基于劣構(gòu)問題的高中項(xiàng)目式學(xué)習(xí)
——氮的固定

劉 磊，張 欣

（江蘇師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221000）

0 引言

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》要求學(xué)生能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值的化學(xué)問題，能依據(jù)探究目的設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案并能運(yùn)用已有知識(shí)和方法綜合分析解決探究過程[1]。喬納森將問題類型分為良構(gòu)問題和劣構(gòu)問題。良構(gòu)問題呈現(xiàn)問題所有組成部分，有最佳的、特定的求解過程，并有正確的、統(tǒng)一的答案；而劣構(gòu)問題（非良構(gòu)問題）界定不明確，沒有一般性的規(guī)則和原理，含有多種解決方法或不存在解決方法[2]。劣構(gòu)問題需要依托真實(shí)的情境，考慮其影響因素及解決過程中出現(xiàn)的限制因素，需要多角度、多維度、多層次地綜合考慮。高中化學(xué)中存在很多劣構(gòu)問題，因此在化學(xué)課堂中針對劣構(gòu)問題，利用其情境性、靈活性、開放性等特點(diǎn)，幫助學(xué)生發(fā)散思維，培養(yǎng)其遷移能力和創(chuàng)新能力，同時(shí)提升教學(xué)效果，保證化學(xué)課堂教學(xué)的高效性，進(jìn)而落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 項(xiàng)目式主題內(nèi)容分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出：能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值的化學(xué)問題，能和同學(xué)交流實(shí)驗(yàn)探究成果，提出進(jìn)一步探究或改進(jìn)的設(shè)想。但目前高中化學(xué)教學(xué)情境中忽視核心問題的創(chuàng)設(shè)，課堂中學(xué)生缺乏深度思維的參與，教學(xué)缺少認(rèn)知模型的培養(yǎng)，為此需重新審視教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生解決問題能力的能力[3]。劣構(gòu)問題借助真實(shí)情境開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，其靈活多變，能驅(qū)動(dòng)學(xué)生從化學(xué)視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)，構(gòu)建元素化學(xué)的認(rèn)知模型，從而發(fā)展核心素養(yǎng)。

氮的固定是（蘇教版）必修二非金屬元素氮及其化合物的開篇知識(shí)（大部分非金屬及其化合物被安排在必修一中），該課時(shí)將自然現(xiàn)象、化學(xué)變化、人類生存需要與可持續(xù)發(fā)展有機(jī)融合，主要目的是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)是真實(shí)有價(jià)值的。

學(xué)生在初中學(xué)習(xí)化學(xué)時(shí)已對氮肥、氨氣、銨鹽有一定的認(rèn)識(shí)，在必修一中也積累了關(guān)于硫、氯等化學(xué)元素的知識(shí)，基本能運(yùn)用物質(zhì)分類法、從氧化還原角度對元素化學(xué)進(jìn)行分析；另外，學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵也有一定的知識(shí)儲(chǔ)備。這為本課時(shí)的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。但是學(xué)生對于性質(zhì)探究和知識(shí)建構(gòu)仍有不足。本節(jié)課的設(shè)計(jì)圍繞核心的劣構(gòu)問題“氮的固定有哪些”展開，小組合作探究自然固氮和人工固氮，根據(jù)氮?dú)獾奈⒂^結(jié)構(gòu)推測其可能具有的化學(xué)性質(zhì)和可能發(fā)生的反應(yīng)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究雷雨發(fā)莊稼的原理，掌握一氧化氮和二氧化氮的性質(zhì)；根據(jù)工業(yè)流程認(rèn)識(shí)人工固氮的反應(yīng)原理，認(rèn)識(shí)人工固氮的方法和意義。最后采取多種作業(yè)形式，如實(shí)驗(yàn)操作、文獻(xiàn)閱讀、調(diào)查走訪和報(bào)告撰寫等[4]展示，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、評”一體化。劣構(gòu)問題及其拆解問題見表1。

表1 劣構(gòu)問題及其拆解問題

2 項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

1）通過觀察提出具有價(jià)值的劣構(gòu)問題，討論探究認(rèn)識(shí)固氮的化學(xué)原理和價(jià)值，根據(jù)氮?dú)獾奈⒂^結(jié)構(gòu)預(yù)測其可能具有的性質(zhì)和發(fā)生的變化，辨識(shí)氮?dú)庠谝欢l件下的形態(tài)及變化的宏觀現(xiàn)象，體會(huì)化學(xué)科學(xué)在人類社會(huì)發(fā)展中的重要作用。

2）通過模擬實(shí)驗(yàn)，探究雷雨發(fā)莊稼的原理和了解酸雨對環(huán)境的影響，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推理與計(jì)算，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和評價(jià)能力，提升實(shí)驗(yàn)探究能力、復(fù)雜推理能力[5]。

3）通過學(xué)習(xí)反應(yīng)機(jī)理，深度理解人工固氮的工業(yè)流程，鞏固熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫與計(jì)算。學(xué)習(xí)工業(yè)制氮的流程圖，提升從圖表中獲取信息的能力，培養(yǎng)持續(xù)發(fā)展理念。

4）通過小組討論，展示交流小組成果，深入學(xué)習(xí)元素化學(xué)的認(rèn)知方式，構(gòu)建價(jià)類二維圖的認(rèn)知模型，培育元素觀、變化觀和守恒觀；培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、交流表達(dá)能力，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、評”一體化，發(fā)展素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)。

3 項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

項(xiàng)目實(shí)施班級共72人，分成6組，項(xiàng)目引導(dǎo)安排在學(xué)生的3 d月假中，實(shí)施課堂教學(xué)時(shí)間在3月初，具體項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程見表2。

表2 項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

4 項(xiàng)目實(shí)施過程

項(xiàng)目引導(dǎo)：該階段，師生共同討論研究主題（植物為什么會(huì)變黃？如何補(bǔ)充氮元素？）；確定核心的劣構(gòu)問題（氮的固定有哪些？），確定項(xiàng)目任務(wù)以及各組的任務(wù)。本節(jié)課的項(xiàng)目成果以多種形式展示，可以是思維小報(bào)、畫報(bào)等多種新穎的呈現(xiàn)方式。

4.1 探秘生物固氮

【教師】放假前，我們已把各組的任務(wù)布置下去?，F(xiàn)在有請負(fù)責(zé)生物固氮組的化學(xué)小助教向大家展示你們組的探究成果。

【小助教1】我們組主要負(fù)責(zé)生物固氮。氮的固定主要有自然固氮和人工固氮。自然固氮又細(xì)分為生物固氮和高能固氮，其中生物固氮在自然固氮中占90%，主要通過自然界中的微生物將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為含氮化合物。這是我們組找出來的根瘤菌（圖1），結(jié)合豆科植物的生長視頻，我為大家講解豆科植物的固氮過程……

圖1 根瘤菌

【教師】咱們這組精心準(zhǔn)備，利用根瘤菌及豆科植物的固氮視頻為大家講解了生物固氮的過程。

4.2 探究高能固氮

【教師】接下來，負(fù)責(zé)高能固氮組的化學(xué)小助教展示他們組的項(xiàng)目成果。

【小助教2】我們組負(fù)責(zé)的高能固氮也屬于自然固氮，其中高能固氮占自然固氮的10%。在查找相關(guān)資料時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)高能固氮主要體現(xiàn)在“雷雨發(fā)莊稼”上（視頻播放）。尤其是在新疆與青海的交界處有個(gè)山谷，俗稱“魔鬼谷”，在這里人畜難以生存，然而谷內(nèi)四季常青、草木茂盛。其主要原因是谷中的N2和O2在放電作用下生成NO，NO不穩(wěn)定，與空氣中的O2反應(yīng)生成NO2，NO2和H2O反應(yīng)生成HNO3，HNO3進(jìn)入土壤后生成的硝酸鹽被谷內(nèi)的草木吸收。

【教師追問】為什么氮?dú)夂脱鯕夥磻?yīng)需要在放電條件下？結(jié)合氮?dú)獾慕Y(jié)構(gòu)及表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋。

表3 部分鍵能

【學(xué)生】氮?dú)庵g含有3個(gè)共價(jià)鍵，鍵能大，氮?dú)夥肿雍芊€(wěn)定。斷開1 mol氮?dú)庵械墓矁r(jià)鍵需要941.7 kJ，放電可以提供巨大的能量，因此，氮?dú)馀c氧氣在雷電的作用下才能反應(yīng)。NO鍵能較小，不穩(wěn)定，容易與空氣中氧氣反應(yīng)。

【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證】在教師的指導(dǎo)下，高能固氮組借助模擬實(shí)驗(yàn)室（《化學(xué)家》軟件）模擬NO與O2、H2O的反應(yīng)，以及NO2與O2、H2O反應(yīng)。

【教師拓展】氮氧化合物（NOx）是大氣污染物，是形成酸雨的原因。NO2、NO能否一步與O2反應(yīng)轉(zhuǎn)化成硝酸？請同學(xué)們依據(jù)NO2、NO的價(jià)態(tài)性質(zhì)進(jìn)行推測。

【學(xué)生】基于氧化還原中的價(jià)態(tài)變化書寫NO2、NO一步生成硝酸的反應(yīng)方程式。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】根據(jù)雷雨發(fā)莊稼的模擬實(shí)驗(yàn)，得到氮氧化合物相關(guān)性質(zhì)的表（表4）。

表4 氮氧化合物相關(guān)性質(zhì)

4.3 探究工業(yè)（人工）固氮

【教師】接下來負(fù)責(zé)工業(yè)固氮組的化學(xué)小助教為大家講解人工固氮。

【小助教3】我們組主要負(fù)責(zé)人工固氮，人工固氮的另一個(gè)名稱是工業(yè)固氮。20世紀(jì)初，德國化學(xué)家哈伯在實(shí)驗(yàn)室中首次用氮?dú)夂蜌錃夂铣闪税保瑥拇巳祟愡M(jìn)入了化肥農(nóng)業(yè)時(shí)代，大大提高了糧食產(chǎn)量。

【資料卡片】我們組找尋有關(guān)現(xiàn)代工業(yè)固氮的信息，依據(jù)鍵能大小得出該反應(yīng)在高溫高壓、催化劑（500 ℃、20～50 MPa和鐵觸媒）的條件下，3個(gè)H—H鍵和1個(gè)N≡N鍵斷開共吸收508 kJ，6個(gè)N—H形成2個(gè)NH3共放出600 kJ（圖2），屬于一個(gè)放熱反應(yīng)。

圖2 工業(yè)固氮反應(yīng)機(jī)理

【教師追問】工業(yè)固氮中為什么要在高溫下將原料氣送入裝置？從可持續(xù)發(fā)展角度來看，反應(yīng)放出的大量的熱可以繼續(xù)用來干什么？未轉(zhuǎn)化的氨氣如何處理？

【學(xué)生】N2和H2的反應(yīng)條件是在高溫高壓、催化劑作用下，所以在高溫下送入原料氣是用來預(yù)熱；該反應(yīng)是個(gè)放熱反應(yīng)，發(fā)出的熱可以通過再循環(huán)用于上一步的預(yù)熱；該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)混合氣體中氨氣約占20%，分離出氨氣后，將未反應(yīng)的氮?dú)?、氫氣送回合成塔循環(huán)使用，以增加原料利用率。

4.4 總結(jié)與項(xiàng)目成果展示

【師生】價(jià)類二維圖是認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)高中化學(xué)元素化合物知識(shí)的重要方式[6]。本節(jié)課基于劣構(gòu)問題開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，從“宏觀-微觀，定性-定量，動(dòng)態(tài)多要素系統(tǒng)”[7]的角度認(rèn)識(shí)無機(jī)物，從物質(zhì)類別和價(jià)態(tài)變化角度分析“氮的固定”中含氮化合物之間的關(guān)系，形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)體現(xiàn)用途的學(xué)科觀念。

【學(xué)生】小組展示“氮的固定”中的含氮化合物，對常見的含氮化合物的價(jià)態(tài)及價(jià)態(tài)變化等進(jìn)行交流總結(jié)。表5為部分小組的成果展示。

表5 成果展示

5 項(xiàng)目教學(xué)反思

5.1 多途徑搜集劣構(gòu)問題

劣構(gòu)問題的設(shè)計(jì)不是簡簡單單、憑空產(chǎn)生的。有價(jià)值的劣構(gòu)問題設(shè)計(jì)才會(huì)引起學(xué)生思考，發(fā)散學(xué)生思維，讓學(xué)生感受完整的科學(xué)探究過程。不合理的劣構(gòu)問題的效果會(huì)適得其反，造成學(xué)生思維混亂，失去探究的興趣。為此，劣構(gòu)問題設(shè)計(jì)時(shí)首先要基于化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對于某一知識(shí)的要求，從課程標(biāo)準(zhǔn)中提取出需要培養(yǎng)的知識(shí)、技能與價(jià)值觀；其次，教師需閱讀文獻(xiàn)及觀摩優(yōu)質(zhì)課例找尋契合的劣構(gòu)問題；最后，教師對所得的信息并結(jié)合學(xué)生原有水平進(jìn)行多元解讀，形成合理的劣構(gòu)問題，在實(shí)施過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)安排，合理進(jìn)行教學(xué)干預(yù)。

5.2 落在“最近發(fā)展區(qū)”的劣構(gòu)問題

劣構(gòu)問題因不確定性、開放性、結(jié)構(gòu)不完整使得問題本身帶有一定的難度，學(xué)生不得不花費(fèi)大量的時(shí)間來進(jìn)行充分思考、收集證據(jù)、提出猜想并證實(shí)或證偽。因此，在設(shè)計(jì)劣構(gòu)問題時(shí)數(shù)量不宜過多，一到兩個(gè)即可。此外，劣構(gòu)問題的內(nèi)容應(yīng)落在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)，學(xué)生能調(diào)用以往的事實(shí)性知識(shí)、概念性知識(shí)、程序性知識(shí)和元認(rèn)知進(jìn)行分析，同時(shí)也能為后續(xù)學(xué)習(xí)做鋪墊。

5.3 借助實(shí)驗(yàn)，在認(rèn)知沖突中預(yù)設(shè)劣構(gòu)問題

教師要善于利用學(xué)生的認(rèn)知障礙挖掘劣構(gòu)因子，將其融入適當(dāng)?shù)那榫持?，?chuàng)設(shè)劣構(gòu)問題[8]。實(shí)驗(yàn)是易發(fā)生認(rèn)知沖突的過程。事前實(shí)驗(yàn)儀器的選擇，試劑的選擇，方案的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度、濃度、溶液酸堿度的影響，實(shí)驗(yàn)后對于溶液的處理，即實(shí)驗(yàn)的內(nèi)部因素與外界因素常會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)象與預(yù)期不符合，從而形成強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突。因此，教師需要充分挖掘?qū)嶒?yàn)中存在的劣構(gòu)因子，并預(yù)設(shè)在實(shí)驗(yàn)過程中，借助劣構(gòu)因子引起的實(shí)驗(yàn)誤差促進(jìn)學(xué)生思考，深化學(xué)生對所學(xué)知識(shí)的理解。

5.4 劣構(gòu)問題實(shí)施過程中的及時(shí)評價(jià)與反饋

由于學(xué)生生活經(jīng)歷的不同，知識(shí)掌握程度的不同，看問題的視角的不同，必然會(huì)出現(xiàn)多種方案，教師在實(shí)施劣構(gòu)問題過程中注意及時(shí)評價(jià)學(xué)生的思維方法是否合適、方案是否合理、操作是否規(guī)范。將紙筆測試、過程性評價(jià)與總結(jié)性評價(jià)結(jié)合并貫徹到整個(gè)劣構(gòu)問題的解決過程中，加強(qiáng)對學(xué)生的指導(dǎo)、引領(lǐng)與點(diǎn)撥。但教師不應(yīng)代替學(xué)生思考，學(xué)生對問題主動(dòng)理解吸收，才能最終達(dá)到提高思維高度、形成高階思維的目標(biāo)。