融合STEM理念促進認識方式發展的主題式學習

王星 喬滕瑛 巧汪 紀苗 李晶

摘要：以“乙烷脫氫制乙烯工藝發展研究”為主題，融合STEM理念，開展高中化學主題式學習。通過完成“乙烷熱裂解制乙烯”、“乙烷蒸汽裂解制乙烯”、“乙烷催化氧化脫氫制乙烯”等3個子任務，鞏固化學反應與能量、化學反應速率、化學平衡等核心知識，發展化學學科能力和工程思維，形成化工生產三維認知模型。

關鍵詞：主題式學習；認識方式；乙烷；乙烯；STEM

1主題價值分析

主題式學習以學生為主體，讓學生在真實的問題情境中實踐，并在探究和解決問題的過程中獲得基本知識和技能、關鍵能力和必備品格[1]。將主題確定為“乙烷脫氫制乙烯工藝發展研究”，主要是因為該主題具有如下教學價值功能：

（1）源于生產實際。相較石腦油裂解制乙烯、煤基路線制乙烯，乙烷脫氫制乙烯具有工藝流程短、副產物含量少、乙烯收率大、投資小成本低、能耗低等優點，是最具發展潛力的工藝路線之一[2]，吻合“真實情境下的問題解決”。

（2）建構認識角度。本主題與高中化學選擇性必修1“化學反應原理”密切相關，通過對有關科技文獻的檢索，以“乙烷熱裂解制乙烯→乙烷蒸汽裂解制乙烯→乙烷催化氧化脫氫制乙烯”作為教學主線，要求從能量、方向、限度、速率、歷程等角度研究工業核心反應，從調控反應速率、提高反應轉化率等方面綜合分析反應條件，使得知識關聯結構化、認識思路結構化。

（3）融合STEM理念?！耙彝槊摎渲埔蚁┕に嚢l展研究”主題綜合運用化學熱力學和化學動力學等科學原理（S）實現物質轉化，呈現乙烷熱裂解、乙烷蒸汽裂解、乙烷催化氧化脫氫等制乙烯技術手段（T），滲透創造性思維、系統性思維、權衡性思維、價值性思維等工程思維（E）[3]，進行圖表數據的計算與深度分析（M），解決乙烷脫氫制乙烯的真實問題。

2學習目標

該主題教學可置于人教版教材選擇性必修1第二章學習之后，此時的學生已知化學反應速率、化學平衡、化學反應的方向、化學反應的調控等知識內容。根據課標相應內容要求和學業要求，通過該主題的學習達到如下目標：

（1）能運用化學反應的方向、速率、限度等原理綜合分析有關化學反應，提出有效控制反應條件的措施；

（2）能運用化學反應原理對數據、圖表等科研證據進行分析推理，選擇、優化工藝條件，形成從限度、速率、能耗等多角度綜合調控化學反應和化工生產條件的認識模型；

（3）能夠評價分析乙烷脫氫制乙烯各工藝的優劣，體會化學反應原理的社會價值和應用價值，形成“綠色化學”的觀念。

3學習任務及教學流程

以“乙烷脫氫制乙烯工藝發展研究”作為總任務，經學生討論拆解為三個遞進式子任務，以問題為驅動，以活動為載體，在真實情境中發展學生的化學學科能力和工程思維。三個子任務、化學知識線、技術工程線及認識發展線如圖1所示。

4教學實施過程

4.1 情境引入

【播放新聞】蘭州石化長慶乙烷制乙烯。

【信息呈現】不同裂解原料的產品分布（質量分數）見表1所示[4]。

【問題】以乙烷為裂解原料，產品中乙烯的質量分數高達77.73%，遠高于其它裂解原料。那么，在工業上研究該化學工藝一般要經歷哪些過程呢？

【學生討論回答】首先要從熱力學上研究工藝核心反應的可能性，然后從動力學方面研究反應的現實性，最后綜合運用化學反應原理調控生產條件。

設計意圖：本環節呈現不同裂解原料的產品分布（質量分數），讓學生認識到學習主題的現實價值，明晰工業上研究化學工藝一般要經歷的過程。

4.2 乙烷熱裂解制乙烯的可能性研究

【信息呈現】主反應：C2H6（g）C2H4（g）+H2（g）??ΔH1

標準摩爾生成焓：在25 ℃和101 KPa，由最穩定的單質生成1 mol 化合物的焓變。乙烷、乙烯的標準摩爾生成焓分別為-84/kJ·mol-1、+52/kJ·mol-1。

【任務】分析該反應自發進行的條件。

【學生】該反應的焓變等于生成物生成焓之和減去反應物生成焓之和，ΔH1= +136kJ·mol-1?，且ΔS>0，高溫自發。

【提問】反應能自發進行，是否就能應用于工業生產？

【學生】還需考慮反應的限度、速率。

【教師】據資料可知，平衡常數數值不大，反應進行的程度不大。

【信息呈現】乙烷脫氫制乙烯的平衡常數見表2所示。

【教師】除了熱力學，還要從動力學方面研究反應速率和反應機理。烷烴的裂解是自由基機理，科學家利用分子模擬軟件計算得到乙烷熱裂解可能發生的基元反應及對應的活化能。

【信息呈現】乙烷裂解中各基元反應及對應活化能如表3所示：

【任務】根據上述信息推測乙烷熱裂解自由基反應的主要路徑。

【學生討論回答】開始階段，反應溫度低，未達到C-C、C-H鍵斷鍵溫度。隨溫度升高，發生反應Ⅱ，生成的甲基自由基與乙烷發生鏈傳遞反應Ⅳ，生成甲烷和乙基自由基；乙基自由基分解生成乙烯和氫自由基；活潑的氫自由基迅速與乙烷反應生成氫氣和乙基自由基，形成了可持續反應的鏈傳遞過程。隨著鏈傳遞反應不斷循環進行，乙烷不斷減少，導致所需的氫自由基減少，氫自由基大量累積，鏈終止主要以氫自由基生成氫氣為主。

【小結】反應特點：強吸熱，Δn>0，限度小，低溫速率慢，高溫易發生副反應。

【子任務成果】工藝核心反應的認識角度，見圖3所示。

設計意圖：本環節遵從實際科研程序，首先從熱力學、動力學兩大維度研究乙烷熱裂解制乙烯主反應的特點。主反應焓變的計算及反應機理的推測要求學生對信息進行攝取、加工，綜合運用所學知識分析和解決實際問題。通過這一子任務，外顯工藝核心反應的認識角度，形成結構化認識，明晰化學反應原理的重要價值。

4.3乙烷蒸汽裂解制乙烯

【任務】如果你是工程師，請優化反應條件實現“又快又多”這一目標。

【討論歸納】（1）要有適宜的反應溫度，不能過低也不能過高，過低速率慢且轉化率低，過高副反應多、催化劑失活且能耗大；（2）開發高效催化劑，加快主反應速率，提高乙烯選擇性；（3）通過物理分離方式減少生成物濃度；（4）壓強和反應物濃度要適宜，根據實際情況來確定。

【教師】在實際生產中乙烷裂解通常采用傳統的蒸汽裂解工藝，技術成熟。

【信息呈現】乙烷蒸汽裂解制乙烯工藝主要由3部分組成：熱解、壓縮、冷卻和分離。熱解是將大分子裂解成小分子的吸熱過程，主要是在管式裂解爐中進行。在裂解爐中引入一定比例水蒸氣與乙烷一起預熱，預熱后再加熱到700～900℃高溫下反應得到乙烯和其他副產物，見圖4所示。

【提問】已知裂解反應在常壓下進行，為何要摻入水蒸汽？

【討論歸納】正反應為氣體分子數增大的反應，保持壓強不變，加入水蒸汽，容器體積應增大，等效為降低壓強，平衡向正反應方向移動；水蒸汽能與積碳反應，提高催化劑的活性；作為載熱體將熱量傳遞給乙烷。

【追問】為何不采取負壓操作？

【學生】易吸入空氣發生爆炸。

【提問】為何要進行冷卻？為何要脫酸性氣體和干燥？

【學生】避免繼續發生裂解反應（抑制裂解氣二次反應）；防止后續冷卻時在裝置內形成固態雜質和冰，導致設備堵塞。

【任務】假定從干燥塔分離出來的氣體為C1～C4烴類氣體，經過后續的冷凝、精餾等操作達到逐一分離的目的，填寫括號內各餾分的碳數。

【學生】自下而上、自左向右分別為：C4、C1～C3、C2～C3、C1、C3、C2。

【子任務成果】工程思維的要素與分析視角，見圖5所示。

設計意圖：乙烷裂解目前通常采用蒸汽裂解工藝，本環節旨在理解蒸汽裂解工藝的原理、流程及優缺點等內容，與此同時發展學生從理論模型到工業化生產過程中所蘊含的工程思維。

4.4乙烷催化氧化脫氫制乙烯

【問題】蒸汽裂解可以提高乙烷的轉化率和乙烯的產率，但存在哪些缺點？

【討論歸納】反應溫度高且需要耗費大量水蒸氣，耗能高。

【信息呈現】偶聯反應原理：若A+B=C+D的Δr?0，給它偶聯上一個有C（顯然不是目標產物）參與又極易進行的反應，如C+E=F，Δr?0。兩式合并得A+B+E=D+F，其Δr值（代數值）大大減小，則根據總反應就有可能得到目標產物（反應式中的D）[8]。

【提問】依據偶聯反應原理，如何優化乙烷制乙烯工藝？

【學生】可以通入氧氣實現氧化脫氫，既可以提高反應限度又可以降低能耗。

【新聞】新型乙烷氧化脫氫制乙烯催化劑問世[9]。

【信息呈現】2H2（g）+O2（g）2H2O（g）??ΔH3= -483.6kJ·mol-1=1080；

乙烷—氧氣催化氧化工藝主反應為：2C2H6（g）+O2（g）2C2H4（g）+2H2O（g）。

【任務】結合信息及工藝主反應，評價該工藝的優缺點。

【討論歸納】優點：強放熱反應，無需外界供熱，節約能源；反應限度大，幾乎可以完全反應，熱力學上有利；產物易于分離；不存在積碳問題。缺點：氧和烷烴及產物烯烴之間可發生很多副反應，產生CO、CO2及含氧的有機化合物如醇、醛、酸等；反應混合物可能會引發爆炸，要關注爆炸極限；反應放出大量熱，可能會使催化劑失效；在脫氫反應中，副產物H2是一種寶貴的能源，但在氧化脫氫反應中不產生H2。

【過渡】既然氧氣的氧化性過強，那就要尋找合適的弱氧化劑。

【信息呈現】乙烷－二氧化碳催化氧化制乙烯，主要發生如下兩個反應：

主反應 C2H6（g）+CO2（g）C2H4（g）+CO（g）+H2O（g）??ΔH4=+177kJ·mol-1

副反應 ?C2H6（g）＋2CO2（g）4CO（g）＋3H2（g）???ΔH5=+430kJ·mol-1

【提問】CO2作為氧化劑有哪些優點？

【學生】CO2是一種溫和氧化劑，能有效抑制反應中間產物的深度氧化，從而提高目標產物選擇性；可以減少二氧化碳排放，有助于實現碳達峰、碳中和目標；抑制積碳的產生。

【信息呈現】容器體積為1.0 L，控制C2H6和CO2初始投料量為2 mol和3 mol，乙烷的平衡轉化率、乙烯的選擇性與溫度、壓強的關系如圖6所示。（）

【提問】X、L分別代表“溫度”還是“壓強”？L1和L2哪個大？并請說出理由。

【學生】X代表溫度，L代表壓強；Ⅰ、Ⅱ的正反應均為體積增大的反應，增大壓強，Ⅰ、Ⅱ反應均逆向進行，乙烷的轉化率減小，故L2＞L1。

【提問】為何隨溫度升高，乙烯的選擇性下降？

【學生】主反應、副反應均為吸熱反應，但溫度升高對副反應促進程度更大，CO濃度增大使反應Ⅰ平衡逆向進行，乙烯的選擇性降低。

【追問】你能解釋L1和L2兩條曲線差值隨溫度變化趨勢嗎？

【學生】低溫時以主反應為主，反應前后氣體分子數變化不大，壓強對乙烷平衡轉化率影響不大；高溫時以副反應為主，反應前后氣體分子數變化大，壓強對乙烷平衡轉化率影響明顯。

【任務】計算M點主反應的平衡常數。

【學生】經計算，為0.57。

【信息呈現】常壓下CO2和C2H6按物質的量1∶1投料，研究了不同反應溫度下Pd/VSiO和Cu/VSiO兩種催化劑對“CO2氧化C2H6制C2H4”的影響，經過相同的時間，所得實驗數據如下表4所示：???【提問】我們知道催化劑不影響化學平衡，那么在相同溫度下，不同的催化劑為何對CO2轉化成C2H4的選擇性有影響？

【學生】反應未達到平衡，不同的催化劑對主反應的催化能力不同，因而對C2H4的選擇性有影響。

【提問】為何隨溫度升高乙烷轉化率增大，而乙烯選擇性下降？從碰撞理論角度解釋原因。

【學生】隨溫度升高，主、副反應速率均增大，副反應速率增大程度更大。從碰撞理論角度來看，主要原因是副反應活化能大于主反應活化能，溫度對活化能大的反應速率影響更為顯著。

【研究進展】CO2氧化乙烷脫氫可通過光催化過程實現，利用光激發Pd-Rh/TiO2催化劑產生的光生電子和空穴，分別實現H2、CO和C2H4的生成，具體機理見圖7所示[12]。

【建構認知模型】化工生產需從能量、方向、限度、速率、歷程等角度研究工業核心反應，進而能夠運用于化學反應原理中的相關反應規律調控生產條件，以達到多、快、好、省的目的，見圖8所示。

設計意圖：本環節讓學生從能量、催化劑、反應限度、安全性等方面評析催化氧化脫氫制乙烯工藝優缺點，要求學生根據圖像信息深度分析溫度、催化劑對乙烷－二氧化碳耦合催化脫氫制乙烯轉化率、選擇性等方面的影響，完善工藝生產的認識角度，進一步發展學生的工程思維與圖表數據的分析、解釋能力?；どa的三維認知模型的建立，目的在于提供解決復雜化學問題的思維框架，形成系統化、結構化的思維模型，發展學生的遷移創新能力。

5教學反思

“乙烷脫氫制乙烯工藝發展研究”源于科學研究熱點，該主題蘊含真實問題，承載了化學反應與能量、化學反應速率、化學平衡等核心知識。乙烷熱裂解制乙烯→乙烷蒸汽裂解制乙烯→乙烷催化氧化脫氫制乙烯等三大學習任務的研討，使學生了解科學研究進展，深度體驗化學反應原理在生產研究中的功能價值，幫助學生建立從理想轉化到實際轉化的認識思路。在課堂教學過程中，學生能夠從速率、限度、能量、方向等角度分析工業核心反應，提出有效控制反應條件的措施。真實問題不同于理想模型，問題解決難度驟增，學生在分析各工藝優劣時系統性思維略顯不足，例如在評價乙烷—氧氣催化氧化工藝優點時只能從能量、限度這兩個角度作答。此外，學生運用化學反應原理對數據、圖表等科研證據進行分析推理能力有待提升，尤其是外界條件變化對多重平衡的影響。在今后教學過程中應多開展主題式學習，增強教學活動的開放度，引導學生自覺從工程思維視角加以分析，外顯并診斷學生的認知水平，構建分析問題、解決問題的認知思維模型，促進核心素養發展。

參考文獻

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