在實際問題解決中發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)——以高三復(fù)習(xí)課“水體中氨氮的去除”為例

北京 戚 娜 王 哲

《普通高中化學(xué)課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)要求學(xué)生能以酸雨的防治和廢水處理為例體會化學(xué)對環(huán)境保護的作用，了解減少污染物的原理和方法，能用數(shù)據(jù)、圖表、符號等描述實驗證據(jù)并據(jù)此進行分析推理形成結(jié)論。高三學(xué)生經(jīng)過高中兩年的學(xué)習(xí)，元素化合物知識、氧化還原理論、化學(xué)平衡理論等知識儲備相對豐富，但是將這些知識遷移到解決陌生、真實情景下的實際問題有較大的困難。學(xué)生利用化學(xué)學(xué)科思想和方法解決實際問題的思路還不成熟，由于化學(xué)知識和實際問題的解決方法不能有機地融合，學(xué)生很難在已有知識和實際問題解決方法中自由切換。為了更好地幫助學(xué)生擺脫困擾，教師在高三化學(xué)總復(fù)習(xí)階段，選取真實的情境素材，進行提升學(xué)生實際問題解決的教學(xué)實踐非常必要。

一、基于問題解決的知識分析及教學(xué)目標

1.知識內(nèi)容結(jié)構(gòu)

圖1 “水污染及治理”知識內(nèi)容結(jié)構(gòu)

①以氨氮為載體，提煉解決問題的思路和方法

②依據(jù)論據(jù)推理，提高學(xué)生的證據(jù)意識和推理能力

③體會化學(xué)在改善人類生存環(huán)境、促進社會進步中的重要作用。

2.教學(xué)目標及教學(xué)重點難點

根據(jù)《課程標準》要求及教學(xué)內(nèi)容確立以下教學(xué)目標和教學(xué)重點難點

②通過對文獻中圖表和數(shù)據(jù)的分析，提升利用平衡思想及證據(jù)推理解決實際問題的能力。

③在分析、推理、解決問題過程中，增強證據(jù)意識、科學(xué)精神與社會責任感。

二、“水體中氨氮的去除”課例設(shè)計與實踐

(一)教學(xué)整體思路

圖2 教學(xué)流程圖

(二)主要教學(xué)過程分析

1.教學(xué)環(huán)節(jié)——提出問題

[師]養(yǎng)魚先養(yǎng)水，水怎么養(yǎng)，最關(guān)鍵的是養(yǎng)好氮循環(huán)系統(tǒng)?？梢岳孟趸完J缸魚促進氮循環(huán)系統(tǒng)的形成，促進亞硝酸鹽、氨氮的轉(zhuǎn)化來減少危害。由小魚缸放大到江河湖海，廢水中氮元素的隨意排放會引起赤潮、水華。由此提出本節(jié)課的實際問題：水體中氨氮的去除。

2.教學(xué)環(huán)節(jié)——解決問題

學(xué)生思考回答：

[生1]加堿將其轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3

[生2]加氧化劑轉(zhuǎn)變?yōu)镹2

[生3]加入硝化菌和反硝化菌

[師]同學(xué)想到的這幾種方法也是工業(yè)中常用的方法，如圖3所示，去除氨氮常用的方法有生物法、氧化法、吹脫法。

圖3 去除氨氮常用的方法

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生運用化學(xué)視角和化學(xué)思維看待實際問題，將實際問題轉(zhuǎn)化為具體的化學(xué)反應(yīng)，并重視分析物質(zhì)性質(zhì)的兩個視角：氧化還原角度、物質(zhì)類別角度。同時也引出了本節(jié)課的主線——去除水體中的氨氮的幾種不同的方法。

2.1 生物法簡介

[師]展示資料Ⅰ：實際的廢水處理工藝如圖4中流程圖所示，思考并討論兩個問題：

圖4 生物法除氨氮的工藝流程圖

問1：曝氣池和缺氧池的作用分別是什么？

問2：曝氣池是通入空氣將水呈“沸騰”狀態(tài)，原理是什么？

設(shè)計意圖：結(jié)合工藝流程圖分析各工藝環(huán)節(jié)的原理，以文獻資料作為依據(jù)，通過分析影響反應(yīng)速率的因素，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識和變化觀念。

2.2 氧化法處理廢水中的氨氮

活動1：尋找合適的氧化劑

[生]思考后回答：若加入酸性高錳酸鉀會引入重金屬雜質(zhì)離子，若加入HNO3則重新引入氮元素，若加入Na2O2會使水體堿性增強等，均與目標不符，經(jīng)分析后最優(yōu)的氧化劑是H2O2和NaClO。

活動2：實驗驗證NaClO溶液和(NH4)2SO4溶液的反應(yīng)

[生1]有大量無色氣體產(chǎn)生，該物質(zhì)應(yīng)該是N2。

[生2]有刺激性氣味的氣體，生成物中應(yīng)該有Cl2。

[生3]氣味可能是NaClO反應(yīng)生成Cl2導(dǎo)致的。

[生4]NaClO溶液呈堿性，且反應(yīng)放熱，生成物中可能含NH3。

活動3：氣體成分的檢驗

[師]如何確定氣體的成分？

[生]用濕潤的紅色石蕊試紙檢驗氣體中是否含有NH3，用濕潤的淀粉-KI試紙檢驗其中是否含有Cl2。

教師演示實驗：濕潤的紅色石蕊試紙檢驗氣體，試紙未變藍；濕潤的淀粉-KI試紙未變藍。

得出結(jié)論：無色氣體的主要成分是N2

活動4：溶液的pH對氧化法去除氨氮的影響

學(xué)生根據(jù)實驗結(jié)果寫出氧化法去除氨氮的化學(xué)方程式：

在工業(yè)中如何調(diào)控pH，使其更好去除氨氮？

[師]展示文獻資料Ⅰ：25℃，反應(yīng)時間為30 min時，氯與氨氮的物質(zhì)的量之比為1∶3.5的條件下，pH對氨氮脫除影響如圖5所示。試分析pH較大時，去除率下降的可能原因？

圖5 pH對氨氮去除率的影響

[生]可能是堿性增強，ClO-的氧化性減弱

[師]展示資料卡片：

E值越小，氧化性越弱

學(xué)生經(jīng)過思考、討論、得出正確結(jié)論

活動5：思路方法小結(jié)

[師]工業(yè)生產(chǎn)中要從化學(xué)反應(yīng)的速率和限度的角度，對化學(xué)反應(yīng)條件進行優(yōu)化。在實際生產(chǎn)中，要考慮不同溫度、反應(yīng)時間、投料比、pH等對氨氮去除率的綜合影響，選擇最佳的反應(yīng)條件。因此，解決實際問題的一般思路和方法可以歸納概括為實際問題→化學(xué)反應(yīng)→實驗驗證→優(yōu)化化學(xué)工藝(速率和限度)。

設(shè)計意圖：該環(huán)節(jié)先引導(dǎo)學(xué)生選擇、評價常見的氧化劑，再動手實驗驗證猜測，后對無色氣體的成分進行分析。借助于學(xué)生實驗和演示實驗，運用文獻和資料卡片，充分培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理能力和證據(jù)意識，歸納得出解決實際問題的一般思路和方法。

2.3 了解吹脫法

[師]展示文獻資料Ⅱ：吹脫法的工藝流程圖如圖6所示。

圖6 吹脫法去除氨氮的工藝流程圖

提問：用化學(xué)平衡原理解釋“吹脫塔”中通入空氣的目的？

[師]展示圖7、圖8所示相關(guān)的文獻資料并提問

圖7 不同初始pH對剩余氨氮濃度及脫氮率的影響(溫度為40℃，吹脫時間1 h，氣液比為2500)

圖8 不同溫度對剩余氨氮濃度及脫氮率的影響(pH為11，氣液比為2500，吹脫時間1 h)

(1)為什么隨著pH大于11，氨氮去除率變化不大？

(2)為什么隨著溫度升高，氨氮去除率變大？

(3)工業(yè)上應(yīng)該選擇的溫度范圍是？

設(shè)計意圖：該環(huán)節(jié)借助文獻中的工藝流程最佳條件的選擇問題，引導(dǎo)學(xué)生在關(guān)注化學(xué)反應(yīng)速率和限度的同時，還要考慮動力、環(huán)境要求和設(shè)備要求，進一步提升學(xué)生分析問題、解決問題能力。

2.4 沉淀法簡介

展示文獻資料Ⅲ——鳥糞石的圖片：鳥糞石(MgNH4PO4·6H2O)，一種優(yōu)質(zhì)肥料，面對鳥糞石圖片你想到了什么化學(xué)問題？請課下完成學(xué)案中內(nèi)容：

分析MAP沉淀法對水體中氨氮去除的影響因素

【資料卡片】磷酸銨鎂(MAP)微溶于冷水，易溶于熱水和稀酸，遇堿發(fā)生分解。

在優(yōu)化工藝的條件下，反應(yīng)時間20 min，分別在不同溫度下對NH4Cl模擬廢水進行不同的實驗，結(jié)果如圖9所示。

圖9 溫度對氨氮去除率的影響

在優(yōu)化工藝的條件下，25℃，時間20 min，調(diào)節(jié)不同的pH分別進行實驗，如圖10所示。

圖10 pH對氨氮去除率的影響

【問題】依據(jù)以上資料，試回答以下幾個問題

1.根據(jù)以上信息，分析出MAP沉淀法工藝流程中最優(yōu)的反應(yīng)條件是什么？

2.分析反應(yīng)溫度對氨氮去除率的影響結(jié)果，并說明可能的原因。

3.依據(jù)溶解平衡的原理分析pH較大是氨氮去除率下降的原因。

設(shè)計意圖：鳥糞石的介紹激發(fā)學(xué)生極大的興趣，并通過獨立解決實際問題以及準確表述得到的結(jié)論，進一步強化了學(xué)生對解決實際問題的思路和方法的認識。

3.教學(xué)環(huán)節(jié)——反思提升

通過以上氨氮廢水處理方法的學(xué)習(xí)，你能否總結(jié)出解決化學(xué)相關(guān)的實際問題的一般思路呢？

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生分析出解決實際問題的一般思路，生成如圖11所示板書。不僅讓學(xué)生掌握基本方法，而且能引發(fā)學(xué)生不斷思考、總結(jié)，提升學(xué)生的思維能力和思維品質(zhì)，突破本節(jié)課的重難點。

圖11 解決實際問題的一般思路和方法

4.教學(xué)環(huán)節(jié)——方法應(yīng)用

展示相關(guān)資料：如圖12所示為養(yǎng)殖場氨氮廢水處理工藝流程圖，請同學(xué)找出采用的相關(guān)方法。

圖12 養(yǎng)殖場廢水處理工藝圖

設(shè)計意圖：學(xué)以致用，讓學(xué)生真正掌握解決實際問題的方法并能自如運用。

三、教學(xué)效果分析與反思

學(xué)習(xí)結(jié)束后，筆者再次對30名學(xué)生進行訪談和問卷調(diào)查，有17名學(xué)生寫到，本節(jié)課不僅復(fù)習(xí)了氨氮的知識，更重要的是學(xué)會了怎樣解決實際的問題；21名學(xué)生在問卷中寫到學(xué)會了解決實際問題時應(yīng)該考慮哪些因素的影響；還有很多同學(xué)表示這節(jié)課學(xué)會了運用文獻資料，學(xué)會如何用證據(jù)進行推理，通過學(xué)習(xí)增強了證據(jù)意識和解決問題的能力與信心。教育的終極任務(wù)就是提升人的素養(yǎng)，學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科本質(zhì)觀和學(xué)科教育價值觀的反映?；趯嶋H問題情境的化學(xué)教學(xué)，在認識化學(xué)知識的重要價值、培養(yǎng)求實嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度、責任擔當和創(chuàng)新意識、促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成等方面具有重要意義。經(jīng)過深入的思考和研究，筆者從以下幾個方面論述基于實際問題情境的化學(xué)教學(xué)的重要功能價值。

①實際問題的解決讓學(xué)生體會化學(xué)知識在生產(chǎn)生活中的重要價值

孔子說：“知之者不如好之者，好之者不如樂知者”。以化學(xué)知識為載體，設(shè)置情境、引出問題，讓學(xué)生在對生活事例的探究中靈活運用所學(xué)知識解決實際問題，不僅提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生視野，更能體會化學(xué)知識在生產(chǎn)生活中的重要價值。

②實際問題的解決中形成思考問題的一般思路和方法，從而遷移應(yīng)用

面對實際問題綜合、復(fù)雜的情景，如何從中抽提出化學(xué)問題，這需要學(xué)生具備接收、吸收、整合信息的能力，能夠入木三分、獨具慧眼，剝開復(fù)雜的情景外衣，看到問題的本質(zhì)；其次，在運用相關(guān)化學(xué)知識解決問題過程中，能夠?qū)φ鎸嵉默F(xiàn)象、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的圖像、圖表進行分析加工，能用準確的化學(xué)術(shù)語及文字等表達，并能做出合理解釋。而學(xué)生的這些思維和能力需要在基于實際問題解決教學(xué)中進行訓(xùn)練才能形成。另外，通過實際問題的解決，豐富、完善分析問題思維方法，拓展問題解決的視角，逐漸形成解決問題的一般性方法而遷移應(yīng)用。

③實際問題的解決有助于發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，提高責任擔當。