融合STEAM教育理念的項(xiàng)目式教學(xué)初探*
——以“尿素的工業(yè)制備”為例

吳春亭 鄭 璇

（福建省龍巖第一中學(xué) 福建 龍巖 364000）

新課程背景下，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并解決真實(shí)情境中問題的能力是化學(xué)教師日常教學(xué)中的重要任務(wù)之一。在真實(shí)的情境中，涉及的問題是綜合且復(fù)雜的，解決這類問題往往需要調(diào)用多種學(xué)科知識。因此，在高中化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用STEAM教育理念開展教學(xué)就較為適切。STEAM教育的理念可以概括為：以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過工程和藝術(shù)解讀科學(xué)和技術(shù)。STEAM教育以基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)、基于問題的學(xué)習(xí)為主要教學(xué)（學(xué)習(xí)）方式，引導(dǎo)學(xué)生通過合作與實(shí)踐，完成主題項(xiàng)目任務(wù)和解決生活中的難題。［1］文章以“尿素的工業(yè)制備”的教學(xué)實(shí)踐為例，探討基于STEAM教育理念發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

“尿素的工業(yè)制備”是在魯科版化學(xué)教材的基礎(chǔ)上，結(jié)合新高考考查特點(diǎn)，以真實(shí)的工業(yè)流程為情境素材，以STEAM教育理念為指導(dǎo)，以糧食危機(jī)和糧食安全問題為切入點(diǎn)，在“氮元素及其化合物”的復(fù)習(xí)背景下，探討氮肥家族中應(yīng)用較為廣泛的一種化學(xué)肥料（尿素）的工業(yè)生產(chǎn)流程。主要教學(xué)內(nèi)容包括：結(jié)合化學(xué)史與相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行工業(yè)合成尿素的原料選擇；以NH3和CO2為原料制備尿素的工業(yè)條件選擇；以NH3和CO2為原料制備尿素的實(shí)際工藝流程問題探究。

經(jīng)檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在已發(fā)表的文獻(xiàn)中，同知識點(diǎn)內(nèi)容多以“氨氣的工業(yè)制備”“硝酸的工業(yè)制備”為情境素材，教學(xué)過程中多圍繞單一反應(yīng)進(jìn)行速率和限度的分析，而目前高考相關(guān)問題的考查往往是基于多平衡體系。而且在已有教學(xué)設(shè)計(jì)中，為了簡化課堂內(nèi)容，便于學(xué)生接受，知識內(nèi)容往往局限于本學(xué)科領(lǐng)域，對于相關(guān)數(shù)據(jù)和流程也進(jìn)行了簡化處理，導(dǎo)致學(xué)生思考問題的思維方式較為單一，對于綜合性較強(qiáng)的情境問題不能快速準(zhǔn)確地抽提出關(guān)鍵信息，不能從紛繁的數(shù)據(jù)中找出有用數(shù)據(jù)。

目前的教學(xué)中存在兩個(gè)具體問題需要關(guān)注：一是學(xué)生如何自主構(gòu)建思維模型并將其遷移到陌生情境中進(jìn)行應(yīng)用，二是學(xué)生能否通過簡化后的數(shù)據(jù)和工業(yè)流程體會工程思維的縝密性和復(fù)雜性。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)思想

STEAM教育理念強(qiáng)調(diào)在真實(shí)的問題情境中解決問題?；瘜W(xué)學(xué)科不僅與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會文明有密切聯(lián)系，也是眾多學(xué)科的重要基礎(chǔ)。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，倡導(dǎo)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，凸顯學(xué)科內(nèi)容的綜合性，培養(yǎng)全面發(fā)展的高素質(zhì)人才。從學(xué)科特點(diǎn)上來看，化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)性、綜合性和應(yīng)用性較強(qiáng)的特點(diǎn)，與STEAM教育理念存在內(nèi)在的一致性；從課程結(jié)構(gòu)上來看，STEAM課程以整合為主，以工程為核心，［2］落實(shí)STEAM教育理念，往往以工程類問題為依托；從教學(xué)模式上來看，STEAM教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)以真實(shí)情境為驅(qū)動，用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方法展開小組活動是STEAM教育的顯著特點(diǎn)。［3］項(xiàng)目式教學(xué)以解決真實(shí)問題為基礎(chǔ)，將學(xué)習(xí)任務(wù)拆分成若干個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目，通過小組合作探究的模式完成學(xué)習(xí)項(xiàng)目。因此以真實(shí)的工業(yè)制備流程為情境素材，通過項(xiàng)目式教學(xué)的方式，融合STEAM教育理論，是在化學(xué)教學(xué)中落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)有效教學(xué)路徑。

選擇新穎的教學(xué)素材——尿素。尿素是一種廣為人知的有機(jī)氮肥，在生活中也有廣泛應(yīng)用，制備尿素的原料是學(xué)生很熟悉的氨氣和二氧化碳，符合課程標(biāo)準(zhǔn)中基于學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)解決新情境下問題的要求。教學(xué)素材的選取注重保留實(shí)際生產(chǎn)過程中的工藝流程和數(shù)據(jù)參數(shù)，盡量還原真實(shí)的問題情境。教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)合了化學(xué)史的內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識問題的新視角，有利于學(xué)生科學(xué)本質(zhì)觀的形成。教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)以及教學(xué)實(shí)施過程注意培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中解決問題的能力、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的能力，以及借助互聯(lián)網(wǎng)工具收集信息與資源整合的能力，并在分析過程中融入綠色化學(xué)思想等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新精神和社會責(zé)任。［4］本節(jié)課的創(chuàng)新之處在于充分挖掘了尿素的工業(yè)制備過程中需要考慮的一些實(shí)際問題，融入了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等內(nèi)容，與STEAM教學(xué)理念高度契合。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.通過“尿素發(fā)現(xiàn)及合成”史實(shí)了解合成尿素的幾種方式，進(jìn)行溯源論證，選擇合成尿素的原料；

2.通過相關(guān)資料結(jié)合具體的化學(xué)反應(yīng)選擇工業(yè)合成尿素的反應(yīng)條件，培養(yǎng)變化觀念與平衡思想；

3.通過工業(yè)合成尿素的條件選擇，將各個(gè)反應(yīng)步驟組裝形成尿素工業(yè)生產(chǎn)的具體流程，培養(yǎng)工程思維；

4.通過對尿素工業(yè)合成的發(fā)展歷程和實(shí)際生產(chǎn)過程的分析，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神與社會責(zé)任，強(qiáng)化“綠色化學(xué)”思想；

5.通過討論尿素工業(yè)合成的條件選擇和工藝流程，抽提工業(yè)合成的基本思維模型，培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)。

四、主要教學(xué)流程與設(shè)計(jì)意圖

為達(dá)成以上教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了如表1所示的教學(xué)流程。

表1 主要教學(xué)流程與設(shè)計(jì)意圖

五、教學(xué)實(shí)錄

（一）選擇合成尿素的原料

（1）情境引入

每年的10月16日是世界糧食日，糧食危機(jī)、糧食安全問題一直是我國以及全世界關(guān)注的熱點(diǎn)問題，為了解決糧食問題，種子的培育和化肥工業(yè)的發(fā)展就顯得尤為重要。

【教師】通過之前的資料查詢，我國農(nóng)業(yè)上常用的氮肥有哪些？

【學(xué)生】氨水、硝酸銨、碳酸氫銨、尿素……

【教師】今天我們主要了解有機(jī)氮肥中使用較廣泛的肥料——尿素的工業(yè)生產(chǎn)流程。

（2）教師設(shè)問，學(xué)生進(jìn)行猜想與假設(shè)

【教師】如何選擇合成尿素的原料呢？

【學(xué)生】提出猜想與假設(shè)。

【教師】我們根據(jù)元素轉(zhuǎn)化的思想提出了上面的幾個(gè)假設(shè)，那如何確定我們的假設(shè)是否具有可行性呢？

【學(xué)生】做實(shí)驗(yàn)、查閱資料……

【教師】那請大家以小組為單位，派一名同學(xué)匯報(bào)你們之前所查閱的資料，并闡述你們是如何確定自己的原料選擇方案的。

【學(xué)生】匯報(bào)、回答問題。

（3）回顧化學(xué)史，進(jìn)行溯源論證

教師展示如圖1所示的尿素合成的發(fā)展史。

圖1 尿素的發(fā)現(xiàn)與合成發(fā)展史

【教師】維勒的方法可不可以應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中去？

【學(xué)生】可以，因?yàn)椴僮鞣椒ㄝ^簡便。

給出資料卡1：氰酸是一種有揮發(fā)性和腐蝕性的液體，高毒。

【學(xué)生】好像又不行，此方法的安全系數(shù)不高。

【教師】巴扎洛夫的方法可不可以應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中去？

【學(xué)生】要考慮氨基甲酸銨的成本和性質(zhì)。

給出資料卡2：氨基甲酸銨不穩(wěn)定，易分解為氨和二氧化碳：NH2COONH4?2NH3↑+CO2↑

【學(xué)生】可以利用氨氣和二氧化碳生成氨基甲酸銨。

（二）從NH3和CO2出發(fā)制備尿素

（1）給出信息，計(jì)算焓變

以NH3與CO2為原料可以合成尿素［CO（NH2）2］，涉及的化學(xué)反應(yīng)如下：

【教師】根據(jù)上述反應(yīng)，計(jì)算總反應(yīng)的焓變。

【學(xué)生】ΔH=-100.5kJ·mol-1

（2）分析合成尿素的原料的來源

【教師】我們通過上述分析知道工業(yè)合成尿素的原料是NH3和CO2，這兩種原料的來源是什么？

【學(xué)生】NH3的來源是工業(yè)合成氨，CO2來自于空氣或者煅燒貝殼。

【教師】空氣中的CO2含量是多少？

【學(xué)生】很少，那這個(gè)方法可能不太行。

給出資料卡3：

1.工業(yè)上合成氨的氫氣主要來源于制氫工藝,

最常見的是煤氣化：

2.也可以用天然氣為原料生產(chǎn)：

CH4+H2O=CO+3H2CO+H2O=CO2+H2

【教師】為了使原料充分接觸，加快反應(yīng)速率，要如何進(jìn)行預(yù)處理？

【學(xué)生】CO2要凈化，提高反應(yīng)效率、提高生產(chǎn)安全系數(shù)；液氨要進(jìn)行霧化。

進(jìn)料順序：氣液逆流。

（3）根據(jù)核心反應(yīng)選擇合成條件

活動1：根據(jù)核心反應(yīng)I，分析在甲銨合成塔中要控制的反應(yīng)條件。

【教師】如何選擇甲銨合成塔中的操作條件？

給出資料卡4：從動力學(xué)上看，生成甲銨的反應(yīng)屬于快反應(yīng)，幾乎在瞬間即可達(dá)到化學(xué)平衡。在反應(yīng)條件下，當(dāng)NH3過量時(shí)，二氧化碳以極快的速度幾乎全部轉(zhuǎn)化為甲銨。

【學(xué)生】從速率角度看：反應(yīng)速率已滿足要求；從平衡角度看：及時(shí)轉(zhuǎn)移反應(yīng)熱、增大壓強(qiáng)。

給出資料卡5：甲銨只有在液態(tài)的時(shí)候反應(yīng)速度才比較明顯。

【教師】為了提高甲銨的利用率，要如何操作？

【學(xué)生】讓甲銨保持液態(tài)，及時(shí)冷凝、加壓。

活動2：根據(jù)核心反應(yīng)II，分析在甲銨合成塔中要控制的反應(yīng)條件。

【教師】如何選擇尿素合成塔中的操作條件？

給出資料卡6：反應(yīng)Ⅱ?yàn)樗俣容^慢的弱吸熱可逆反應(yīng)，只有在液態(tài)時(shí)反應(yīng)速度才較為明顯，其平衡轉(zhuǎn)化率為55%～80%。

【學(xué)生】速率：升高溫度、增大壓強(qiáng)、加入催化劑；平衡：升高溫度、壓強(qiáng)無明顯影響。

【教師】依據(jù)圖2所示，如何選擇尿素合成塔中的溫度？是否溫度越高越好？

圖2 尿素產(chǎn)率與催化劑活性、溫度關(guān)系圖

【學(xué)生】不是的，要權(quán)衡產(chǎn)率與催化劑活性的問題。

【教師】一般工業(yè)上合成溫度控制在188～190℃；合成壓強(qiáng)控制在14～15MPa。

【教師】總反應(yīng)：

如何控制氨氣和二氧化碳的比例？請先根據(jù)反應(yīng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析再結(jié)合具體資料進(jìn)行輔助驗(yàn)證。

【學(xué)生】按照方程式可以控制在2∶1。

給出資料卡7：①理論和實(shí)踐表明，氨碳比每提高0.2，轉(zhuǎn)化率提高約1%～1.5%；

②過量氨的回收必須與氨冷凝系統(tǒng)處理能力相匹配；

③合成塔中多相處于平衡狀態(tài)，隨著過量氨的增加，塔內(nèi)平衡壓力也隨之升高，過量的氨要與操作壓力相適應(yīng)。

【教師】一般在實(shí)際的操作過程中，氨碳比控制在5.63左右。

【教師】在反應(yīng)過程中有沒有可循環(huán)利用的物質(zhì)？

【學(xué)生】甲銨、氨、部分水和二氧化碳。

（三）認(rèn)識NH3和CO2制備尿素的工藝流程

（1）學(xué)生討論和總結(jié)以NH3和CO2制備尿素的工業(yè)流程框架圖

【教師】結(jié)合前面的原料選擇、反應(yīng)條件選擇和流程分析，請大家分組討論，總結(jié)一下合成尿素的工藝流程并畫出尿素工業(yè)制備的流程圖。

【學(xué)生】小組討論，總結(jié)前面的制備流程與過程，展示組內(nèi)討論成果。

（2）教師給出實(shí)際的工業(yè)流程圖，進(jìn)行分析講解

【教師】圖3是實(shí)際的工業(yè)流程圖，請分析流程中各步驟的操作目的，并與我們繪制的流程圖進(jìn)行對比，分析有何不同。

圖3 CO2循環(huán)法制備尿素的工業(yè)流程圖

【教師】在上述流程中，哪些環(huán)節(jié)體現(xiàn)了原料的充分利用？

【學(xué)生】解吸池、高壓洗滌、高壓噴射器……

【教師】除了物質(zhì)的循環(huán)利用，上述流程中還有什么方面的循環(huán)利用？

【學(xué)生】能量也可以循環(huán)利用。

【教師】在哪個(gè)環(huán)節(jié)體現(xiàn)？

【學(xué)生】蒸發(fā)加熱和蒸發(fā)冷凝的熱量可以循環(huán)。

（四）總結(jié)與提煉

根據(jù)學(xué)生的回答總結(jié)工業(yè)生產(chǎn)的一般研究思路，如圖4所示。

圖4 工業(yè)生產(chǎn)問題思維模型圖

六、教學(xué)效果與反思

本節(jié)課以“尿素的工業(yè)合成”為載體，重點(diǎn)設(shè)置了三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中給學(xué)生布置了相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，重點(diǎn)討論合成尿素的原料選擇和合成尿素的工藝流程，在前兩個(gè)任務(wù)“選擇制備尿素的原料”和“從NH3和CO2出發(fā)制備尿素”完成后，第三個(gè)任務(wù)的提出和解決就較為流暢和自然。課堂氛圍較為熱烈，學(xué)生活動的參與度和思維積極性較高，在模型的建立上也能較好地聯(lián)系起自己之前的經(jīng)驗(yàn)，從速率和平衡兩個(gè)角度進(jìn)行整體分析，并能較好地處理多重平衡體系的競爭關(guān)系。同時(shí)在后續(xù)的方案評價(jià)過程中也能從效率、工藝、成本、環(huán)境幾個(gè)方面進(jìn)行合理評價(jià)，課堂教學(xué)效果良好。

整節(jié)課設(shè)計(jì)中有以下幾點(diǎn)反思

1.情境的選擇和引入要適切

在第一個(gè)環(huán)節(jié)中，重點(diǎn)突出了科學(xué)史在化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要應(yīng)用，通過展示科學(xué)家的研究過程，給學(xué)生以啟發(fā)。通過展示歷史上科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)和研究事實(shí)，體會科學(xué)研究的艱辛與樂趣。但在合成原料選擇過程中，學(xué)生在巴扎洛夫和維勒的方案中選擇困難，原因是二者在制備原理上都比較簡潔，但學(xué)生沒有考慮到氰酸的毒性問題和生產(chǎn)原料的成本問題。主要原因是學(xué)生前期在進(jìn)行資料收集時(shí)，對于資料的收集過于寬泛和籠統(tǒng)。教師可以在課前給出幾個(gè)明確的探究問題來指引學(xué)生的資料檢索方向。

2.問題的設(shè)置要符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和認(rèn)知水平

教學(xué)素材的選取方面，加入了部分?jǐn)?shù)學(xué)計(jì)算內(nèi)容，并且提供了很多資料卡片來輔助學(xué)生思考和理解。同時(shí)也造成了課堂容量較大的問題，留給學(xué)生的思考時(shí)間較少。學(xué)生不能在短時(shí)間內(nèi)認(rèn)識到問題的本質(zhì)，甚至陷入迷思狀態(tài)。因此，在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中要結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)與認(rèn)知水平，設(shè)計(jì)符合課堂容量的問題，對于一些有難度的問題，可以拆分成幾個(gè)子問題，通過問題梯度化的設(shè)計(jì)來解構(gòu)重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

3.教學(xué)理念與教學(xué)策略的結(jié)合要有機(jī)且自然

本節(jié)課是以STEAM教育理念為主要理論依據(jù)而進(jìn)行創(chuàng)設(shè)的，因此，在教學(xué)素材和教學(xué)情境的選擇上努力彰顯了STEAM教育理念。但在實(shí)施過程中，發(fā)現(xiàn)部分教學(xué)內(nèi)容的選擇過于迎合STEAM教育理念，導(dǎo)致教學(xué)環(huán)節(jié)銜接上不夠自然，故教學(xué)理念與教學(xué)策略的結(jié)合要努力做到自然融通。

在新課程和新高考的實(shí)施過程中，培養(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜的情境中解決真實(shí)問題的能力始終是化學(xué)教師的主要任務(wù)之一，在教學(xué)過程中融入STEAM教育理念，選擇多學(xué)科融合的素材情境，有助于學(xué)生認(rèn)識真實(shí)問題的本質(zhì)，培養(yǎng)解決真實(shí)復(fù)雜問題的思維能力與探究能力。