張靈麗

摘要： 以“碳中和”為例運(yùn)用項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生了解什么是碳中和以及實(shí)現(xiàn)碳中和的四種主要途徑： 碳捕集、碳循環(huán)、碳替代、碳封存。探討碳循環(huán)及二氧化碳為核心的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程以及氣候、環(huán)境和碳循環(huán)的關(guān)系。引導(dǎo)學(xué)生從個(gè)人做起，制定低碳行動(dòng)方案;了解碳中和的技術(shù)展望，提高認(rèn)識(shí)化學(xué)學(xué)科價(jià)值，培育科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

關(guān)鍵詞： 碳中和; 項(xiàng)目化學(xué)習(xí); 科學(xué)態(tài)度; 社會(huì)責(zé)任; 教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2022）06006005

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

2020年9月22日，中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上首次宣布中國(guó)將努力爭(zhēng)取到2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的氣候目標(biāo)?；瘜W(xué)教師有責(zé)任引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)的視角來(lái)認(rèn)識(shí)碳中和這一社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題。為此，筆者以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的方式設(shè)計(jì)碳中和課例，引導(dǎo)學(xué)生了解什么是碳中和、如何實(shí)現(xiàn)碳中和、碳中和的技術(shù)展望以及碳中和的重要意義。

1 設(shè)計(jì)思路

“碳中和”是科學(xué)技術(shù)社會(huì)環(huán)境相互關(guān)系及可持續(xù)發(fā)展大概念的具體表現(xiàn)，是二氧化碳溫室氣體過(guò)量排放導(dǎo)致氣候變暖等環(huán)境問(wèn)題引發(fā)的社會(huì)性議題和人類共同面對(duì)的挑戰(zhàn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)“碳中和”項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生從個(gè)人、國(guó)家、國(guó)際不同層面制定碳中和方案，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題，學(xué)會(huì)用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，彰顯化學(xué)學(xué)科價(jià)值，發(fā)展學(xué)生的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)通過(guò)真實(shí)和具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，使學(xué)生逐步獲得知識(shí)、技能和關(guān)鍵品格[1]。通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景，對(duì)知識(shí)加以遷移應(yīng)用，進(jìn)而解決問(wèn)題，體現(xiàn)化學(xué)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值，使學(xué)生能力和化學(xué)思維均得到不同程度的提升[2]。本文以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的方式，設(shè)計(jì)碳中和教學(xué)案例，通過(guò)探究碳循環(huán)和二氧化碳的性質(zhì)與變化等知識(shí)，學(xué)生逐漸養(yǎng)成變化觀念來(lái)解決化學(xué)問(wèn)題;通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料和實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生形成化學(xué)思維，發(fā)展創(chuàng)新意識(shí);通過(guò)感受二氧化碳對(duì)人類的生活、生產(chǎn)、環(huán)境的重要作用以及影響，學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度及社會(huì)責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識(shí)，發(fā)揮化學(xué)課程的全面育人功能。

2 教學(xué)流程

“碳中和”復(fù)習(xí)課是滬教版九年級(jí)《化學(xué)》（上冊(cè)）第2章和（下冊(cè)）第7章的內(nèi)容?！疤贾泻汀睆?fù)習(xí)圍繞“二氧化碳”展開，課程形式是校本課程。

項(xiàng)目流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 任務(wù)一： 什么是碳中和？

[情境1]播放視頻： 習(xí)近平承諾中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰到碳中和的時(shí)間。

[問(wèn)題1]你們知道什么是“碳中和”嗎？

[學(xué)生]碳中和是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，二氧化碳的人為移除與人為排放相抵消。

[問(wèn)題2]為什么要實(shí)現(xiàn)碳中和？什么是溫室效應(yīng)的危害？

[資料]人類進(jìn)入工業(yè)化以來(lái)，二氧化碳排放量不斷增加，導(dǎo)致全球氣溫升高，冰川融化、海平面上升等諸多環(huán)境問(wèn)題，人類賴以生存的環(huán)境面臨著前所未有的威脅與挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1850年以來(lái)大氣中二氧化碳濃度持續(xù)上升，全球氣溫上升了

0.9～1.2℃，海平面升高了20cm。特別是近30年來(lái)，全球海平面上升速度達(dá)到0.32cm/a，到本世紀(jì)末，如果全球氣候升溫達(dá)到2℃，海平面升高將達(dá)到36～87cm，99%的珊瑚礁將消失，陸地上約13%的生態(tài)系統(tǒng)將遭到破壞，許多植物和動(dòng)物面臨著滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。下圖是主要國(guó)家二氧化碳排放量統(tǒng)計(jì)，如圖2所示[3]。

[問(wèn)題3]二氧化碳的來(lái)源？

[學(xué)生]化石燃料的燃燒、動(dòng)植物的呼吸、碳酸鹽礦石的分解等等。

[教師]關(guān)于溫室效應(yīng)，你需要知道兩個(gè)數(shù)字，第一個(gè)是510億，第二個(gè)是0。510億是全球每年向大氣中排放的溫室氣體的大致噸數(shù)。0是我們需要達(dá)成的目標(biāo)。源于人類活動(dòng)的溫室氣體排放量的占比如表1所示[4]。

設(shè)計(jì)意圖： 關(guān)注可持續(xù)發(fā)展的熱點(diǎn)問(wèn)題，初步形成“低碳行動(dòng)”的價(jià)值認(rèn)同;提升閱讀理解和信息獲取的能力，提高交流表達(dá)的能力，促進(jìn)社會(huì)責(zé)任、國(guó)際理解的素養(yǎng)發(fā)展。

3.2 任務(wù)二： 設(shè)計(jì)碳中和方案

3.2.1 碳捕集

[問(wèn)題1]你知道二氧化碳的消耗途徑嗎？

[學(xué)生]光合作用、二氧化碳的溶解、用堿性溶液吸收。

[問(wèn)題2]根據(jù)已學(xué)過(guò)的二氧化碳的制備和二氧化碳的性質(zhì)，請(qǐng)你設(shè)計(jì)二氧化碳的捕集方案，并驗(yàn)證二氧化碳被成功捕捉。

[儀器和藥品]錐形瓶、長(zhǎng)頸漏斗、試管、雙孔橡皮塞、玻璃導(dǎo)管;大理石、稀鹽酸、氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液、石灰水、碳酸鈉溶液、碳酸鉀溶液、酚酞試液、紫色石蕊試液。

[學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)]學(xué)生設(shè)計(jì)如下幾種實(shí)驗(yàn)方案： 用大理石和稀鹽酸制備二氧化碳，將二氧化碳通入試管中，觀察現(xiàn)象（試管里的液體有： ①澄清石灰水;②氫氧化鈉溶液/氫氧化鉀溶液;③滴有酚酞的碳酸鉀溶液/碳酸鈉溶液）。向試管②中滴入稀鹽酸，觀察現(xiàn)象。

[展示]學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案及裝置，如圖3所示。

[問(wèn)題3]從經(jīng)濟(jì)成本的角度分析： 你設(shè)計(jì)的捕集二氧化碳的方案在工業(yè)生產(chǎn)上的可行性。

[學(xué)生]經(jīng)濟(jì)成本高。

[資料]化學(xué)吸收法是利用弱堿性吸收劑與CO2反應(yīng)生成不穩(wěn)定的鹽類，然后鹽類在一定的條件下（如加熱）又逆向分解釋放出CO2，從而達(dá)到捕集和利用CO2的目的?；瘜W(xué)吸收法吸收量大、吸收效果好、吸收劑能循環(huán)利用并能得到高純度的CO2?；瘜W(xué)吸收劑分為液體吸收劑和固體吸收劑，其中采用液體吸收劑的熱鉀堿法、有機(jī)胺吸收法和氨水法等發(fā)展比較成熟，應(yīng)用比較廣泛。

[例題]CO2是最主要的溫室氣體，也是巨大的碳資源，CO2的低能耗捕集、轉(zhuǎn)化和利用正受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。

利用NaOH溶液吸收CO2，部分轉(zhuǎn)化關(guān)系見(jiàn)圖4。反應(yīng)①的化學(xué)方程式為??? ，該轉(zhuǎn)化中循環(huán)使用的物質(zhì)是??? 。利用Na2CO3溶液或K2CO3溶液吸收低濃度的CO2，將其轉(zhuǎn)化為NaHCO3或KHCO3，NaHCO3或KHCO3受熱分解生成高濃度的CO2儲(chǔ)存利用，生成的Na2CO3或K2CO3循環(huán)使用以降低生產(chǎn)成本。0C08243A-51F4-437F-B86D-3F38A0BE4A02

設(shè)計(jì)意圖： 發(fā)展學(xué)生以實(shí)驗(yàn)為主的科學(xué)探究能力，能根據(jù)所學(xué)的化學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;對(duì)探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行反思和評(píng)價(jià)，會(huì)用科學(xué)語(yǔ)言描述過(guò)程與結(jié)論，培養(yǎng)合作交流、信息提取、自主學(xué)習(xí)等能力。

[問(wèn)題4]除了碳捕集之外，你還能設(shè)計(jì)出其他方案來(lái)減少二氧化碳的排放嗎？

[學(xué)生]從源頭上減少二氧化碳的排放，如減少化石燃料的燃燒;發(fā)展新能源，如氫能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、地?zé)崮?植樹造林等。

[教師]減少碳排放、實(shí)現(xiàn)碳中和的對(duì)策目前還有碳循環(huán)、碳替代、碳封存等主要途徑。

3.2.2 碳循環(huán)

[教師]你知道什么是碳循環(huán)嗎？

[例題]為降低溫室氣體含量，科學(xué)家正在研究一種新型的“人造樹葉”。假設(shè)每1升“人造樹葉”每天可從空氣中吸收二氧化碳880g并轉(zhuǎn)化為乙醇（C2H5OH），對(duì)應(yīng)化學(xué)方程式為2CO2+3H2O一定條件C2H5OH+3O2。若每天一棵樹平均可吸收44g CO2，則一升“人造樹葉”一天吸收的CO2相當(dāng)于幾棵樹吸收的CO2。

[學(xué)生]20棵。

設(shè)計(jì)意圖： 學(xué)會(huì)用數(shù)據(jù)和事實(shí)說(shuō)話。從定量計(jì)算角度，分析碳中和方案的可行性和設(shè)想。將二氧化碳轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，初步建立物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀和守恒觀，發(fā)展定性和定量相結(jié)合的研究視角。解謎探尋“人造樹葉”這一科學(xué)前沿資料，激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)、鉆研化學(xué)的好奇心，形成科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識(shí)。

3.2.3 碳替代

[教師]你了解的碳替代方案有哪些？目前最理想的綠色能源是什么？存在的問(wèn)題是什么？

[學(xué)生]開發(fā)新能源。目前最理想的新能源是氫能源，最大的問(wèn)題是技術(shù)問(wèn)題，如何廉價(jià)制氫、安全儲(chǔ)存及運(yùn)輸問(wèn)題。

[資料]氫能是公認(rèn)的高熱值清潔能源。目前，氫氣的來(lái)源如圖5所示?；Y源制氫最為成熟。水煤氣變換反應(yīng)： CO+H2O催化劑△CO2+H2，是化石資源制氫過(guò)程中的重要反應(yīng)之一。北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究了在不同溫度下，多種催化劑對(duì)水煤氣變換反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖6所示。電解水制氫過(guò)程簡(jiǎn)便，但造價(jià)高昂，利用太陽(yáng)能制氫是未來(lái)的發(fā)展方向，“人造太陽(yáng)”的探索也就應(yīng)運(yùn)而生。我囯“人造太陽(yáng)”大科學(xué)裝置“東方超環(huán)”利用的是核聚變，當(dāng)氘、氚核聚變溫度達(dá)到1億攝氏度、持續(xù)時(shí)間超過(guò)1000秒，就能形成持續(xù)反應(yīng)，為水分解提供能量。2020年4月，“東方超環(huán)”實(shí)現(xiàn)了1億攝氏度運(yùn)行近10秒，取得重大突破。

設(shè)計(jì)意圖： 關(guān)注科技動(dòng)態(tài)，進(jìn)一步體會(huì)和感受科學(xué)原理在解釋自然現(xiàn)象、解決實(shí)際問(wèn)題方案中的重要作用，發(fā)展科學(xué)價(jià)值觀。將科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生活相聯(lián)系，形成科學(xué)技術(shù)工程環(huán)境與可持續(xù)續(xù)發(fā)展的核心觀念，強(qiáng)化科學(xué)價(jià)值觀，發(fā)展社會(huì)責(zé)任、國(guó)家認(rèn)同、國(guó)際理解的素養(yǎng)。

3.2.4 碳封存

[教師]你了解過(guò)火力發(fā)電廠產(chǎn)生的二氧化碳的后續(xù)處理嗎？

[學(xué)生]將二氧化碳加壓降溫制成液態(tài)二氧化碳或干冰，運(yùn)輸?shù)接蜌馓锓獯妗?/p>

[資料]碳封存是指將大型發(fā)電廠、鋼鐵廠、化工廠等排放源產(chǎn)生的二氧化碳收集起來(lái)，并用各種方法儲(chǔ)存以避免其排放到大氣中的一種技術(shù)。主要的封存技術(shù)有三種： 含鹽堿水層封存、油氣層封存和煤氣層封存。利用現(xiàn)有油氣田封存二氧化碳，將二氧化碳注入油氣層起到驅(qū)油作用，既提高采收率，又實(shí)現(xiàn)了碳封存，被認(rèn)為是未來(lái)的主流方向，也是我國(guó)的主流發(fā)展方向[5]。

[教師演示]模擬二氧化碳油氣田封存實(shí)驗(yàn)： 將大理石和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳通入裝有油的廣口瓶中，廣口瓶中的油被壓入燒杯中，如圖7所示。

[問(wèn)題]請(qǐng)課下查閱資料，了解油氣田封存液態(tài)二氧化碳的原理和條件。

設(shè)計(jì)意圖： 提高閱讀理解和信息加工處理能力，能對(duì)化學(xué)有關(guān)的熱點(diǎn)問(wèn)題做出正確的價(jià)值判斷，能參與有關(guān)化學(xué)問(wèn)題的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)。根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，能設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)做出合理的分析和判斷，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。了解我國(guó)碳中和的具體行動(dòng)，關(guān)注社會(huì)生活生產(chǎn)實(shí)際，強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任感。

3.3 任務(wù)三： 低碳行動(dòng)和碳中和的技術(shù)展望

[資料1]中國(guó)的節(jié)能減排行動(dòng)取得了顯著成效。2019年，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳的排放，較2005年降低了48.1%，其中非化石能源占比為15.3%，已經(jīng)提前和超額完成2020年氣候行動(dòng)目標(biāo)[6]。

[資料2]汽車、卡車、飛機(jī)、輪船等交通運(yùn)輸工具的溫室氣體排放量所占百分比情況，如圖8所示[7]。

[問(wèn)題1]低碳行動(dòng)從我做起，說(shuō)說(shuō)日常生活中你的做法？

[學(xué)生]綠色出行（步行或騎行或公共交通）、控制白色污染，少用塑料制品（購(gòu)物用環(huán)保袋）、種植綠色植物（植樹造林）、垃圾分類回收再利用、紙張雙面使用、建造冬暖夏涼的綠色建筑、節(jié)約食物杜絕浪費(fèi)、少吃肉、減少使用一次性餐具等。

[教師]請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一張海報(bào)宣傳低碳行動(dòng)。

[問(wèn)題2]實(shí)現(xiàn)碳中和，你認(rèn)為最重要的是什么？

[學(xué)生]實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，減少化石燃料的使用，發(fā)展新能源。

[資料3]碳替代是實(shí)現(xiàn)碳中和的中堅(jiān)力量。未來(lái)中國(guó)向世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的新趨勢(shì)靠攏發(fā)展，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)階段的四分天下轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙淮笕　毙赂窬郑ā耙淮蟆睘樾履茉矗叭　睘槊?、石油、天然氣），加快氫能、新材料?chǔ)能、可控核聚變等顛覆性技術(shù)攻關(guān)及其工業(yè)化，為宜居地球、綠色地球做貢獻(xiàn)。圖9是2019～2050年全球能源結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)[8]。

設(shè)計(jì)意圖： 培養(yǎng)學(xué)生形成節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和價(jià)值追求，從自身做起，形成簡(jiǎn)約適度、綠色低碳的生活方式。激發(fā)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感，熱愛(ài)科學(xué)，樹立用科學(xué)技術(shù)改變能源結(jié)構(gòu)和人類生存環(huán)境的決心，引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界，初步形成物質(zhì)及其變化的基本觀念，啟迪科學(xué)思維，加深認(rèn)識(shí)化學(xué)的社會(huì)價(jià)值。

4 教學(xué)反思

化學(xué)教學(xué)的意義在于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)而理性的思維方式、崇尚真理和樹立綠色發(fā)展的意識(shí)，具有科學(xué)的全面的價(jià)值判斷能力。而科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)不僅僅體現(xiàn)在對(duì)學(xué)生的價(jià)值觀與理想以及可持續(xù)發(fā)展理念的形成，同時(shí)也表達(dá)了化學(xué)學(xué)科教學(xué)的最終歸宿點(diǎn)是為了培養(yǎng)能擔(dān)當(dāng)民族復(fù)興大任的時(shí)代新人所必須具有的現(xiàn)代科學(xué)意識(shí)[9]。本節(jié)課以“碳中和”為例，運(yùn)用項(xiàng)目化的學(xué)習(xí)方式，以二氧化碳的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化知識(shí)為核心，設(shè)計(jì)碳捕集的開放型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)碳循環(huán)的定量計(jì)算、科學(xué)文獻(xiàn)資料的介紹，了解碳封存和碳替代技術(shù)，幫助學(xué)生建立從科學(xué)原理到低碳行動(dòng)的方案，再具體到社會(huì)生活實(shí)踐的認(rèn)知模型，學(xué)會(huì)以理性、綜合、創(chuàng)新的思維來(lái)分析和解決環(huán)境問(wèn)題，將綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展觀念轉(zhuǎn)化為具體的行動(dòng)，激發(fā)學(xué)生發(fā)自內(nèi)心的愛(ài)國(guó)情懷和社會(huì)責(zé)任感、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的學(xué)習(xí)態(tài)度與報(bào)效祖國(guó)的理想追求，形成理性的情感認(rèn)同與實(shí)證性的行為習(xí)慣相融合，實(shí)現(xiàn)“知、情、行”的統(tǒng)一。

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