融合STEAM教育理念的項目式教學初探*
——以“尿素的工業制備”為例

吳春亭 鄭 璇

（福建省龍巖第一中學 福建 龍巖 364000）

新課程背景下，培養學生發現問題并解決真實情境中問題的能力是化學教師日常教學中的重要任務之一。在真實的情境中，涉及的問題是綜合且復雜的，解決這類問題往往需要調用多種學科知識。因此，在高中化學教學中運用STEAM教育理念開展教學就較為適切。STEAM教育的理念可以概括為：以數學為基礎，通過工程和藝術解讀科學和技術。STEAM教育以基于項目的學習、基于問題的學習為主要教學（學習）方式，引導學生通過合作與實踐，完成主題項目任務和解決生活中的難題。［1］文章以“尿素的工業制備”的教學實踐為例，探討基于STEAM教育理念發展化學學科核心素養的項目式教學設計。

一、教學主題內容及教學現狀分析

“尿素的工業制備”是在魯科版化學教材的基礎上，結合新高考考查特點，以真實的工業流程為情境素材，以STEAM教育理念為指導，以糧食危機和糧食安全問題為切入點，在“氮元素及其化合物”的復習背景下，探討氮肥家族中應用較為廣泛的一種化學肥料（尿素）的工業生產流程。主要教學內容包括：結合化學史與相關數據進行工業合成尿素的原料選擇；以NH3和CO2為原料制備尿素的工業條件選擇；以NH3和CO2為原料制備尿素的實際工藝流程問題探究。

經檢索文獻發現，在已發表的文獻中，同知識點內容多以“氨氣的工業制備”“硝酸的工業制備”為情境素材，教學過程中多圍繞單一反應進行速率和限度的分析，而目前高考相關問題的考查往往是基于多平衡體系。而且在已有教學設計中，為了簡化課堂內容，便于學生接受，知識內容往往局限于本學科領域，對于相關數據和流程也進行了簡化處理，導致學生思考問題的思維方式較為單一，對于綜合性較強的情境問題不能快速準確地抽提出關鍵信息，不能從紛繁的數據中找出有用數據。

目前的教學中存在兩個具體問題需要關注：一是學生如何自主構建思維模型并將其遷移到陌生情境中進行應用，二是學生能否通過簡化后的數據和工業流程體會工程思維的縝密性和復雜性。

二、教學設計思想

STEAM教育理念強調在真實的問題情境中解決問題。化學學科不僅與經濟發展、社會文明有密切聯系，也是眾多學科的重要基礎。《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出了化學學科核心素養，倡導創設真實的問題情境，凸顯學科內容的綜合性，培養全面發展的高素質人才。從學科特點上來看，化學學科基礎性、綜合性和應用性較強的特點，與STEAM教育理念存在內在的一致性；從課程結構上來看，STEAM課程以整合為主，以工程為核心，［2］落實STEAM教育理念，往往以工程類問題為依托；從教學模式上來看，STEAM教學模式強調以真實情境為驅動，用項目式學習的方法展開小組活動是STEAM教育的顯著特點。［3］項目式教學以解決真實問題為基礎，將學習任務拆分成若干個學習項目，通過小組合作探究的模式完成學習項目。因此以真實的工業制備流程為情境素材，通過項目式教學的方式，融合STEAM教育理論，是在化學教學中落實化學學科核心素養的一個有效教學路徑。

選擇新穎的教學素材——尿素。尿素是一種廣為人知的有機氮肥，在生活中也有廣泛應用，制備尿素的原料是學生很熟悉的氨氣和二氧化碳，符合課程標準中基于學生已有經驗解決新情境下問題的要求。教學素材的選取注重保留實際生產過程中的工藝流程和數據參數，盡量還原真實的問題情境。教學環節結合了化學史的內容，旨在培養學生認識問題的新視角，有利于學生科學本質觀的形成。教學環節的設計以及教學實施過程注意培養學生在真實情境中解決問題的能力、證據推理與模型認知的能力，以及借助互聯網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思想等內容，培養學生的科學創新精神和社會責任。［4］本節課的創新之處在于充分挖掘了尿素的工業制備過程中需要考慮的一些實際問題，融入了科學、技術、工程、數學等內容，與STEAM教學理念高度契合。

三、教學目標

1.通過“尿素發現及合成”史實了解合成尿素的幾種方式，進行溯源論證，選擇合成尿素的原料；

2.通過相關資料結合具體的化學反應選擇工業合成尿素的反應條件，培養變化觀念與平衡思想；

3.通過工業合成尿素的條件選擇，將各個反應步驟組裝形成尿素工業生產的具體流程，培養工程思維；

4.通過對尿素工業合成的發展歷程和實際生產過程的分析，培養學生的科學精神與社會責任，強化“綠色化學”思想；

5.通過討論尿素工業合成的條件選擇和工藝流程，抽提工業合成的基本思維模型，培養“證據推理與模型認知”學科核心素養。

四、主要教學流程與設計意圖

為達成以上教學目標，設計了如表1所示的教學流程。

表1 主要教學流程與設計意圖

五、教學實錄

（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、糧食安全問題一直是我國以及全世界關注的熱點問題，為了解決糧食問題，種子的培育和化肥工業的發展就顯得尤為重要。

【教師】通過之前的資料查詢，我國農業上常用的氮肥有哪些？

【學生】氨水、硝酸銨、碳酸氫銨、尿素……

【教師】今天我們主要了解有機氮肥中使用較廣泛的肥料——尿素的工業生產流程。

（2）教師設問，學生進行猜想與假設

【教師】如何選擇合成尿素的原料呢？

【學生】提出猜想與假設。

【教師】我們根據元素轉化的思想提出了上面的幾個假設，那如何確定我們的假設是否具有可行性呢？

【學生】做實驗、查閱資料……

【教師】那請大家以小組為單位，派一名同學匯報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。

【學生】匯報、回答問題。

（3）回顧化學史，進行溯源論證

教師展示如圖1所示的尿素合成的發展史。

圖1 尿素的發現與合成發展史

【教師】維勒的方法可不可以應用到實際的工業生產中去？

【學生】可以，因為操作方法較簡便。

給出資料卡1：氰酸是一種有揮發性和腐蝕性的液體，高毒。

【學生】好像又不行，此方法的安全系數不高。

【教師】巴扎洛夫的方法可不可以應用到實際的工業生產中去？

【學生】要考慮氨基甲酸銨的成本和性質。

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

【學生】可以利用氨氣和二氧化碳生成氨基甲酸銨。

（二）從NH3和CO2出發制備尿素

（1）給出信息，計算焓變

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

【教師】根據上述反應，計算總反應的焓變。

【學生】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合成尿素的原料是NH3和CO2，這兩種原料的來源是什么？

【學生】NH3的來源是工業合成氨，CO2來自于空氣或者煅燒貝殼。

【教師】空氣中的CO2含量是多少？

【學生】很少，那這個方法可能不太行。

給出資料卡3：

1.工業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：

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

【教師】為了使原料充分接觸，加快反應速率，要如何進行預處理？

【學生】CO2要凈化，提高反應效率、提高生產安全系數；液氨要進行霧化。

進料順序：氣液逆流。

（3）根據核心反應選擇合成條件

活動1：根據核心反應I，分析在甲銨合成塔中要控制的反應條件。

【教師】如何選擇甲銨合成塔中的操作條件？

給出資料卡4：從動力學上看，生成甲銨的反應屬于快反應，幾乎在瞬間即可達到化學平衡。在反應條件下，當NH3過量時，二氧化碳以極快的速度幾乎全部轉化為甲銨。

【學生】從速率角度看：反應速率已滿足要求；從平衡角度看：及時轉移反應熱、增大壓強。

給出資料卡5：甲銨只有在液態的時候反應速度才比較明顯。

【教師】為了提高甲銨的利用率，要如何操作？

【學生】讓甲銨保持液態，及時冷凝、加壓。

活動2：根據核心反應II，分析在甲銨合成塔中要控制的反應條件。

【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Ⅱ為速度較慢的弱吸熱可逆反應，只有在液態時反應速度才較為明顯，其平衡轉化率為55%～80%。

【學生】速率：升高溫度、增大壓強、加入催化劑；平衡：升高溫度、壓強無明顯影響。

【教師】依據圖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 尿素產率與催化劑活性、溫度關系圖

【學生】不是的，要權衡產率與催化劑活性的問題。

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

【教師】總反應：

如何控制氨氣和二氧化碳的比例？請先根據反應的特點進行分析再結合具體資料進行輔助驗證。

【學生】按照方程式可以控制在2∶1。

給出資料卡7：①理論和實踐表明，氨碳比每提高0.2，轉化率提高約1%～1.5%；

②過量氨的回收必須與氨冷凝系統處理能力相匹配；

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

【教師】一般在實際的操作過程中，氨碳比控制在5.63左右。

【教師】在反應過程中有沒有可循環利用的物質？

【學生】甲銨、氨、部分水和二氧化碳。

（三）認識NH3和CO2制備尿素的工藝流程

（1）學生討論和總結以NH3和CO2制備尿素的工業流程框架圖

【教師】結合前面的原料選擇、反應條件選擇和流程分析，請大家分組討論，總結一下合成尿素的工藝流程并畫出尿素工業制備的流程圖。

【學生】小組討論，總結前面的制備流程與過程，展示組內討論成果。

（2）教師給出實際的工業流程圖，進行分析講解

【教師】圖3是實際的工業流程圖，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行對比，分析有何不同。

圖3 CO2循環法制備尿素的工業流程圖

【教師】在上述流程中，哪些環節體現了原料的充分利用？

【學生】解吸池、高壓洗滌、高壓噴射器……

【教師】除了物質的循環利用，上述流程中還有什么方面的循環利用？

【學生】能量也可以循環利用。

【教師】在哪個環節體現？

【學生】蒸發加熱和蒸發冷凝的熱量可以循環。

（四）總結與提煉

根據學生的回答總結工業生產的一般研究思路，如圖4所示。

圖4 工業生產問題思維模型圖

六、教學效果與反思

本節課以“尿素的工業合成”為載體，重點設置了三個教學環節，在教學環節中給學生布置了相應的學習任務，重點討論合成尿素的原料選擇和合成尿素的工藝流程，在前兩個任務“選擇制備尿素的原料”和“從NH3和CO2出發制備尿素”完成后，第三個任務的提出和解決就較為流暢和自然。課堂氛圍較為熱烈，學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系起自己之前的經驗，從速率和平衡兩個角度進行整體分析，并能較好地處理多重平衡體系的競爭關系。同時在后續的方案評價過程中也能從效率、工藝、成本、環境幾個方面進行合理評價，課堂教學效果良好。

整節課設計中有以下幾點反思

1.情境的選擇和引入要適切

在第一個環節中，重點突出了科學史在化學學習中的重要應用，通過展示科學家的研究過程，給學生以啟發。通過展示歷史上科學家的發現和研究事實，體會科學研究的艱辛與樂趣。但在合成原料選擇過程中，學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，但學生沒有考慮到氰酸的毒性問題和生產原料的成本問題。主要原因是學生前期在進行資料收集時，對于資料的收集過于寬泛和籠統。教師可以在課前給出幾個明確的探究問題來指引學生的資料檢索方向。

2.問題的設置要符合學生的認知特點和認知水平

教學素材的選取方面，加入了部分數學計算內容，并且提供了很多資料卡片來輔助學生思考和理解。同時也造成了課堂容量較大的問題，留給學生的思考時間較少。學生不能在短時間內認識到問題的本質，甚至陷入迷思狀態。因此，在教學設計過程中要結合學生的認知特點與認知水平，設計符合課堂容量的問題，對于一些有難度的問題，可以拆分成幾個子問題，通過問題梯度化的設計來解構重點和難點問題。

3.教學理念與教學策略的結合要有機且自然

本節課是以STEAM教育理念為主要理論依據而進行創設的，因此，在教學素材和教學情境的選擇上努力彰顯了STEAM教育理念。但在實施過程中，發現部分教學內容的選擇過于迎合STEAM教育理念，導致教學環節銜接上不夠自然，故教學理念與教學策略的結合要努力做到自然融通。

在新課程和新高考的實施過程中，培養學生在復雜的情境中解決真實問題的能力始終是化學教師的主要任務之一，在教學過程中融入STEAM教育理念，選擇多學科融合的素材情境，有助于學生認識真實問題的本質，培養解決真實復雜問題的思維能力與探究能力。