以化工問題情境培養(yǎng)工程思維
——以“合成氨工藝條件選擇與優(yōu)化”為例

福建省龍巖第一中學(xué)(364000) 鄒國華

福建省長汀一中(366300) 童文昭

1 工程思維概述

化學(xué)學(xué)科是一門實(shí)用型學(xué)科，化學(xué)研究的最終價(jià)值在于運(yùn)用。將化學(xué)知識運(yùn)用于化工生產(chǎn)，通過工程活動“創(chuàng)造”出現(xiàn)實(shí)世界中的“人工物品”需要的思維方式屬于工程思維，工程思維的主體是工程師、企業(yè)家和管理者，是在工程的設(shè)計(jì)、研究和實(shí)踐中形成的思維，工程思維的核心是籌劃性地運(yùn)用各種知識解決工程實(shí)踐問題。

國外在基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)工程思維的研究早于我國，美國在2013年頒布了《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，并首次將科學(xué)與工程實(shí)踐的內(nèi)容整合進(jìn)K-12教育，且明確提出了關(guān)于科學(xué)與工程實(shí)踐的表現(xiàn)性期望、類型、內(nèi)容以及具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)，隨著美國K-12工程教育與全球STEM教育的發(fā)展，工程思維的培養(yǎng)逐漸走進(jìn)基礎(chǔ)教育階段，我國也對此開始了研究實(shí)踐。通過文獻(xiàn)檢索查閱，綜合Shlomo Waks、Loveland Thomas、王美茹、趙美嵐等國內(nèi)外研究人員的研究成果，梳理出中學(xué)階段化學(xué)教學(xué)可培養(yǎng)的工程思維要素：創(chuàng)造性思維、系統(tǒng)性思維、權(quán)衡性思維、價(jià)值性思維、雙贏思維，具體涵義見表1。

2 以化工問題情境培養(yǎng)工程思維的教學(xué)

2.1 內(nèi)涵

化工生產(chǎn)是人類運(yùn)用化學(xué)知識和規(guī)律的典型，化工生產(chǎn)中面臨的問題包含生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的評估、安全問題的評估、原料的選擇、設(shè)備的設(shè)計(jì)、工藝條件的選擇與優(yōu)化、廢氣廢料的回收與處理等方面的思維活動，這些思維活動包含于工程思維之中。

工程問題往往是“結(jié)構(gòu)不良”或“無明確邊界”的問題，面對這類問題需要綜合運(yùn)用學(xué)科知識創(chuàng)造性地解決問題；化學(xué)工程受到地域、氣候、資金、人力資源等限制，也受到速率、限度等方面的影響，考慮問題要有全局意識，從整體出發(fā)，要預(yù)見可能的風(fēng)險(xiǎn)、危險(xiǎn)及產(chǎn)品的可靠性，即要有系統(tǒng)性思維；如何合理匹配各要素，調(diào)和不同需求，如何平衡各種利益關(guān)系，需要有權(quán)衡性思維；化工生產(chǎn)目的是為社會生產(chǎn)出有價(jià)值的產(chǎn)品，同時(shí)獲得經(jīng)濟(jì)效益，如何讓生產(chǎn)的各方價(jià)值都最大化需要有價(jià)值性思維；生產(chǎn)中需要與其他企業(yè)、部門溝通合作以取得共同發(fā)展，同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)于人類社會，應(yīng)踐行綠色發(fā)展、謀求人與自然和諧發(fā)展，不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)，需要雙贏思維。教學(xué)中以化工情境為載體，挖掘出適合學(xué)生探究的工程問題，并創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工程思維進(jìn)行問題解決，進(jìn)而發(fā)展工程思維。

2.2 教學(xué)中工程問題解決路徑

工程思維是在工程問題的解決過程中發(fā)展和提升的，學(xué)生在已有知識和技能的基礎(chǔ)上，結(jié)合所收集的信息，探究問題解決、權(quán)衡方案、優(yōu)化方案、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性等過程的體驗(yàn)，提升真實(shí)問題的解決能力，理解工藝設(shè)計(jì)的理性和方法。如何解決工程問題？筆者根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合占小紅在《工程實(shí)踐融入基礎(chǔ)科學(xué)教育：內(nèi)涵、目標(biāo)與路徑》中設(shè)計(jì)的工程問題解決路徑(見圖1)提出以下對策。工程問題的解決，首先讓學(xué)生明確問題的背景和預(yù)期要達(dá)到的目標(biāo)，即要明確工程問題。針對待解決的工程問題，教師讓學(xué)生收集相關(guān)的資料、信息，也可以提供認(rèn)識角度或信息提示，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴活動或者合作討論，預(yù)先制定出方案或?qū)ふ覇栴}的答案。必要時(shí)再加以提示，優(yōu)化、完善預(yù)設(shè)的方案或答案，進(jìn)而探討方案合理性、答案完整性。若方案合理、答案完整，工程問題解決；若方案不合理或答案不完整，教師繼續(xù)提供信息提示，學(xué)生繼續(xù)優(yōu)化方案、完善答案，直到方案合理或答案完善為止。筆者以“合成氨工藝條件選擇與優(yōu)化”為例介紹工程思維培育的探索實(shí)踐。

圖1 工程問題的解決路徑

3 促進(jìn)工程思維培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐

工業(yè)合成氨是綜合運(yùn)用速率、平衡等知識優(yōu)化反應(yīng)條件的典型案例，內(nèi)含原料選擇、工藝條件選擇及優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)評估等一系列工程問題。選擇合適角度切入工程思維要素，能成為發(fā)展學(xué)生工程思維的很好載體。目前，在工業(yè)合成氨教學(xué)中融入工程思維培養(yǎng)的教學(xué)研究成果暫未出現(xiàn)，本研究將在繼承過往教學(xué)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，深入挖掘生產(chǎn)流程、生產(chǎn)設(shè)備中的可用素材，設(shè)計(jì)工程問題，引導(dǎo)學(xué)生以工程思維為指導(dǎo)，以知識運(yùn)用為核心，在系統(tǒng)思考、對比權(quán)衡、價(jià)值分析中解決復(fù)雜的工程問題，最終在學(xué)習(xí)和鞏固學(xué)科知識的基礎(chǔ)上，發(fā)展工程思維要素。

3.1 工程問題設(shè)計(jì)及拆解

對于化工生產(chǎn)而言，生產(chǎn)原理、工藝條件、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)設(shè)備是必須考慮和解決的重要工程問題，本設(shè)計(jì)亦從這幾點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)了三個工程問題任務(wù)，為更好地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析討論，筆者再將三個工程問題進(jìn)行拆解，在工程問題的解決中培養(yǎng)相應(yīng)的工程思維要素，具體設(shè)計(jì)目標(biāo)如下。

(1)在以氮?dú)鉃樵仙a(chǎn)氮肥的方案設(shè)計(jì)活動中，運(yùn)用熱力學(xué)、化學(xué)平衡等知識，從成本、能耗、反應(yīng)限度等角度探討氮?dú)庋趸ê瓦€原法兩種生產(chǎn)氮肥途徑的價(jià)值，分析二者的優(yōu)劣，發(fā)展權(quán)衡性思維和價(jià)值性思維。

(2)運(yùn)用速率、限度、平衡移動等知識系統(tǒng)探討影響工業(yè)合成氨的影響因素，并對壓強(qiáng)、催化劑、溫度、投料比等影響因素展開嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄炕顒?，學(xué)習(xí)和鞏固相關(guān)知識的同時(shí)，發(fā)展系統(tǒng)性、權(quán)衡性、價(jià)值性思維。

(3)在適當(dāng)信息提示下，對工業(yè)合成氨生產(chǎn)流程和反應(yīng)塔進(jìn)行設(shè)計(jì)，體會化學(xué)知識的價(jià)值，感受創(chuàng)新、創(chuàng)造能力的價(jià)值，發(fā)展創(chuàng)造性、價(jià)值性思維，以及保護(hù)環(huán)境、人與自然和諧發(fā)展的雙贏思維。

3.2 主要教學(xué)活動

3.2.1 工程問題1：氮肥的獲取途徑

明確工程問題：如何設(shè)計(jì)合成氨的生產(chǎn)路線？

教師：自然界中能以何種物質(zhì)為原料來生產(chǎn)氮肥？并說說你的理由。

學(xué)生：氮?dú)?，因?yàn)榭諝庵械獨(dú)饧s占78%，來源豐富，獲取原料的成本低。

教師：以氮?dú)鉃樵仙a(chǎn)氮肥，即用氮?dú)庵苽湎跛猁}或銨鹽氮肥，你可以設(shè)計(jì)出幾種方案？

預(yù)設(shè)方案1：氧化法(N2→NO→NO2→HNO3→硝酸鹽)。

預(yù)設(shè)方案2：還原法(N2→NH3→銨鹽)。

教師：這兩種方案工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值如何？請結(jié)合所學(xué)知識和以下數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)衡分析。

學(xué)生：氮?dú)庋趸蒒O屬于吸熱反應(yīng)，需要吸收較高能量，生產(chǎn)成本較高，并且K很小，說明反應(yīng)不容易進(jìn)行；而氮?dú)膺€原成氨氣屬放熱反應(yīng)，能耗較低，生產(chǎn)成本較低，且K很大，說明反應(yīng)進(jìn)行程度大，所以應(yīng)選方案2為生產(chǎn)路線。

教師：分析很到位。工業(yè)上確實(shí)采用方案2來生產(chǎn)氮肥。

設(shè)計(jì)意圖：通過學(xué)生自主選擇氮?dú)鉃樵?，并設(shè)計(jì)合成氮肥的方案，以問題驅(qū)動的形式讓學(xué)生通過成本、能耗、反應(yīng)限度等角度的對比權(quán)衡，選擇有價(jià)值的方案，分析過程中權(quán)衡性思維和價(jià)值性思維得到發(fā)展、提升。

3.2.2工程問題2：合成氨工藝條件的選擇及優(yōu)化

將工程問題2拆解成5個工程任務(wù)，任務(wù)1主要培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維，任務(wù)2～5主要培養(yǎng)學(xué)生的權(quán)衡性思維和價(jià)值性思維。因任務(wù)2～5活動的設(shè)計(jì)方式大體相近，本文選取任務(wù)5進(jìn)行具體介紹。

學(xué)生：影響合成氨反應(yīng)的條件有壓強(qiáng)、溫度、催化劑、反應(yīng)物濃度；選擇生產(chǎn)條件應(yīng)考慮速率、限度因素。

教師：除此之外，選擇生產(chǎn)條件應(yīng)考慮哪些因素？

提示：氨氣是無色有強(qiáng)烈的刺激性氣味的氣體，能灼傷皮膚、眼睛、呼吸器官的粘膜，吸入過多，會引起肺腫脹，以至死亡；在生產(chǎn)經(jīng)營活動中，應(yīng)避免造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失，保證從業(yè)人員的人身安全；化工生產(chǎn)目的是為社會生產(chǎn)出有價(jià)值的產(chǎn)品，同時(shí)獲得經(jīng)濟(jì)效益。

學(xué)生：還需考慮成本、環(huán)保、安全風(fēng)險(xiǎn)等因素。

總結(jié)：是的，影響合成氨反應(yīng)的條件有壓強(qiáng)、溫度、催化劑、反應(yīng)物濃度；選擇生產(chǎn)條件應(yīng)考慮速率、限度、成本、環(huán)保、安全風(fēng)險(xiǎn)等因素。我們首先應(yīng)該對生產(chǎn)中的影響因素和面臨的問題有一個系統(tǒng)、全面的認(rèn)識，然后再針對每個問題進(jìn)行逐一攻克，這是解決工程問題的一般思路。

任務(wù)5：如何選擇合成氨的氮?dú)夂蜌錃獾耐读媳饶兀?/p>

信息提示：原料投料比對平衡混合氣中氨含量的影響見圖2。

圖2 原料投料比對平衡混合氣中氨含量的影響

學(xué)生：以N2和H2的氣體體積比為1∶3左右投入效果好。

教師:是的，此時(shí)混合氣體中氨氣含量高，那是否就以1∶3投料生產(chǎn)呢？

信息提示：①根據(jù)催化原理可知，氮?dú)庠诖呋瘎┍砻嫖椒纸獾乃俾事?，是控制總反?yīng)速率的關(guān)鍵步驟；②淘寶顯示純度99.999%的氮?dú)夂蜌錃鈨r(jià)格分別為290元/瓶、400元/瓶(40 L/瓶)。

學(xué)生：因?yàn)榈獨(dú)庠诖呋瘎┍砻娣磻?yīng)速率慢，且價(jià)格低，所以投料時(shí)氮?dú)鈶?yīng)該稍微多一些。合成氨為可逆反應(yīng)，增加反應(yīng)中氮?dú)獾牧靠梢蕴岣邭錃獾霓D(zhuǎn)化率，降低生產(chǎn)成本，另外，氮?dú)夥磻?yīng)速率慢，多一些氮?dú)庖部商岣叻磻?yīng)速率，提高產(chǎn)量。

教師：是的，應(yīng)加入多一些氮?dú)?，?shí)踐證明合適的投料比為1∶2.8。

設(shè)計(jì)意圖：化工生產(chǎn)前，對生產(chǎn)需考慮的問題要有全局的把握，預(yù)設(shè)方案1的主要意圖為引導(dǎo)學(xué)生從宏觀上把握合成氨需要選擇的工藝條件，并明確選擇依據(jù)，讓學(xué)生對生產(chǎn)工藝條件的選擇及優(yōu)化有整體的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維。將工程問題進(jìn)行拆解，通過問題驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用速率、平衡、限度等知識，經(jīng)過分析、推理、論證等探究活動，在成本、能耗、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、安全風(fēng)險(xiǎn)等層面進(jìn)行壓強(qiáng)、溫度、催化劑、投料比選擇問題的對比權(quán)衡、價(jià)值分析，最終確定出合適的工藝條件。同時(shí)，學(xué)生的權(quán)衡性思維、價(jià)值性思維得以發(fā)展和提升。

3.2.3 工程問題3：合成氨流程、生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)

合成氨流程和生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)中，將工程問題拆解成兩個任務(wù)，即探討如何解決原料轉(zhuǎn)化率低、氨氣污染環(huán)境問題和如何解決碳素鋼反應(yīng)器龜裂爆炸問題。

任務(wù)1：如何解決原料轉(zhuǎn)化率低、氨氣污染環(huán)境問題。

信息提示：原料投料比為1∶2.8時(shí)，溫度、壓強(qiáng)對平衡混合氣中氨含量的影響見圖3。

圖3 投料比為1∶2.8時(shí)，溫度、壓強(qiáng)對平衡混合氣中氨含量的影響

教師：從圖3可知，在400 ℃、500個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，平衡體系中氨氣的體積分?jǐn)?shù)也才60.6%，要繼續(xù)提高原料氣的轉(zhuǎn)化率，我們該怎么辦？

學(xué)生：將產(chǎn)物中氨氣分離出來，未反應(yīng)完的氮?dú)夂蜌錃饫^續(xù)用于反應(yīng)。

教師：這個設(shè)想如何在合成氨中具體實(shí)現(xiàn)？生產(chǎn)流程該如何設(shè)計(jì)？

學(xué)生：可以設(shè)計(jì)循環(huán)反應(yīng)裝置，將氨氣及時(shí)分離，而將未反應(yīng)完的氮?dú)夂蜌錃夥祷胤磻?yīng)器中繼續(xù)反應(yīng)。

教師：如何防止氨氣污染環(huán)境問題呢？

學(xué)生：生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)都要密封，防止氨氣逸出，氨氣從混合氣體中液化分離后，直接密封裝瓶。

教師：很好，你們的方案與科學(xué)家哈伯是一致的。單次反應(yīng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率低，并不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，哈伯進(jìn)行了大膽設(shè)計(jì)，采用封閉流程和循環(huán)操作工藝。這種方法為合成氨的規(guī)模生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)，也為其他化工生產(chǎn)提供了參考思路。

資料展示：合成氨流程設(shè)計(jì)簡圖見圖4。

圖4 合成氨流程設(shè)計(jì)

教師：圖4的封閉流程和循環(huán)操作設(shè)計(jì)不僅解決了原料轉(zhuǎn)化率低的問題，還能避免氨氣逸出污染環(huán)境，這是多么偉大而有價(jià)值的設(shè)計(jì)啊。

任務(wù)2：如何解決碳素鋼反應(yīng)器龜裂爆炸問題。

信息提示：合成氨需要高壓，碳素鋼硬度、強(qiáng)度高，耐壓性能好，但氫原子在高壓的作用下會鉆進(jìn)受熱膨脹后的碳素鋼內(nèi)部，并與碳元素發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)壁出現(xiàn)龜裂而爆炸；熟鐵含碳量很低，可大幅降低氫原子滲透，但熟鐵質(zhì)地軟，塑性好，延展性好，強(qiáng)度和硬度均較低，因此不耐高壓。

教師：如何解決這個問題呢？

學(xué)生：可以用碳素鋼制作反應(yīng)塔的外殼，里面再添一層熟鐵。

提示：是的，里層的熟鐵可降低氫原子滲透，外層的碳素鋼能耐高壓，二者結(jié)合是解決這一工程問題的一個思路。但熟鐵并不能完全阻止氫原子的滲透，長時(shí)間生產(chǎn)后，可能出現(xiàn)什么問題？

學(xué)生：熟鐵和碳素鋼外殼之間會有一些氫氣，碳素鋼外殼依然存在龜裂爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

教師：該如何進(jìn)一步解決這一問題？

學(xué)生：想辦法將滲透出的氫及時(shí)釋放出來。

教師：很好的設(shè)想！可是如何在剛才設(shè)計(jì)的反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)呢？

學(xué)生：可以在碳素鋼外殼設(shè)計(jì)一些小孔，這樣有氫逸出便能及時(shí)釋放。

教師：設(shè)計(jì)得太好了，在碳素鋼圓筒反應(yīng)塔內(nèi)加熟鐵制成的內(nèi)襯，這樣的結(jié)構(gòu)既能承受高壓，又能大幅降低氫原子向碳素鋼圓筒內(nèi)壁滲透。加了內(nèi)襯之后，如何及時(shí)排放滲透到內(nèi)襯外側(cè)的少量氣體是關(guān)鍵問題。經(jīng)過長時(shí)間探索，博施在碳素鋼圓筒上鉆一些小孔，將滲透在內(nèi)襯外側(cè)的少量氫氣排放出來，這樣設(shè)計(jì)的反應(yīng)塔防爆效果非常好。不僅成本低，還有效地解決了反應(yīng)塔爆炸問題。博施經(jīng)過長時(shí)間研究和試驗(yàn)后，完美地解決了此問題。

總結(jié)：哈伯和博施兩位科學(xué)巨匠，運(yùn)用科學(xué)知識和科學(xué)思維，創(chuàng)造性地解決了合成氨中的難題，這些難題的攻克為合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了重要基礎(chǔ)，而合成氨的規(guī)模生產(chǎn)，為世界解決糧食生產(chǎn)問題作出了重要的貢獻(xiàn)，哈伯和博施為合成氨規(guī)模生產(chǎn)做出了突出貢獻(xiàn)而獲得了諾貝爾獎。我們不僅要學(xué)習(xí)扎實(shí)的科學(xué)知識，還要學(xué)習(xí)科學(xué)巨匠直面問題、勇于挑戰(zhàn)的精神和敢于打破常規(guī)的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力。

設(shè)計(jì)意圖：封閉流程和循環(huán)操作工藝提高了原料的利用率，降低了生產(chǎn)成本，還能防止氨氣污染環(huán)境，這正是該工藝的優(yōu)勢與價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)價(jià)值性思維、雙贏思維；通過合成氨中的流程設(shè)計(jì)和碳素鋼加熟鐵內(nèi)襯雙層反應(yīng)塔設(shè)計(jì)活動，體會創(chuàng)新、創(chuàng)造能力的價(jià)值，并感受科學(xué)家偉大的創(chuàng)新、創(chuàng)造能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

4 工程思維培養(yǎng)的化學(xué)教學(xué)建議

結(jié)合探索實(shí)踐，筆者認(rèn)為，教學(xué)中培養(yǎng)工程思維應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)。

4.1 設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓こ虇栴}

科學(xué)知識在工業(yè)領(lǐng)域的具體運(yùn)用需要有工程思維的支配，工程思維的培養(yǎng)需要選擇適當(dāng)?shù)墓こ虇栴}情境。高中化學(xué)教材的編寫關(guān)注化學(xué)與生產(chǎn)生活的聯(lián)系，突出化學(xué)學(xué)科的實(shí)用價(jià)值，在必修課程和選擇性必修“化學(xué)反應(yīng)原理”模塊中包含或者從中可挖掘的化工生產(chǎn)有：工業(yè)制硫酸、工業(yè)制硝酸、工業(yè)合成氨、高爐煉鐵、石油的煉制、海水的綜合利用(曬鹽、提鎂、提溴)、海產(chǎn)品(海帶)提碘、煤的綜合利用、電冶金、氯堿工業(yè)、侯氏制堿等。此外，選擇性必修的另外兩個模塊、選修課程3個系列中還可挖掘其他的化工生產(chǎn)素材。這類素材資源豐富，通過數(shù)據(jù)庫、書籍、網(wǎng)絡(luò)等方式即可獲取豐富的資料，在生產(chǎn)原理、原料的獲取、工藝條件的選擇與優(yōu)化、產(chǎn)品的制備與純化、綠色環(huán)保、裝置設(shè)備等角度收集資料，經(jīng)過篩選、加工設(shè)計(jì)合適的工程問題，融入對應(yīng)的工程思維要素的培養(yǎng)。

4.2 構(gòu)建寬松的課堂環(huán)境

在工程思維培養(yǎng)的教學(xué)中，要通過學(xué)生的協(xié)作、探討來完成工程問題，工程問題對學(xué)生而言是陌生、復(fù)雜的，具有一定的難度，寬松、民主的課堂環(huán)境，有利于觀點(diǎn)的表達(dá)和討論，學(xué)生的回答是否全面、正確，并不是課堂關(guān)注的焦點(diǎn)，而運(yùn)用工程思維要素進(jìn)行推理、權(quán)衡的過程才是思維發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，教師應(yīng)正視個體差異和知識的局限性，鼓勵學(xué)生暢所欲言。

4.3 提供認(rèn)識角度和信息提示

工程問題往往涉及的知識廣、考慮的因素多，其解決過程需要不斷地嘗試，多次優(yōu)化、完善后才能形成合理的方案，教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)提供認(rèn)識角度和信息提示，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考討論，從而使工程問題任務(wù)的解決能深入、有序推進(jìn)。