案例课堂教学实施：H2S与CO2协同转化

【教学准备】

1.明确学习目标

知识层面的目标：掌握电化学中电解池的原理。包括电极反应式和总反应式的书写；电极、电势和溶液介质的判断。应用层面的目标：通过对素材图片的剖析，能够从宏观、微观、符号等层面掌握H2S和CO2的转化原理和规律，具有分析和解决问题的能力。态度层面的目标：案例展示了我国科研人员对我国亟待解决能源问题的贡献，启示学生通过所学知识为袓国贡献力量，培养学生科学态度与社会责任的化学学科核心素养。

2.选择教学模式

对于高中学生来说，让其完全构建一个实验模型还比较困难。所以，依据“H2S与CO2协同转化”的案例素材内容，应选择案例探究式的教学模式，鼓励学生分析已有模型，弄懂其技术原理，引导学生将所学知识真正的内化为可以解决实际问题的技术，让学生在知识层面与前沿的科学技术达成共振，帮助学生打破书本知识与实际应用之间的障碍。

案例探究式教学模式比分析讨论式的教学模式更具开放性和灵活性。更加注重学生的主体地位，老师的引导作用。而分析模型，推敲原理这一环节，是整个案例探究式教学模式的中心环节，要求教师选好案例素材，有序引导学生，又要给学生足够的空间和时间去查阅资料，摸索和解读。是一个艰难的教学任务。

3.设计开场白

案例探究式的教学模式以案例剖析为主，因此在这一案例教学模式下开场白应对案例进行铺设。这不仅使整个案例教学的过程流畅自然，借助案例铺设，也让学生意识到为什么科学家们会进行这样的技术探索，帮助学生在学习过程中关注国际形势、国家动态，激发学生的国家意识，树立起应有的民族责任感。

由此进行的案例铺设，打开了学生的眼界和格局，让学生的视野不仅局限于生活层面，更上升至国家乃至国际层面，让学生自然而然地想要去求知探索。

4.优化探究过程

在H2S和CO2的协同转化案例教学中，直接将我国学者最前沿的成果素材拿来让学生进行探究。探究过程中，学生需要自己查阅资料书弄懂每一部分的意义，再依据教师提供的案例资料结合已学的相关理论知识以及小组同学之间的讨论，弄懂陌生模型的原理。在此过程中，学生需要弄懂模型中所涉及的所有知识原理，将所学的片段式知识进行整合，形成知识的结构化。教师所提供的案例资料可依据不同学生小组的需要分别提供。教学课堂可打破常规的一概而论，根据不同学生的需要，提供不同程度的帮助。

5.规划黑板

案例教学秉持以学生为主体，不是单单的将课堂交给学生。学生在高中阶段还不能完全做到自主，更多的还是需要老师的引导。除了上述分析模型、推敲原理的过程外，在小组展示的过程中教师需要提前规划好黑板，为每一个小组的同学都留有一块板面。以便在每一小组同学展示的过程中可以随时提取关键信息，进行记录。这个关键信息可以是精彩的分享点，正确或错误的知识点，都需要留在黑板上。

这是另一种以学生为主体的体现。打破黑板上都是教师的板书，将学生的成果展示在黑板上，不论是对的还是错的，都是对学生的一种认可和肯定。

【教学评价】

评价的依据仍是准确的记录，在本研究的案例教学中，笔者借助课堂实录对学生的表现进行及时地翻看、回放，了解每位学生的学习状态，另一评价标准是以小组为单位的课堂总结（纸质版）。让整个评价有理有据，不凭借教师的主观臆断，后期当案例教学的方法成熟之后，可尝试小组互评等多元化的教学评价方式。

【课堂实录】

教师：在现代社会，天然气作为燃料和化工原料被大量应用在能源和化学工业中。

旁白：天然气田的天然气主要成分为甲烷（CH4），并伴生包括二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）等酸性气体在内的其他气体。

案例展示：H2S有毒性，可腐蚀管道和设备，污染环境，易使生物中毒，不利于天然气下游工业生产。

案例展示：过量的CO2会影响天然气热值，降低经济效益，在液化天然气中容易以固相析出堵塞管道。

教师：天然气中H2S和CO2的存在给其加工和利用带来严重的问题。如果想我们的国家强大，不在能源上受制于人，同学们，我们该怎么办呢？

学生1：多进行天然气田的开采。

学生2：还要努力提高开采技术，减少杂质气体的出现。

学生3：开采过程中肯定少不了杂质气体的出现，最重要的是采取相关的技术手段除去它。

教师：同学们都说得特别好。

投影：长期以来，科研人员的主要精力聚集在将H2S催化燃烧为元素硫和水来消除H2S。但CO2对天然气的影响依旧存在。净化效果有限。

投影：科技兴则民族兴，科技强则国家强。

投影：近日，中国科学院院士、中科院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室、太阳能研究部研究员李灿以及研究员宗旭、博士马伟光等人提出并实现了一种利用太阳能将H2S和CO2协同转化为高附加值化学品的电化学策略。

教师：请同学们仔细分析一下这个模型图，猜想一下，它用的是我们化学中哪部分知识。

学生：老师看不懂，太复杂了。

教师：没关系，大家可以以小组为单位，发挥集体的力量。可以借助字典、工具书等参考资料。讨论时间三分钟。

第1小组学生：上面的板子应该是太阳能电池板，“Graphene”是石墨烯的意思。

第4小组学生：老师我们补充。右边箭头进去的是天然气和一些杂质气体。左边箭头出来的表示较纯净的天然气气体，但是含有CO杂质气体。

第5小组学生：示意图的右侧有“+”号，是正极；左侧是负极。

第7小组学生：它应用的应该是电化学知识。

第8小组学生：有正负极，用的是原电池的知识。

教师：有正负极就一定是原电池的知识吗？其他同学怎么认为呢？

第1小组学生：不是，上面有太阳能电池板，相当于电源，所以应该是电解池的原理，右侧是阳极，左侧是阴极。

教师：同学们赞同吗？

学生：赞同。

教师：特别棒，同学们说的都特别好，我们给自己鼓掌。但是这一轮2、3、6组同学比较沉默，我们要加油，后来居上。

过渡：好，我们再来具体地分析一下这个模型图的内容。

投影：该策略以廉价的非贵金属为阴极催化剂（石墨烯包裹的氧化锌）还原CO2、以石墨烯为阳极催化剂。

教师：同学们能试着写出阴阳极的电极反应式吗？（学生似是无从下手）

教师：同学们，老师再给大家一点提示。

投影：EDTA-Fe2+为氧化媒介体（用于捕获H2S），其发生的反应为：

EDTA-Fe2+-e _ == EDTA-Fe3+

2EDTA-Fe3++H2S == 2H++S+2EDTA-Fe2+

教师：同学们能判断出这是发生在哪一极的电极反应式吗。

学生：应该是阳极。

教师：为什么？(www.xing528.com)

学生：上面的方程式有电子转移且失电子，所以应该是阳极。

教师：很好，完全正确。我们再来看后一个化学方程式表示的意义。

投影：化学环反应将H2S分解为单质硫和质子，质子被用于CO2电化学还原生成CO的反应。

教师：请同学们再试着写出阴极的电极反应式。

学生：CO2+4H++4e _ == CH4+CO CO2+2H++2e _ == CO+H2O

教师：大家看黑板上的答案，哪一个正确呢？

学生：第一个……第二个……

教师：好，我们一起来分析一下。刚刚我们讲到阳极的氧化媒介体EDTA-Fe2+失电子，变为EDTA-Fe3+，发生的是氧化反应；那么，阴极一定是得电子，发生还原反应。我们再看，化学环反应是将H2S分解为单质硫和质子，质子被用于CO2电化学还原生成CO的反应，所以反应物中一定有H+。

板书：CO2+H++e_ ==

教师：那产物怎么写呢？

有同学写CO和CH4，我们从化合价来看，CO2到CO化合价降低，发生还原反应。如果产物中还有甲烷，我们可以看到，CH4中C元素的化合价为-4价，CO2到CH4，化合价升高，已经不符合阴极反应的要求了，所以产物中不会出现CH4，只能是CO和H2O。完整的阴极电极反应式为：

CO2+2H++2e _ == CO+H2O

教师：同学们，我们已经写完阴极和阳极的电极反应式，请同学们写一下此协同转化反应的总反应式。

学生：H2S+CO2 == CO+S+H2O

教师：非常好，同学们，由此我们可以看出，我们主要的能源气体甲烷并没有参与这个反应，这个反应主要是其杂质气体间的一个反应，因此，我们将其称为杂质气体的协同转化反应。

教师：请同学谈谈通过这个H2S与CO2的协同转化反应，你学到了哪些知识呢？请第2小组的同学先来吧。

第2小组学生：不是有电源的就是原电池，外加电源的是电解池。

第2小组学生：原电池的两个电极就是正负电极，是做电源的。电解池是有外加电源的，将电能转化为化学能，原电池是将化学能转化为电能。

教师：非常好，还有吗？

第3小组学生：（电解池）与电源正极连的是阴极，与负极连的是阳极。

教师：好，还有吗？

第4小组学生：阳极发生氧化反应，元素化合价升高，失电子。

第4小组学生：阴极发生还原反应，元素化合价降低，得电子。

教师：好，还有吗？

教师：老师提示一下，在这个协同转化反应中，化学环反应中出现的质子去哪了？

学生：正极

教师：嗯？是吗？

学生：（笑）阴极。

教师：对，H+去了阴极。所以，若推广到一般概念中，我们可以说，电解质中的阳离子跑去了阴极，阴离子跑去了阳极。

教师：同学们想一下这是为什么呢？

学生：异性相吸。

教师：同学们，我们先把这个问题放一下，根据我们刚刚提到的知识，同学们能不能将其用一张图画出来呢？

教师：同学们，我们一起来看这个小组的作业情况，阳极失电子发生氧化反应，阴极得电子发生还原反应，电解质溶液中阳离子移向阴极，阴离子移向阳极，是不是都是正确的啊。好，我们再来看，电流的流向，从正极流向负极，电子移向正好相反，有没有问题。

学生：没有，有……

教师：有的同学说有，有的同学说没有。好像表面上看是没有什么问题，电流的方向与电子的方向刚好相反，我们在物理上学过，电流一定是从正极流向负极的，也没有问题，那么问题到底出在哪了呢？

教师：如果电子的流向是这个小组同学标的这样，从负极到正极，那么，我们看，阳极失电子，阴极得电子，是不是与电子的流向刚好相反了，不符合电解池的原理了。所以，在电解池中正确的电流流向应是怎样的啊？

学生：正极→阳极→电解质溶液→阴极→负极

教师：也就是说，电流依旧是从正极到负极，但是在这个过程中经过阳极、电解质溶液以及阴极。

教师：同学们现在知道为什么阳离子移向阴极了吗？

学生1：因为阴极得电子，负电荷多，需要阳离子来中和。

学生2：因为电流的方向是从电解质溶液到阴极，电流的方向是阴离子移动的反方向也就是阳离子移动的方向，所以电解质中的阳离子移向阴极。

教师：非常好！

教师：同学们，今天这节课，大家除了知识上的收获外，还有哪些收获呢？

学生1：国家要强大，就要科技强大，所以我们要好好学习。

学生2：刚开始看到那个模型图特别复杂，觉得肯定看不懂，现在觉得里面都是我们学习过的知识，所以以后自己学习时要克服自己的畏难情绪，仔细分析。

教师：好，听到同学们满满的收获，老师也特别开心，希望同学们今后每一节课都能有这样的收获，今天这节课我们就上到这里，下课！

【教学效果分析】

此为案例教学的第二节课，教师在教学过程中更为纯熟。在本节课的课堂教学中，教师将案例中更多的情境表述交给了学生，成功营造了此案例的教学情境。利用天然气地位转变的社会背景以及天然气净化这一技术背景，在教学过程中为学生展现了科学、技术、社会和环境发展的成果，展示了科研工作者的巨大成就和贡献，在教学过程中潜移默化地渗透着“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。除此之外，教师还以关灯、开灯等视觉的变化，为案例情境的展开渲染了更为真实的气氛，得到了较好的教学效果。

教学过程中，学生从对陌生模型的无从下手到能够将电解池的化学理论知识与案例模型进行匹配和解释，能够解释模型所表示的具体含义，逐层深入地实现了对复杂化学问题情境中关键要素的分析，成功达到了对学生“证据推理与模型认知”素养的发展与培育。

在对课堂的把控上，教师对小组的划分、组织有了更多的经验，能够对每一个小组的发言记录更加准确和及时。极大地提升了课堂效率，增强了学生学习的积极性，发挥了小组合作的优越性，使得此节案例教学的课堂实践更为成功。而“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养也在小组合作的过程中逐步得到了发展和提升。