利用科學(xué)史料 助力問(wèn)題解決

王曉捷

摘要：隨著《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》的頒布，當(dāng)代教育重視的是培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)、關(guān)鍵能力和必備品格，提升問(wèn)題解決能力。文章基于化學(xué)問(wèn)題解決的教學(xué)模型，以“向空氣要面包”為例向大家呈現(xiàn)了如何以氮肥發(fā)展史為脈絡(luò)，利用實(shí)驗(yàn)探究來(lái)完成氨和銨鹽的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)栴}解決;科學(xué)史;微型實(shí)驗(yàn);氮及其化合物

文章編號(hào)：1008-0546（2020）10-0084-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3 969/j.issn.1008-0546.2020.10.022

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)能夠引領(lǐng)化學(xué)教學(xué)，彰顯育人價(jià)值，核心素養(yǎng)既關(guān)注學(xué)生關(guān)鍵能力的提升，也注重必備品格的培育。關(guān)鍵能力是一種在特定的情境中，調(diào)動(dòng)多種資源，以滿足復(fù)雜需要的能力，是個(gè)體在解決現(xiàn)實(shí)復(fù)雜問(wèn)題過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的綜合品質(zhì)[1]。

一、化學(xué)問(wèn)題解決的教學(xué)模型

化學(xué)問(wèn)題解決的教學(xué)由創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境（提出問(wèn)題）、提供相關(guān)信息、學(xué)生自主學(xué)習(xí)、彌補(bǔ)性教學(xué)和變式練習(xí)與反饋5個(gè)環(huán)節(jié)組成，具體的化學(xué)問(wèn)題解決教學(xué)模型如圖l。

問(wèn)題解決通常是由教師依據(jù)課標(biāo)、教材、學(xué)生已有認(rèn)知，將教學(xué)目標(biāo)要求的知識(shí)以問(wèn)題情境的形式提出。學(xué)生在面對(duì)問(wèn)題情境時(shí)，會(huì)從已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中進(jìn)行信息搜索，然而從頭腦中搜取到的信息往往不能滿足問(wèn)題解決，所以需要教師向?qū)W生提供新信息來(lái)幫助問(wèn)題解決。學(xué)生自主學(xué)習(xí)是在教師提供信息的基礎(chǔ)上通過(guò)獨(dú)立思考和合作學(xué)習(xí)來(lái)解決問(wèn)題的過(guò)程。教師可以在彌補(bǔ)性教學(xué)中將未涉及到的內(nèi)容介紹給學(xué)生，幫助構(gòu)建完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)。為了幫助學(xué)生強(qiáng)化新構(gòu)建的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，通常通過(guò)變式練習(xí)來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化[2]。

二、基于問(wèn)題解決的教學(xué)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)內(nèi)容分析

在新課程標(biāo)準(zhǔn)中“氮及其化合物”屬于必修課程“常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用”和“化學(xué)與社會(huì)發(fā)展”主題下，此部分內(nèi)容承載著幫助學(xué)生結(jié)合真實(shí)情境或?qū)嶒?yàn)探究，了解氮及其化合物的主要性質(zhì)，認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在促進(jìn)社會(huì)文明發(fā)展中的重要價(jià)值，幫助學(xué)生構(gòu)建“價(jià)一類”二維的認(rèn)知模型[3]?！跋蚩諝庖姘币还?jié)在知識(shí)、能力、情感價(jià)值觀方面的具體分析如圖2。

2.學(xué)生情況分析

在該主題教學(xué)進(jìn)行前，對(duì)實(shí)驗(yàn)班的學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查問(wèn)卷和訪談，診斷出實(shí)驗(yàn)班學(xué)生存在以下障礙點(diǎn)：（1）學(xué)生可以構(gòu)建出“價(jià)一類”二維模型，但是缺乏利用模型預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能力;（2）對(duì)生物固氮有所了解，但缺乏對(duì)“人工固氮”的認(rèn)知;（3）知道氮肥有助于糧食增產(chǎn)，但對(duì)氮肥發(fā)展史知之甚少，更無(wú)法分辨各類氮肥的優(yōu)劣和使用注意事項(xiàng)。

3.教學(xué)目標(biāo)的確立

通過(guò)對(duì)高中階段課程標(biāo)準(zhǔn)、教材的研究和學(xué)情的分析，制定了“向空氣要面包”的教學(xué)目標(biāo)如下：（1）通過(guò)如何向空氣要面包的預(yù)測(cè)，培養(yǎng)學(xué)生初步應(yīng)用“價(jià)一類”模型解決問(wèn)題;通過(guò)如何獲取硝態(tài)氮肥的活動(dòng)，再次培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用模型解決實(shí)際問(wèn)題的能力;（2）通過(guò)噴泉實(shí)驗(yàn)、氨水熱分解、白煙實(shí)驗(yàn)等，提升實(shí)驗(yàn)探究（包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、操作、現(xiàn)象觀察）能力和證據(jù)推理能力;（3）通過(guò)由空氣獲取“面包”過(guò)程的研究，感受化學(xué)物質(zhì)及其變化的價(jià)值，增強(qiáng)化學(xué)可促進(jìn)生產(chǎn)發(fā)展的意識(shí)，化學(xué)可幫助我們建設(shè)美麗家園。

4.教學(xué)流程

本節(jié)圍繞氨的性質(zhì)，將教學(xué)過(guò)程分為4個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)（圖3）：首先通過(guò)如何向空氣要面包的提出，引出工業(yè)合成氨;然后圍繞合成氨工廠如何進(jìn)軍氮肥業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生從問(wèn)題解決的視角探究氨的水溶性和堿性;在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生利用“價(jià)一類”模型，解決如何制備更優(yōu)化的硝態(tài)氮肥;最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究幫助學(xué)生解決銨態(tài)氮肥的施用注意事項(xiàng)。

三、基于問(wèn)題解決的教學(xué)實(shí)施

1.教學(xué)環(huán)節(jié)l：向空氣要面包

【學(xué)習(xí)情境】播放“如何解決糧食短缺”視頻

視頻內(nèi)容：19世紀(jì)末世界人口激增，造成糧食短缺，故需要氮肥來(lái)增加糧食產(chǎn)量，雖然智利硝石可做氮肥，但儲(chǔ)量有限，所以克魯克斯向全球科學(xué)家發(fā)起了“向空氣要面包”的號(hào)召。

【核心問(wèn)題】如何響應(yīng)克魯克斯的號(hào)召“向空氣要面包”呢？

【學(xué)生】通過(guò)討論，學(xué)生提出可通過(guò)氧化法或還原法來(lái)固氮。

【資料】1.1905年，第一座電弧固氮工廠在挪威建成，但耗電量大，難以推廣。2.1908年，哈伯在6000C、200個(gè)大氣壓、鋨做催化劑的條件下合成了氨氣，后以博施為代表的BASF公司團(tuán)隊(duì)解決了合成氨量產(chǎn)問(wèn)題，1913年第一座合成氨工廠投產(chǎn)使用，哈伯、博施兩人分獲1918年、1931年諾貝爾獎(jiǎng)[4]。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)“如何解決糧食短缺”視頻，介紹本節(jié)課的研究背景，引發(fā)學(xué)生思考如何“由空氣要面包”。由學(xué)生提出氧化、還原法固氮的設(shè)想，教師提供背景資料，介紹了電弧法固氮的弊端及“哈伯一博施”合成氨法，提升了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任核心素養(yǎng)，幫助學(xué)生構(gòu)建氮的固定“價(jià)一類”二維模型。

2.教學(xué)環(huán)節(jié)2：合成氨工廠進(jìn)軍氮肥業(yè)

【資料】隨著合成氨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，擁有該專利的BASF公司，急于拓寬市場(chǎng)，想要進(jìn)軍氮肥業(yè)。

【問(wèn)題】當(dāng)?shù)剞r(nóng)民會(huì)購(gòu)買氨氣直接做氮肥嗎？氨氣是否可溶于水，并伴有何變化？

【學(xué)生】通過(guò)同學(xué)間的討論交流，獲知氨的物理性質(zhì)（狀態(tài)、密度、溶解性等），通過(guò)氨與水的實(shí)驗(yàn)獲知此過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)。

【微型實(shí)驗(yàn)l】氨氣溶水的噴泉實(shí)驗(yàn)

儀器：lOOmL圓底燒瓶（含NH3）、塑料瓶（帶小孔）、雙塞導(dǎo)管

操作：1.塑料瓶里裝水至lOOmL，加入幾滴酚酞試液;2.迅速取下圓底燒瓶（含NH3）的塞子，換上雙塞導(dǎo)管，再將下面的膠塞插入塑料瓶中（實(shí)驗(yàn)裝置如圖4）;3.用手指堵住塑料瓶上的小孔，擠壓塑料瓶，使少量水進(jìn)入圓底燒瓶，然后松開(kāi)手，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【資料】建國(guó)初期《如何正確使用氨水化肥》的畫冊(cè)

畫冊(cè)內(nèi)容：氨水化肥盛裝在密封的陶罐中，且存放在陰冷的環(huán)境下。

【任務(wù)】根據(jù)以上資料，預(yù)測(cè)氨水可能具有怎樣的性質(zhì)？設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

【實(shí)驗(yàn)2】氨水的熱穩(wěn)定性

操作：1.取少量實(shí)驗(yàn)l中的紅色溶液于一支試管中;2.試管口掛上一條濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙，且試管口套上小氣球;3.加熱試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【資料】氨水在一段時(shí)間內(nèi)為我國(guó)的糧食增產(chǎn)作出了卓越貢獻(xiàn)，然而因它易揮發(fā)、運(yùn)輸不便等原因，已逐漸淡出了消費(fèi)市場(chǎng)。

【問(wèn)題】氣態(tài)的氨氣無(wú)法做氮肥，液態(tài)的氨水也有弊端，那可如何轉(zhuǎn)化，制得更優(yōu)化的氮肥呢？

【學(xué)生】氨有堿性，應(yīng)該能與酸作用，產(chǎn)物為鹽，應(yīng)該是固態(tài)的。

【微型實(shí)驗(yàn)3】氨與鹽酸

儀器：小燒杯、保鮮膜、棉花團(tuán)、膠頭滴管

操作：在兩個(gè)棉花團(tuán)上分別擠上少量濃鹽酸、濃氨水，迅速蓋上保鮮膜。

設(shè)計(jì)意圖：沿著歷史上氮肥的發(fā)展脈絡(luò)，介紹了氨水氮肥、銨態(tài)氮肥的制備和優(yōu)劣，在研究“向空氣要面包”的過(guò)程中不斷地通過(guò)讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行驗(yàn)證，來(lái)提升學(xué)生的科學(xué)探究和證據(jù)推理能力。

3.教學(xué)環(huán)節(jié)3：硝酸鹽類氮肥的制備

【資料】20世紀(jì)初，BASF公司通過(guò)銨鹽來(lái)?yè)屨嫉适袌?chǎng)，然而，它們的氮肥銷量并不理想，因?yàn)楫?dāng)?shù)孛癖姼矚g使用以前智利硝石類的硝酸鹽類氮肥。

【核心問(wèn)題】如何由氨氣獲取硝酸鹽類氮肥

【學(xué)生】通過(guò)“價(jià)一類”模型，NH3可被氧化為NO3，預(yù)測(cè)02可充當(dāng)實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)化的氧化劑。

【視頻】氨氣的催化氧化實(shí)驗(yàn)視頻

設(shè)計(jì)意圖：為解決氮肥發(fā)展中的瓶頸問(wèn)題——如何制備硝酸鹽類氮肥，通過(guò)問(wèn)題的設(shè)置，讓學(xué)生自覺(jué)地利用“價(jià)一類”二維模型去解決實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的大膽預(yù)測(cè)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了自己預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，使學(xué)生體會(huì)到了歷史上科學(xué)巨匠成功的喜悅。

4.教學(xué)環(huán)節(jié)4：銨鹽類氮肥的正確使用

【資料】農(nóng)民不喜歡使用銨鹽類氮肥，因?yàn)樵谑褂弥谐Ｅ馨保c草木灰等堿性肥料共施肥效降低。

【問(wèn)題】針對(duì)以上問(wèn)題，預(yù)測(cè)銨鹽可能具有哪些性質(zhì)？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。銨態(tài)氮肥使用注意事項(xiàng)？

【實(shí)驗(yàn)4】加熱銨鹽

操作：1.試管底部鋪人氯化銨固體，試管中部加入裹有堿石灰的石棉絨;2.對(duì)試管底部的氯化銨加熱，在試管口掛一條濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【實(shí)驗(yàn)5】氯化銨與氫氧化鈣的反應(yīng)

操作：1.自封袋中分別加入一鑰匙氯化銨和氫氧化鈣，自封袋口夾入一條濕潤(rùn)的紅色石蕊試紙;2.封閉好自封袋，揉搓使兩種固體充分混合。

設(shè)計(jì)意圖：歷史上，氮肥公司為了降低生產(chǎn)成本，鼓勵(lì)農(nóng)民群眾使用銨態(tài)氮肥，所以針對(duì)銨態(tài)氮肥施用過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行了研究，而本環(huán)節(jié)就是讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程，學(xué)生們根據(jù)銨態(tài)氮肥的施用弊端，預(yù)測(cè)銨鹽可能的性質(zhì)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究和證據(jù)推理核心素養(yǎng)。

四、教學(xué)反思

1.沿著歷史發(fā)展脈絡(luò)，研究真實(shí)問(wèn)題

受“合成氨工業(yè)發(fā)展史”的啟發(fā)，本教學(xué)設(shè)計(jì)沿著合成氨工業(yè)發(fā)展的脈絡(luò)，選擇歷史上曾困擾人們的四個(gè)問(wèn)題作為課堂教學(xué)的四個(gè)環(huán)節(jié)。20世紀(jì)初，人口激增，面臨糧食短缺，因而克魯克斯提出了“向空氣要面包”的號(hào)召，進(jìn)入環(huán)節(jié)l。隨著氨氣產(chǎn)量的增長(zhǎng)，擁有該專利的公司渴望進(jìn)軍氮肥業(yè)，據(jù)此進(jìn)入環(huán)節(jié)2。銨鹽確可用來(lái)做氮肥，然而因其使用弊端，引導(dǎo)同學(xué)們進(jìn)入環(huán)節(jié)3制備硝酸鹽。硝態(tài)氮肥確實(shí)深受農(nóng)民歡迎，但是成本也隨即提高，故進(jìn)入環(huán)節(jié)4銨態(tài)氮肥的正確使用。

2.活動(dòng)層層遞進(jìn)，發(fā)展核心素養(yǎng)

本案例包括4個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)包括2-3個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)，活動(dòng)的設(shè)計(jì)指向?qū)W生的能力進(jìn)階，在活動(dòng)中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得以發(fā)展。學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)1突出了物質(zhì)的變化觀念和從氧化還原視角的證據(jù)推理;學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)2強(qiáng)調(diào)了利用科學(xué)探究研究物質(zhì)性質(zhì);學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)3從物質(zhì)的變化角度提出問(wèn)題，強(qiáng)化了物質(zhì)“轉(zhuǎn)化觀”;學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)4從物質(zhì)轉(zhuǎn)化、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任兩個(gè)角度研究問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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[4]劉化章.合成氨工業(yè)：過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)[J].化工進(jìn)展，2013，32（9）：1995-2005