王春 郭春紅

摘要：核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的課堂教學(xué)倡導(dǎo)教師在教學(xué)過(guò)程中設(shè)計(jì)真實(shí)情境下復(fù)雜而陌生的問(wèn)題解決活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組合作、討論交流等形式解決實(shí)際問(wèn)題。本文選取TiO2情境素材，組織學(xué)生開(kāi)展關(guān)于光觸媒實(shí)際問(wèn)題的解決，使學(xué)生了解材料、資源、能源等領(lǐng)域與化學(xué)學(xué)科的交叉融合，認(rèn)識(shí)化學(xué)學(xué)科的功能價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際問(wèn)題的解決能力，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：TiO2；光觸媒；真實(shí)情境；實(shí)際問(wèn)題解決

文章編號(hào)：1008-0546（2023）12-0045-05 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.010

一、問(wèn)題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出：“教師應(yīng)重視跨學(xué)科內(nèi)容主題的選擇和組織，加強(qiáng)化學(xué)與物理學(xué)、生物學(xué)、地理學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生在更寬廣的學(xué)科背景下認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的規(guī)律，幫助學(xué)生拓寬視野，開(kāi)闊思路，綜合運(yùn)用化學(xué)和其他學(xué)科的知識(shí)分析解決有關(guān)問(wèn)題，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”。［1］本文以“基于TiO2認(rèn)識(shí)光觸媒”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，通過(guò)真實(shí)情境下的實(shí)際問(wèn)題解決，組織學(xué)生開(kāi)展關(guān)于光觸媒問(wèn)題的討論，使學(xué)生了解材料、資源、能源等領(lǐng)域與化學(xué)學(xué)科都有很強(qiáng)的交叉融合，認(rèn)識(shí)化學(xué)在促進(jìn)科技發(fā)展中所發(fā)揮的作用，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)際問(wèn)題解決過(guò)程中形成物質(zhì)性質(zhì)及其應(yīng)用研究的思路與方法，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

二、教學(xué)背景分析

1.教學(xué)內(nèi)容分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》在課程設(shè)置中多次提及有關(guān)光觸媒的內(nèi)容。例如“必修課程主題5化學(xué)與社會(huì)發(fā)展”，建議以TiO2為光催化劑利用太陽(yáng)能分解水制取氫氣的實(shí)例作為情景素材?！斑x修課程系列3發(fā)展中的化學(xué)科學(xué)”，倡導(dǎo)圍繞催化化學(xué)，探討催化研究的新理論、新方法，供參考的選題就包括高效太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程化學(xué)。因此研究光觸媒，能使學(xué)生感悟人類探索物質(zhì)及其變化的歷史與化學(xué)科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感、參與意識(shí)和決策能力，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

2.學(xué)生情況分析

本教學(xué)設(shè)計(jì)依據(jù)學(xué)生的已有認(rèn)知點(diǎn)、認(rèn)知瓶頸點(diǎn)、認(rèn)知生長(zhǎng)點(diǎn)，設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的教學(xué)體系，促進(jìn)學(xué)生在不同水平上的思維發(fā)展和綜合能力提升（見(jiàn)表1）。

三、教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）能應(yīng)用氧化還原反應(yīng)規(guī)律、能量守恒規(guī)律和電化學(xué)原理解決實(shí)際問(wèn)題。

（2）能對(duì)素材信息進(jìn)行加工和處理，通過(guò)化學(xué)用語(yǔ)準(zhǔn)確描述相關(guān)反應(yīng)機(jī)理。

（3）能從宏觀與微觀、定性與定量等角度對(duì)物質(zhì)變化中的能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行分析和表征。

2.評(píng)價(jià)目標(biāo)

（1）通過(guò)小組合作、討論交流等形式，探究TiO2光催化除甲醛的反應(yīng)歷程，診斷并發(fā)展學(xué)生信息處理能力、學(xué)習(xí)能力和合作溝通能力。

（2）通過(guò)光化學(xué)轉(zhuǎn)化與光電轉(zhuǎn)換等能量轉(zhuǎn)化原理的學(xué)習(xí)，診斷并發(fā)展學(xué)生實(shí)際問(wèn)題解決能力及方案設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)和優(yōu)化能力。

四、教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

1.環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，初識(shí)光觸媒

【情境創(chuàng)設(shè)】教師展示一組關(guān)于太陽(yáng)能在實(shí)際生活中的重要應(yīng)用圖片，并提出問(wèn)題：太陽(yáng)能作為人類活動(dòng)的重要能源，其常見(jiàn)的能源轉(zhuǎn)化方式主要有哪些？

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生根據(jù)教師提出的問(wèn)題回答：太陽(yáng)能器件常見(jiàn)的轉(zhuǎn)化方式有光熱轉(zhuǎn)化、光化學(xué)轉(zhuǎn)化、光電轉(zhuǎn)化三種方式。

【引導(dǎo)過(guò)渡】教師投影相關(guān)資料介紹：1972年?yáng)|京大學(xué)的本多建一教授和研究生藤島昭發(fā)現(xiàn)，在紫外線的照射下，TiO2發(fā)揮催化效應(yīng)，將水分解成氫氣與氧氣，這就是著名的“本多藤島效應(yīng)”。以納米級(jí)TiO2為代表的具有光催化功能的光半導(dǎo)體材料總稱為光觸媒，也叫光催化劑。日常生活中，TiO2還能在光照射下產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的物質(zhì)（如羥基自由基等），降解空氣中有毒、有害氣體如甲醛等，高效凈化空氣；同時(shí)，能夠有效殺滅多種細(xì)菌，并能將細(xì)菌或真菌釋放出的毒素分解及無(wú)害化處理。通過(guò)上述資料我們發(fā)現(xiàn)TiO2作為一種有光催化功能的光半導(dǎo)體材料，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)和生活中有著重要的應(yīng)用，今天這節(jié)課讓我們一起來(lái)全面認(rèn)識(shí)TiO2。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引出本節(jié)課所要探討的內(nèi)容，并通過(guò)相關(guān)資料的介紹讓學(xué)生了解光觸媒 TiO2的發(fā)展史及其重要應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任感。

2.環(huán)節(jié)二：TiO2光催化作用下除甲醛的歷程探究

【教師活動(dòng)】教師播放TiO2除甲醛歷程的視頻，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合動(dòng)畫和視頻導(dǎo)語(yǔ)，用化學(xué)用語(yǔ)來(lái)表示反應(yīng)歷程（可能用到的化學(xué)式：空穴TiO2+；電子 e-；負(fù)氧離子 O2（-）；羥基自由基·OH；醛自由基·CHO）。

【視頻導(dǎo)引】在可見(jiàn)光的照射下，TiO2會(huì)失去一個(gè)電子而自身形成一個(gè)空穴。大量的空穴使TiO2薄膜表面形成一層納米篩，失去的電子會(huì)與空氣中的氧分子結(jié)合，生成負(fù)氧離子，與此同時(shí)，納米篩會(huì)抓住空氣中的水，奪取水中的電子，使其變成羥基自由基。羥基自由基會(huì)進(jìn)攻空氣中的甲醛，使其生成醛自由基和水，醛自由基在負(fù)氧離子的進(jìn)攻下生成甲酸，在羥基自由基的作用下，甲酸被奪去電子，最終生成對(duì)人體無(wú)害的二氧化碳。

【學(xué)生活動(dòng)】小組進(jìn)行分工合作，討論、交流、書(shū)寫在光催化條件下TiO2除甲醛的反應(yīng)歷程，并通過(guò)平板電腦進(jìn)行拍照上傳。

【師生活動(dòng)】學(xué)生分組進(jìn)行展示、教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)、修改和完善光催化反應(yīng)歷程的六步化學(xué)反應(yīng)方程式：

（1）TiO2 TiO2（+）+ e-

（2）O2+ e-O2（-）

（3）TiO2（+）+H2OTiO2+·OH+ H+

（4）HCHO+·OH·CHO+ H2O

（5）·CHO+ O2（-）+ H++ H2OHCOOH +2·OH

（6）HCOOH+2·OHCO2+2H2O

總反應(yīng)式：HCHO + O2 CO2+ H2O

【教師活動(dòng)】教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步研究影響光觸媒反應(yīng)的核心要素，探討如何有效促進(jìn)光觸媒反應(yīng)，提出問(wèn)題：結(jié)合TiO2光催化除甲醛的反應(yīng)歷程，影響光觸媒反應(yīng)的核心要素有哪些？

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生根據(jù)教師提出的問(wèn)題，結(jié)合TiO2光催化除甲醛的反應(yīng)歷程，回答影響光觸媒反應(yīng)的核心要素有：在太陽(yáng)光照射下可以形成電子空穴和光生電子的高性能材料，同時(shí)反應(yīng)過(guò)程中需要產(chǎn)生羥基自由基。

【教師活動(dòng)】教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合圖1分析，如何促進(jìn)光觸媒反應(yīng)發(fā)生？

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生根據(jù)教師所提出的問(wèn)題并結(jié)合圖1相關(guān)信息回答：選擇納米TiO2材料，通過(guò)化學(xué)方法在TiO2上實(shí)現(xiàn)金屬沉積，或者采用碳摻雜等形式，促進(jìn)電子空穴-光生電子的生成，從而實(shí)現(xiàn)后續(xù)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生；將花青素染料附著在 TiO2納米薄膜上，染料分子在可見(jiàn)光照射下，基態(tài)電子被激發(fā)，由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)電子通過(guò)TiO2導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；增大環(huán)境濕度，有助于TiO2奪取水中氫原子的電子，生成羥基自由基和氫離子。

【教師活動(dòng)】教師根據(jù)學(xué)生的回答進(jìn)行總結(jié)：TiO2納米顆粒表面形成緊密接觸的Pd-Cu納米簇，可實(shí)現(xiàn)電子空穴-光生電子的生成。然后通過(guò)投影展示Pd- Cu/TiO2的反應(yīng)過(guò)程（見(jiàn)圖2），并要求學(xué)生在圖中②處補(bǔ)全形成Pd-Cu納米簇的反應(yīng)過(guò)程示意圖。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生根據(jù)圖2的反應(yīng)過(guò)程中①和②在光照條件下乙醇與 Cu2+發(fā)生氧化還原反應(yīng)，Cu2+得電子生成銅，形成Pd-Cu 納米簇的相關(guān)信息，推導(dǎo)圖中②處反應(yīng)過(guò)程（見(jiàn)圖3）。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)小組合作探究TiO2光催化除甲醛反應(yīng)歷程，引導(dǎo)學(xué)生深入認(rèn)識(shí)光化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)理，培養(yǎng)學(xué)生信息處理能力、學(xué)習(xí)能力和合作交流能力。

3.環(huán)節(jié)三：染料敏化 TiO2太陽(yáng)能電池工作原理探究

【教師活動(dòng)】教師進(jìn)行相關(guān)知識(shí)介紹：新型染料敏化TiO2太陽(yáng)能電池，以納米TiO2和光敏染料為主要原料，通過(guò)模擬自然界中植物利用太陽(yáng)能進(jìn)行光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，又稱光伏效應(yīng)。然后引導(dǎo)學(xué)生觀看染料敏化TiO2太陽(yáng)能電池的工作原理示意圖（圖4），辨析反應(yīng)歷程，補(bǔ)充后續(xù)反應(yīng)（符號(hào)含義：S-敏化劑，S*-敏化劑激發(fā)態(tài)，S+-敏化劑氧化態(tài)）。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生根據(jù)染料敏化TiO2太陽(yáng)能電池的工作原理示意圖，結(jié)合第①步和第②步反應(yīng)原理及反應(yīng)方程式，完成的后續(xù)反應(yīng)原理及反應(yīng)方程式為：

③電子經(jīng)過(guò)外電路到達(dá)Pt導(dǎo)電玻璃，I3（-）得到電子發(fā)生還原反應(yīng)：I3（-）＋2e-→3I－。

④氧化態(tài) S+與 I-發(fā)生氧化還原反應(yīng)：2TiO2/S ++3I-→2TiO2/S＋ I3（-）。

⑤ I3（-）遷移至 Pt 導(dǎo)電玻璃，獲得外電路輸送的電子，被還原生成I-，實(shí)現(xiàn) I3（-）與I-的循環(huán)轉(zhuǎn)化。

【教師活動(dòng)】教師根據(jù)學(xué)生完成后續(xù)反應(yīng)原理及反應(yīng)方程式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)染料敏化TiO2太陽(yáng)能電池具有的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生根據(jù)教師的任務(wù)分析染料敏化 TiO2太陽(yáng)能電池的優(yōu)點(diǎn)：原料成本低，制作工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格低，無(wú)污染，對(duì)可見(jiàn)光要求不高。電解質(zhì)溶液可以循環(huán)使用，電池使用壽命長(zhǎng)。

【教師活動(dòng)】教師根據(jù)學(xué)生的活動(dòng)進(jìn)行知識(shí)補(bǔ)充：對(duì)于染料敏化 TiO2太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，只有非?？拷?TiO2表面的敏化劑分子才能順利通過(guò)TiO2將電子導(dǎo)出，多層敏化劑的吸附反而會(huì)阻礙電子輸運(yùn)。而且染料敏化劑的激發(fā)態(tài)壽命很短，需要通過(guò)特殊的方法將其吸附到TiO2電極上，有助于電子順利導(dǎo)出。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生從光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)化視角分析和解決實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)對(duì)染料敏化TiO2太陽(yáng)能電池進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)展學(xué)生信息加工能力和高階思維能力。

4.環(huán)節(jié)四：基于真實(shí)情境素材解決實(shí)際問(wèn)題

【教師活動(dòng)】教師投影展示與本教學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)素材（如圖5所示），檢測(cè)學(xué)生知識(shí)的應(yīng)用及遷移能力。

【素材信息】認(rèn)識(shí)光觸媒的未來(lái)之星——Ag3PO4。Ag3PO4晶體具有高效光催化作用，用于降解有機(jī)污染物，也可用于實(shí)現(xiàn)“碳中和”，通過(guò)配位-沉淀法制備Ag3PO4高效光催化劑。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生結(jié)合素材相關(guān)信息，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)書(shū)寫相關(guān)離子方程式：3Ag（NH3）2（+）+ HPO4（2）-+ OH－=6NH3+Ag3PO4↓+ H2O

【教師活動(dòng)】教師繼續(xù)補(bǔ)充相關(guān)信息：AgNO3和 Na3PO4在溶液中反應(yīng)也可制得Ag3PO4固體，但制得的 Ag3PO4固體光催化性能極差。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)信息從速率角度解釋其原因。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生根據(jù)相關(guān)信息回答：由于AgNO3溶液和Na3PO4溶液中c（Ag+）與c（PO4（3）-）比較大，生成沉淀的反應(yīng)速率較快，不利于生成具有十八面體結(jié)構(gòu)的Ag3PO4晶體，所以光催化效能低。

【教師活動(dòng)】教師進(jìn)一步向?qū)W生介紹Ag3PO4光催化降解羅丹明B（RhB，一種有機(jī)污染物），RhB被氧化生成 CO2和 H2O 的反應(yīng)過(guò)程及Ag3PO4降解廢水過(guò)程中RhB的殘留率（c/c0，即時(shí)濃度與起始濃度之比）隨時(shí)間變化的曲線，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所給信息可以獲取什么結(jié)論？

②用Ag3PO4依次降解三份相同的廢水，測(cè)得3次降解過(guò)程中RhB的殘留率隨時(shí)間變化的曲線（見(jiàn)圖6）。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生根據(jù)教師所提供信息回答：·OH和 O2（-）是降解RhB的氧化劑；第1次使用后Ag3PO4的光催化性能降低；該實(shí)驗(yàn)條件下，Ag3PO4使用兩次即基本失效。

【教師活動(dòng)】教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)信息寫出 Ag3PO4光催化CO2制備甲醇可實(shí)現(xiàn)“碳中和”的化學(xué)方程式。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生根據(jù)教師提供的信息完成 Ag3PO4光催化CO2制備甲醇的化學(xué)反應(yīng)方程式：

2 CO2+4H2O 可見(jiàn)（====）3OH +3O2

【教師活動(dòng)】教師最后進(jìn)行總結(jié)：氣候變化是人類面臨的全球性問(wèn)題，隨著各國(guó)二氧化碳排放，溫室氣體猛增，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)形成威脅。在國(guó)際減排溫室氣體大背景下，我國(guó)由此提出碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，運(yùn)用光觸媒反應(yīng)可有助于盡快實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這就是化學(xué)學(xué)科的功能價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生基于真實(shí)情境運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)際問(wèn)題解決，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感和參與意識(shí)，發(fā)展學(xué)生知識(shí)遷移應(yīng)用能力。

五、教學(xué)效果及反思

本教學(xué)設(shè)計(jì)選取TiO2情境素材，通過(guò)對(duì)TiO2光催化作用下除甲醛的歷程探究和染料敏化TiO2太陽(yáng)能電池工作原理探究，引導(dǎo)學(xué)生從光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)化視角分析和解決實(shí)際問(wèn)題，教學(xué)設(shè)計(jì)中情境素材的選擇注重時(shí)代性和前沿性，注重實(shí)現(xiàn)材料、資源、能源等領(lǐng)域與化學(xué)學(xué)科的交叉融合，厚植學(xué)生的愛(ài)國(guó)情懷，體現(xiàn)了科學(xué)發(fā)展觀，凸顯了化學(xué)學(xué)科功能價(jià)值。此外，在教學(xué)過(guò)程中注重通過(guò)選取與教學(xué)內(nèi)容相關(guān) Ag3PO4光催化降解RhB情境素材，綜合檢測(cè)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，發(fā)展學(xué)生知識(shí)遷移應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維。課堂教學(xué)過(guò)程中注重關(guān)注學(xué)生思維發(fā)展，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌握教與學(xué)情況，引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)情境、任務(wù)和活動(dòng)中進(jìn)行實(shí)際問(wèn)題解決，有效實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、評(píng)”一體化。

本教學(xué)設(shè)計(jì)在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中較為順利地達(dá)到了課前制定的教學(xué)目標(biāo)，授課過(guò)程中能較好地實(shí)施問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)策略，借助相關(guān)問(wèn)題研究引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用相關(guān)原理分析和解決實(shí)際問(wèn)題。［3］但在教學(xué)過(guò)程中感覺(jué)對(duì)學(xué)生回答問(wèn)題后的及時(shí)評(píng)價(jià)不夠，學(xué)生間小組交流還缺乏更為有效的引導(dǎo)，這都是今后教學(xué)過(guò)程中需要逐步改進(jìn)和完善的。

參考文獻(xiàn)

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