围绕化学知识设计真实问题，在解决真实问题中复习知识。

实现“双碳”目标，需要从改变能源结构和资源化利用CO2两个方面着手解决。学业质量标准要求“能从宏观与微观、定性与定量等角度对物质变化中的能量转化进行分析和表征”，根据这一要求，可以结合人类能源发展的历史，思考能量转化的基本趋势。

从人类的能源发展来讲，人类最早使用的是木材；之后是煤炭，成分一般为两分碳一分氢（原子数比，下同）；之后发展到石油，成分大概是一分碳两分氢；之后发展到天然气，成分是一分碳四分氢；氢能源是未来的能源发展方向。［3］上述历史进程表明，人类使用能源是向低碳方向发展的。

围绕改变能源结构，教师可以提出“为什么在三大化石能源中，甲烷是更加环保的燃料呢？”这一问题，引导学生从燃烧热的角度分析获得等量的热量时不同化石能源排放的“碳量”。我国是一个“富煤、缺油、少气”的国家。能否将煤炭转化为甲烷？对这一问题的解答则从定量的角度，运用盖斯定律对燃料的燃烧进行分析和表征。

学业质量标准要求“能依据化学变化中能量转化的原理，提出利用化学变化实现能量储存和释放的有实用价值的建议；能分析评估物质转化过程对环境和资源利用的影响”。对此，我们可以依据“模拟光合作用，将二氧化碳转化为CO和O2”这一情境素材，设置“如何资源化利用CO2？”这一大问题，引导学生在解决这一问题的过程中，依据原电池和电解池的基本原理，理解资源化利用CO2的原理，并提出改进建议。

（三） 依据学业质量标准确定教学目标

在依据学业质量标准创设教学情境，并设置好任务和问题后，我们可以进一步提出具体的教学目标。

“化学反应与能量”主题一轮复习的教学目标确定如下：

（1） 通过对“如何减少二氧化碳的排放？”问题的讨论，复习反应热以及燃烧热的概念，发展从宏观与微观角度对物质变化中的能量转化进行分析和表征的能力。

（2） 通过对“煤制甲烷”可行性的分析，复习盖斯定律及其应用，发展从定性与定量角度对物质变化中的能量转化进行分析和表征的能力。

（3） 通过对二氧化碳资源化利用的过程分析，复习原电池、电解池知识，建立原电池和电解池的认知模型，发展关注社会热点问题，主动用化学知识解决实际问题的能力。

（4） 通过对“实现‘双碳’目标的方法”的分析，发展分析评估物质转化过程对环境和资源利用的影响的能力。

综上，我们可以得到“化学反应与能量”主题一轮复习教学的情境主线、问题主线和知识主线（如图1所示）。

二、 教学过程

（一） 完成任务1：从社会热点引入主题

师 CO2的大量排放会引起温室效应。为了应对全球变暖，必须减少CO2的排放。2020年9月，我国宣布到2030年实现碳达峰，力争到2060年实现碳中和。实现“双碳”目标，有两个基本措施：减少CO2排放和增加CO2转化。而这“一减一增”，体现了节能减排、资源应用的基本思路。

［思考：从社会热点引出主题“如何实现‘双碳’目标”，从而激发学生关心社会问题的热情，增强学生的社会责任感。］

（二） 完成任务2：如何减少CO2排放？

1. 分析如何转变能源结构

师 转变能源结构是实现“双碳”目标的重要途径。列举你所知道的我国电能的构成，并分析如何调整它们的比例？

生 煤电、水电、风电、光伏发电、生物质发电、核电等。

师 （出示图2）2020年，我国非化石能源发电量占比不到50%。国家发展改革委员会预计，到2050年我国非化石能源发电占比将达91%，其中风电和太阳能发电将是未来最重要的电能形式。

［思考：实现“双碳”目标首先想到的是减少CO2排放，为此需要使用非碳能源。这个问题的讨论，能使学生了解目前我国新能源的具体形式，激发服务社会的热情。］

2. 认识煤变天然气的意义

师 中国是一个“富煤、缺油、少气”的国家。有人提出将煤转化为甲烷是实现“双碳”目标的一个思路。同学们能否从定性的角度解释这一说法。

生 煤的含碳量高于甲烷，燃烧等量的煤和甲烷，甲烷排放的CO2更少。

师 定量理解上述说法需要什么数据？

（学生回答。）

师 （出示表1）请依据数据进行解释。

生 每排放1 mol CO2，燃烧甲烷释放的能量（890.3 kJ）比燃烧煤的释放的能量（393.5 kJ）多。

［思考：三大化石能源——煤（以C表示），汽油（以C8H18表示）和天然气（CH4），从元素组成来看，含碳量依次减小，获得等量的热量所排放的CO2的量依次减小。通过这一问题，发展学生从物质组成的视角解决宏观现象的能力（对应学业质量水平4-1）。而燃烧热的数据则从定量的角度进一步检验了学生的设想。］

师 煤能转化为甲烷吗？（出示表2）判断C（s）+2H2（g）CH4（g）这一反应在一定条件下能否自发进行。

［学生写出表示燃烧热的热化学方程式，并利用盖斯定律进行计算。① CH4（g）+2O2（g）CO2（g）+2H2O（l） ΔH1=-890.3 kJ·mol-1；② C（s）+O2（g）CO2（g） ΔH2=-393.5 kJ·mol-1；③ H2（g）+12O2（g）H2O（l） ΔH3=-285.8 kJ·mol-1；C（s）+2H2（g）CH4（g） ΔH4=ΔH2+2ΔH3-ΔH1=-74.8 kJ·mol-1。］

［思考：“煤能转化为甲烷吗？”这一问题的解决需要运用“化学反应进行的方向”这一热力学知识——可以粗略判断ΔS＜0，那么ΔH如何呢？可以结合燃烧热数据，利用盖斯定律进行计算。这能够诊断学生从定性和定量的视角利用热力学方法解决实际问题的水平（对应学业质量水平4-1）。］

师 将煤转化为甲烷真的能减少CO2排放吗？

生 1 mol C和2 mol H2转化生成1 mol CH4。转化前后物质燃烧都排放1 mol CO2。但前者获得的能量大于后者。所以，获得等量的能量，相比于1 mol C和2 mol H2，燃烧1 mol CH4并不能减少CO2排放。

师 这一转化有实际意义吗？

生 将C转化为甲烷，可脱除煤中的S，防止煤燃烧时生成SO2污染环境；方便输送；可以缓解石油、天然气的对外依存度，事关国家发展战略。

师 要实现“双碳”目标，除了减少CO2排放外，还可以考虑将CO2资源化利用。

［思考：虽然煤可以转化为甲烷，但从“双碳”目标来看，这样做并不合适——因为消耗了含碳量为0的氢气，反而不利于减少CO2排放。但这样做却有实际意义，如可以防止SO2污染。这一问题的解决，有利于发展学生分析评估物质转化过程对环境和资源利用的影响的能力（对应学业质量水平4-2）。］

（三） 完成任务3：如何资源化利用CO2？

1. 判断CO2转变为CO的可行性

师 科学家一直在研究如何将CO2转化为可利用的能源物质。比如，CO22CO+O2。该反应在常温下能否自发进行？

生 ΔH＞0，ΔS＞0，常温下不能自发进行。

师 科学家受到光合作用的启发，（出示图3）通过这样的途径在常温下实现了上述转化。装置1和装置2分别是什么？上述总反应能够进行的能量来源是什么？

生 装置1是原电池装置，装置2是电解池装置，能量来源是太阳能以及原电池产生的电能。

［思考：资源化利用CO2的反应，从能量转化形式来看，都是吸热反应，是不易自发进行的，需要耦合其他反应，如耦合Zn转化为ZnO的反应，这样就可以设计为原电池。如何得到氧气？需要电解装置。电解需要的电能可以用光伏电池，能量来自太阳能，这也是储存太阳能的方式——将太阳能转化为化学能。这一问题的讨论使学生感受到自然界生化反应的神奇，同时体验用仿生的方法设计实验解决实际问题。］

师 （出示图4）过程①②③④分别在什么电极上发生？

生 过程①发生在原电池的负极，过程②发生在原电池的正极，过程③发生在电解池的阴极，过程④发生在电解池的阳极。

［思考：对原电池和电解池的电极的判断，能够帮助学生进一步理解氧化反应和还原反应以及与原电池和电解池的关系。］

2. 解析Zn－CO2原电池

师 （出示图5）写出原电池装置中发生反应的电极反应式。

（学生写出电极反应式。负极：Zn-2e-+2OH-ZnO+H2O；正极：HCO-3+H+CO2+H2O，CO2+2e-+2H+CO+H2O。）

师 请描述该原电池迁移的离子及方向。

（学生回答。教师出示资料：“双极膜是一种新型离子交换膜，膜主体可以分为阴离子交换层、阳离子交换层和中间层。中间层作用为吸水储水、催化水解离。当双极膜置于直流电场中时，中间层形成一个很高的电势梯度，在水解离催化剂下使水解离产生H+和OH-，向两极迁移。溶液中的水可以通过离子交换膜进入中间层，以补充水解离的消耗。”）

［思考：离子交换膜是原电池装置中非常重要的组成部分，对学生来说，双极膜是一个全新的概念，以资料的形式提供给学生，让学生现学现用，理解双极膜在Zn－CO2电池中所起的重要作用。］