利用科學史料 助力問題解決

王曉捷

摘要：隨著《普通高中化學課程標準（2017年版）》的頒布，當代教育重視的是培養學生的核心素養、關鍵能力和必備品格，提升問題解決能力。文章基于化學問題解決的教學模型，以“向空氣要面包”為例向大家呈現了如何以氮肥發展史為脈絡，利用實驗探究來完成氨和銨鹽的教學。

關鍵詞：問題解決;科學史;微型實驗;氮及其化合物

文章編號：1008-0546（2020）10-0084-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

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

化學學科核心素養能夠引領化學教學，彰顯育人價值，核心素養既關注學生關鍵能力的提升，也注重必備品格的培育。關鍵能力是一種在特定的情境中，調動多種資源，以滿足復雜需要的能力，是個體在解決現實復雜問題過程中表現出來的綜合品質[1]。

一、化學問題解決的教學模型

化學問題解決的教學由創設問題情境（提出問題）、提供相關信息、學生自主學習、彌補性教學和變式練習與反饋5個環節組成，具體的化學問題解決教學模型如圖l。

問題解決通常是由教師依據課標、教材、學生已有認知，將教學目標要求的知識以問題情境的形式提出。學生在面對問題情境時，會從已有認知結構中進行信息搜索，然而從頭腦中搜取到的信息往往不能滿足問題解決，所以需要教師向學生提供新信息來幫助問題解決。學生自主學習是在教師提供信息的基礎上通過獨立思考和合作學習來解決問題的過程。教師可以在彌補性教學中將未涉及到的內容介紹給學生，幫助構建完整的知識結構，培養學科核心素養。為了幫助學生強化新構建的認知結構，通常通過變式練習來進一步優化[2]。

二、基于問題解決的教學設計

1.教學內容分析

在新課程標準中“氮及其化合物”屬于必修課程“常見的無機物及其應用”和“化學與社會發展”主題下，此部分內容承載著幫助學生結合真實情境或實驗探究，了解氮及其化合物的主要性質，認識物質及其轉化在促進社會文明發展中的重要價值，幫助學生構建“價一類”二維的認知模型[3]。“向空氣要面包”一節在知識、能力、情感價值觀方面的具體分析如圖2。

2.學生情況分析

在該主題教學進行前，對實驗班的學生進行了調查問卷和訪談，診斷出實驗班學生存在以下障礙點：（1）學生可以構建出“價一類”二維模型，但是缺乏利用模型預測物質性質和物質轉化的能力;（2）對生物固氮有所了解，但缺乏對“人工固氮”的認知;（3）知道氮肥有助于糧食增產，但對氮肥發展史知之甚少，更無法分辨各類氮肥的優劣和使用注意事項。

3.教學目標的確立

通過對高中階段課程標準、教材的研究和學情的分析，制定了“向空氣要面包”的教學目標如下：（1）通過如何向空氣要面包的預測，培養學生初步應用“價一類”模型解決問題;通過如何獲取硝態氮肥的活動，再次培養學生應用模型解決實際問題的能力;（2）通過噴泉實驗、氨水熱分解、白煙實驗等，提升實驗探究（包括實驗設計、操作、現象觀察）能力和證據推理能力;（3）通過由空氣獲取“面包”過程的研究，感受化學物質及其變化的價值，增強化學可促進生產發展的意識，化學可幫助我們建設美麗家園。

4.教學流程

本節圍繞氨的性質，將教學過程分為4個教學環節（圖3）：首先通過如何向空氣要面包的提出，引出工業合成氨;然后圍繞合成氨工廠如何進軍氮肥業，引導學生從問題解決的視角探究氨的水溶性和堿性;在此基礎上引導學生利用“價一類”模型，解決如何制備更優化的硝態氮肥;最后通過實驗探究幫助學生解決銨態氮肥的施用注意事項。

三、基于問題解決的教學實施

1.教學環節l：向空氣要面包

【學習情境】播放“如何解決糧食短缺”視頻

視頻內容：19世紀末世界人口激增，造成糧食短缺，故需要氮肥來增加糧食產量，雖然智利硝石可做氮肥，但儲量有限，所以克魯克斯向全球科學家發起了“向空氣要面包”的號召。

【核心問題】如何響應克魯克斯的號召“向空氣要面包”呢？

【學生】通過討論，學生提出可通過氧化法或還原法來固氮。

【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公司團隊解決了合成氨量產問題，1913年第一座合成氨工廠投產使用，哈伯、博施兩人分獲1918年、1931年諾貝爾獎[4]。

設計意圖：通過“如何解決糧食短缺”視頻，介紹本節課的研究背景，引發學生思考如何“由空氣要面包”。由學生提出氧化、還原法固氮的設想，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，提升了學生的科學態度與社會責任核心素養，幫助學生構建氮的固定“價一類”二維模型。

2.教學環節2：合成氨工廠進軍氮肥業

【資料】隨著合成氨產業的發展，擁有該專利的BASF公司，急于拓寬市場，想要進軍氮肥業。

【問題】當地農民會購買氨氣直接做氮肥嗎？氨氣是否可溶于水，并伴有何變化？

【學生】通過同學間的討論交流，獲知氨的物理性質（狀態、密度、溶解性等），通過氨與水的實驗獲知此過程中的化學反應。

【微型實驗l】氨氣溶水的噴泉實驗

儀器：lOOmL圓底燒瓶（含NH3）、塑料瓶（帶小孔）、雙塞導管

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，換上雙塞導管，再將下面的膠塞插入塑料瓶中（實驗裝置如圖4）;3.用手指堵住塑料瓶上的小孔，擠壓塑料瓶，使少量水進入圓底燒瓶，然后松開手，觀察實驗現象。

【資料】建國初期《如何正確使用氨水化肥》的畫冊

畫冊內容：氨水化肥盛裝在密封的陶罐中，且存放在陰冷的環境下。

【任務】根據以上資料，預測氨水可能具有怎樣的性質？設計實驗進行驗證。

【實驗2】氨水的熱穩定性

操作：1.取少量實驗l中的紅色溶液于一支試管中;2.試管口掛上一條濕潤的紅色石蕊試紙，且試管口套上小氣球;3.加熱試管，觀察實驗現象。

【資料】氨水在一段時間內為我國的糧食增產作出了卓越貢獻，然而因它易揮發、運輸不便等原因，已逐漸淡出了消費市場。

【問題】氣態的氨氣無法做氮肥，液態的氨水也有弊端，那可如何轉化，制得更優化的氮肥呢？

【學生】氨有堿性，應該能與酸作用，產物為鹽，應該是固態的。

【微型實驗3】氨與鹽酸

儀器：小燒杯、保鮮膜、棉花團、膠頭滴管

操作：在兩個棉花團上分別擠上少量濃鹽酸、濃氨水，迅速蓋上保鮮膜。

設計意圖：沿著歷史上氮肥的發展脈絡，介紹了氨水氮肥、銨態氮肥的制備和優劣，在研究“向空氣要面包”的過程中不斷地通過讓學生設計實驗、進行驗證，來提升學生的科學探究和證據推理能力。

3.教學環節3：硝酸鹽類氮肥的制備

【資料】20世紀初，BASF公司通過銨鹽來搶占氮肥市場，然而，它們的氮肥銷量并不理想，因為當地民眾更喜歡使用以前智利硝石類的硝酸鹽類氮肥。

【核心問題】如何由氨氣獲取硝酸鹽類氮肥

【學生】通過“價一類”模型，NH3可被氧化為NO3，預測02可充當實現該轉化的氧化劑。

【視頻】氨氣的催化氧化實驗視頻

設計意圖：為解決氮肥發展中的瓶頸問題——如何制備硝酸鹽類氮肥，通過問題的設置，讓學生自覺地利用“價一類”二維模型去解決實際問題，通過對物質轉化的大膽預測，實驗驗證，證實了自己預測的準確性，使學生體會到了歷史上科學巨匠成功的喜悅。

4.教學環節4：銨鹽類氮肥的正確使用

【資料】農民不喜歡使用銨鹽類氮肥，因為在使用中常跑氨，與草木灰等堿性肥料共施肥效降低。

【問題】針對以上問題，預測銨鹽可能具有哪些性質？如何設計實驗進行驗證。銨態氮肥使用注意事項？

【實驗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.對試管底部的氯化銨加熱，在試管口掛一條濕潤的紅色石蕊試紙，觀察實驗現象。

【實驗5】氯化銨與氫氧化鈣的反應

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。

設計意圖：歷史上，氮肥公司為了降低生產成本，鼓勵農民群眾使用銨態氮肥，所以針對銨態氮肥施用過程中的問題進行了研究，而本環節就是讓學生體驗科學研究的過程，學生們根據銨態氮肥的施用弊端，預測銨鹽可能的性質，設計實驗進行驗證，培養學生的科學探究和證據推理核心素養。

四、教學反思

1.沿著歷史發展脈絡，研究真實問題

受“合成氨工業發展史”的啟發，本教學設計沿著合成氨工業發展的脈絡，選擇歷史上曾困擾人們的四個問題作為課堂教學的四個環節。20世紀初，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”的號召，進入環節l。隨著氨氣產量的增長，擁有該專利的公司渴望進軍氮肥業，據此進入環節2。銨鹽確可用來做氮肥，然而因其使用弊端，引導同學們進入環節3制備硝酸鹽。硝態氮肥確實深受農民歡迎，但是成本也隨即提高，故進入環節4銨態氮肥的正確使用。

2.活動層層遞進，發展核心素養

本案例包括4個學習環節，每個環節包括2-3個學習活動，活動的設計指向學生的能力進階，在活動中化學學科核心素養得以發展。學習環節1突出了物質的變化觀念和從氧化還原視角的證據推理;學習環節2強調了利用科學探究研究物質性質;學習環節3從物質的變化角度提出問題，強化了物質“轉化觀”;學習環節4從物質轉化、科學態度與社會責任兩個角度研究問題。

參考文獻

[1]葉建偉，洪茲田.基于“HPS”和“問題解決”教學思想培育學科核心素養的實踐研究——以高中化學“化學電源”教學為例[J].中小學教學研究，2019（6）：51-54

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[3]胡樂乾，尹春玲.分析化學教學中問題解決教學模式的構建[J].廣州化工，2019，47（ 20）：156-157

[4]劉化章.合成氨工業：過去、現在和未來[J].化工進展，2013，32（9）：1995-2005