鋪設化學史料，整合教學內容，落實核心素養
——以“氮的固定”為例

丁 文

（江蘇省震澤中學育英學校 江蘇 蘇州 215231）

一、問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017 年版）》中明確提出要開展以培養核心素養為本的教學，即從學知識過渡到發展學生的化學核心素養。［1］這就需要教師在教學設計時需要為教學內容設置合適的情境，并且整合教學內容，促進知識結構化。通過創設真實的教學情境使學生認識到化學對于人類社會發展、科技進步的意義，培養學生的社會責任感，充分發揮化學學科的育人功能，落實核心素養的同時實現立德樹人。

王祖浩指出［2］，落實學生的化學核心素養，需要設置真實的問題情境，圍繞核心知識，將問題設置在學生的最近發展區內，引導學生運用化學知識解決實際問題，并自主建構出新知識。學生研究的問題是化學與社會發展有關的真實問題，可以在激發學生興趣和提高內驅力的同時，發展學科能力，最終在真實情境的孕育，化學知識學習和學科能力發展下，實現核心素養的落實（見圖1）。

圖1 落實核心素養的教學設計流程

二、教材分析

1.教學內容分析

“氮的固定”位于蘇教版必修二專題7。主要教學內容為NO、NO2的基本性質，NO、NO2、HNO3等物質的轉化關系和氮的固定概念及實例。本節內容可以進一步完善學生非金屬元素性質的知識體系，同時也為本專題后續氨氣、銨鹽、硝酸等含氮化合物性質的學習奠定基礎。

2.新舊教材內容對比分析

筆者將蘇教版新舊化學教材中有關氮元素的教學內容及編排順序進行了整理歸納如表1。

表1 新舊教材對比

經過比較可以發現對于本節內容有兩處較大改動。其一是加入“氮的固定”這一概念，并將“雷雨發莊稼”和“工業合成氨”這兩個典型的固氮實例放在了同一節，用以強化固氮概念；其二是提高氨的催化氧化地位，舊教材這一反應在“問題解決”欄目中，新教材放在氨氣一節正文中。

3.結合已有課例進行思考

通過閱讀已有課例發現，較多教學設計沒能將氮氧化物和工業合成氨兩部分內容有效銜接［3］，大多銜接生硬或沒能在課堂中對工業合成氨進行教學［4］。個人認為在新課標指導下，教師進行本節教學設計時，應做到以下幾點。一是強調固氮的概念，充分體現本節的主題是“氮的固定”；二是將工業合成氨和氮氧化物這兩部分教學內容整合在一條情境主線中，設置真實問題，促進教學內容結構化；三是使學生認識到固氮對人類社會、科學技術的重要意義，使學生的情感態度得到升華，有效落實科學態度與社會責任的核心素養。

三、學情分析

在學習本節課之前，學生已經學習氧化還原反應、酸性氧化物、不成鹽氧化物等化學概念和氯、硫、溴等非金屬元素的化學事實性知識，可以從元素化合價升降和氧化物分類及性質的角度認識陌生非金屬元素及其化合物。同時學生具備一定閱讀材料，提取信息，自主思考及推理的信息加工能力和建構能力。

四、教學目標

1.使學生理解氮氣穩定性和氮氣微觀結構的相互辯證關系，強化學生結構決定性質、性質體現結構的學科觀念，落實宏觀辨識與微觀探析的核心素養。

2.通過探究NOx、HNO3、N2、NH3等物質的變化關系，幫助學生初步構建含氮物質的變化關系模型，加強變化觀念的核心素養。

3.引導學生發展基于實驗現象和所給材料進行分析、解釋和建構的能力，培養學生科學探究、證據推理與模型認知的核心素養。

4.通過教學展示含氮化合物的功與過，使學生認識到固氮是一把“雙刃劍”，使學生客觀、辯證地看待科學成果，培養科學態度與社會責任的核心素養。

五、課例分享

本節課采用圖2所示的教學流程開展教學實踐。［5］

圖2 教學流程

主要教學流程如下：

1.引入

［師］展示硝酸的廣泛用途，引導學生思考工業制備硝酸的原料。

［生］可以利用空氣中的大量氮氣。

［師］科學家們當年也是這么想的，但他們發現想要把氮氣轉化為含氮化合物非常困難，這是為什么？

［生］氮氣非常穩定。

［師］為什么穩定？可否從微觀結構角度解釋原因？可否聯系用途說明？

［生］氮氣分子的結構非常穩定：N≡N，共價鍵異常牢固。氮氣可以用作保護氣。

設計意圖：從硝酸用途出發，對工業制硝酸的原料展開設問，方便后續以工業制備硝酸的工藝變遷為情境主線展開教學。引導學生從用途和微觀結構兩個角度理解氮氣的穩定性，以便后續引出氮的固定概念。

2.電弧法制硝酸

［PPT］20 世紀初，人類開始嘗試通過高壓電弧使空氣中的氣體發生反應，生成氮氧化物（NOx）。

［資料卡］N2O：無色氣體，高溫易分解；NO：無色氣體，不溶于水；N2O3：無色氣體，易分解；NO2：紅棕色氣體；N2O5：固體，高于室溫便分解。

［師］演示實驗：在密閉容器中模擬放電實驗，觀察實驗現象。

［生］密閉容器內一開始無明顯現象，后來變為紅棕色，顏色逐漸加深。

［師］生成什么氮氧化物（NOx）?

［生］NO2。

［師］請寫出容器內發生反應的化學方程式。

［師］演示實驗：NO 與空氣接觸，并請學生描述現象。

［生］NO與空氣接觸后立刻變為紅棕色。

［師］請說明NO的化學性質并寫出上述實驗中的化學方程式。

［生］NO 有還原性，易被空氣中的氧氣氧化：2NO+O2====2NO2。

［師］請重新思考并寫出密閉容器內通電發生反應的化學方程式。

設計意圖：給出NOx的資料卡，引導學生根據實驗現象推理出裝置內的氣體，嘗試書寫化學方程式。通過演示實驗向學生展示NO 的還原性，引發學生認知沖突，引導學生積極建構NO 的性質并重新思考裝置內的化學反應。

［PPT］展示電弧法制硝酸的生產細節：常規操作是用空氣將NO氧化成NO2，NO2的水溶性比較好而且可以與水反應。工業上一般經過這個吸收過程得到稀硝酸溶液。

［師］演示實驗：取用一支吸取一定量NO 和水的注射器，吸取空氣后觀察到出現紅棕色并記錄注射器示數。充分振蕩，觀察現象并記錄注射器示數。

［生］紅棕色氣體消失，示數變小。

［師］說明NO2和H2O反應除了生成HNO3以外，還有其他物質生成，這個物質必然是什么狀態？請根據氧化還原反應及氣體水溶性推測合理產物。

［生］氣態物質；可能是H2、NO、N2。

［師］演示實驗：使用針筒繼續吸入空氣，觀察實驗現象。

［生］出現紅棕色氣體，氣態產物為NO。

［師］請寫出NO2和H2O反應的化學方程式。

［生］3NO2+H2O====2HNO3+NO。

設計意圖：通過電弧法制硝酸的實際生產操作引發學生思考，NO2不是酸性氧化物，但入水后生成了硝酸，后續根據實驗現象和氧化還原反應原理進行推理，引導學生構建NO2和H2O 的反應。通過引導學生觀察實驗現象、利用化學概念提出猜想、通過補充實驗驗證猜想，最終寫出化學方程式。鍛煉學生收集證據、運用模型和科學探究的能力，有效落實科學探究、證據推理與模型認知的核心素養。

［PPT］1898 年，兩位英國科學家利用交流電，每小時合成了65 g硝酸；1901年另兩位英國人改進工藝后，每小時合成了88 g硝酸。電弧法理論產量為每小時2 500 g，實際產量為每小時80 g，轉化率僅為3%。

［師］結合所給信息和工藝流程，談談電弧法的優點和缺點。

［生］優點：原料易得。缺點：極度費電，產率低等。

設計意圖：通過給學生展示電弧法制備硝酸的實際工業表現，讓學生感受到電弧法的局限性，方便引出其被淘汰的命運。同時使學生認識到化工生產需要充分考慮原料、產率、成本等多方面因素，化學工藝不是一成不變的，培養學生科學態度與社會責任的核心素養。

3.氨氧法制硝酸

［師］電弧法在20世紀初期工業投產；1925年，世界上通過電弧法固定的氮達到了34萬噸，產量達到歷史巔峰；但好景不長，電弧法于1932年被淘汰。電弧法有著巨大的劣勢，被時代所拋棄是必然的，那么是被什么方法淘汰的呢？

［PPT］1902 年，德國化學家奧斯特瓦爾德提出了利用催化劑使氨氣氧化從而制取硝酸的方法，不過當時該方法沒能得到廣泛關注。

［學生活動］組織學生討論當時沒能得到廣泛關注的原因。

［生］可能是沒有合適的催化劑；可能是沒有合適的氧化劑；可能是沒有氨氣。

［師］1839 年法國化學家庫爾曼就已經研制出了含鉑催化劑，在300 ℃下只需要用O2即可將NH3氧化為NOx。所以我們到底缺什么？

［生］當時缺乏氨氣。

設計意圖：承接電弧法優缺點討論的教學環節，順勢引出取代電弧法的氨氧化法。以方法變遷的時間節點和氨氧化法所需的化工原料為兩條線索，引導學生思考出沒得到廣泛關注的原因是“萬事俱備、只欠氨氣”。同時引出工業合成氨的相關知識，為1913年同時實現工業合成氨和氨氧化法工業制備硝酸做鋪墊。

［師］當時NH3的制備主要來自煤化工，產率較低，珍貴的氨氣需要去合成化肥，保障糧食的供給。

［PPT］德國化學家哈伯在合成氨這個課題上投入了巨大的心血。在1901年至1911年間，哈伯和他的同事們進行了兩萬多次實驗。1904 年，哈伯在1 000 ℃的條件下將N2和H2混合后通過鐵絲網，首次得到NH3，但因成本太高無法工業化；1907年，哈伯通過計算意識到合成氨不可能得到高轉化率，于是采用將反應氣體在高壓下循環加工，并在這個循環中不斷將生成的NH3分離出去；1909 年，哈伯在12 MPa，500 ℃的條件下獲得10%的轉化率。

［師］閱讀上述材料，總結工業合成氨的反應特點及條件，寫出化學方程式。

［師］工業合成氨為氨氧化法制硝酸提供了穩定的原料，在歷史上合成氨和氨氧化法制硝酸的工業生產線幾乎同時出現，有關氨氧化法制硝酸的時間線歸納如表2所示。這不是歷史的巧合，是科學技術發展和科研成果投產的邏輯關系所導致的。

表2 氨氧化法制硝酸時間線

設計意圖：讓學生自行閱讀哈伯的研究過程，提取信息，對工業合成氨的化學反應進行自主建構，并寫出化學方程式。通過列表的形式給出相關信息，促進學生了解工業合成氨和氨氧化法制硝酸兩種工藝的原料供給關系，充分認識到化學學科與人類社會發展息息相關。落實證據推理與模型認知、科學態度與社會責任的核心素養。

［師］提到工業制備，有許多工藝問題需要研究。例如：如何充分利用原料？NO2入水后生成NO，如何提高氮原子利用率？尾氣如何吸收？該工藝的實際生產表現如何？

［PPT］氨氧化法可以得到較高濃度的NOx，混合氣主要含有NO 和少量NO2。在后續過程中首先利用空氣將NO全部氧化為NO2，隨后再用水吸收。NO2溶解過程中會生成HNO3和NO，多余的NO 可以通過多次重復上述吸收過程盡可能減量。實在無法減量的NOx就只能通過NaOH吸收轉化。通過吸收過程我們可以得到質量分數為50%左右的硝酸溶液，通過簡單蒸餾能得到質量分數為67%的硝酸溶液。工業生產中能耗僅有電弧法的12.5%，由NH3氧化為NOx的效率和NOx吸收為HNO3的效率均可達到90%以上。

［生］①將生成的NO不斷重復氧化吸收過程提高原子利用率；②工廠用NaOH溶液吸收NOx尾氣；③該方法吸收效率高，能耗小，產品濃度高。

［師］向NOx中不斷通入O2和H2O可以充分轉化為HNO3，請寫出化學方程式（NOx可能為NO或NO2）。

［生］學生表現：部分學生可以從兩個基本方程式推導或是直接書寫并配平化學方程式。4NO+3O2+2H2O====4HNO3；4NO2+O2+2H2O====4HNO3。

［師］同學們可以發現無論是哪個方程，NOx和O2的比例都滿足了N2O5的通式。

［師］NaOH 溶液吸收NOx的方程如下，有什么特點？分別是什么反應？與NaOH 溶液吸收SO2和CO2相比有何區別？①2NO2+2NaOH==== NaNO3+NaNO2+H2O；②2NaOH+NO+NO2====2NaNO2+H2O。

［生］都是氧化還原反應，①為歧化反應，②為歸中反應。NaOH 溶液吸收酸性氧化物為非氧化還原反應。

設計意圖：通過設置真實情境下的實際問題，引導學生閱讀并加工實際工業生產操作中的相關材料。結合之前學習的化學知識，實現新知識的自主建構。通過本教學環節，既復習了氧化物分類和氧化還原反應等相關概念，又在舊知識的基礎上學習了NOx和O2混合入水、NOx吸收的新知識。

4.固氮的功與過

［師］無論是哪種制硝酸的方法，都是為了將游離態氮轉化為化合態氮，這樣的過程稱為“氮的固定”。人類工業制備硝酸的歷史，就是人工固氮的歷史。除了人工固氮，自然界還存在自然固氮的方法，如豆科植物根瘤、雷雨發莊稼等等。固氮給人類帶來了化肥，使得人們免受饑餓；人類固氮的求知探索精神，二萬多次實驗的科研態度是后輩的寶貴精神財富；但固氮也帶來了災難，1915 年德國開辦了30 多間以氨氧化法為原理的硝酸工廠，產品被投入戰爭。化學本無對錯，對與錯掌握在人類手中。

［學生活動］組織學生討論氮的固定對于人類社會發展的意義，要求寫出感想。

設計意圖：在學生學習完兩個典型的固氮實例后引出固氮的概念并分類，論證固氮給人類社會帶來的進步與苦難是并存的，科學家們的探索精神永世留存。組織學生對固氮的意義進行交流討論，落實科學態度與社會責任的核心素養。

六、學生成果

七、教學反思

1.鋪設化學史料，設置情境主線

本節課的教學內容通過“工業制備硝酸的工藝變遷”情境主線貫穿始終。采用工業產品制備的情境，可以切實讓學生感受到化學與生活緊密聯系，化學服務于生活，增強學生對化學促進社會發展的認同感。采用化學史料的情境，可以使學生在課堂教學中感受到化學學科發展離不開科學家的鉆研，科學家求真求實的精神是有效落實科學態度與社會責任核心素養的良好素材。硝酸制備工藝的情境中涉及氨氣的催化氧化也可以為后續學習氨氣的還原性奠定基礎。

2.立足化學課堂，落實核心素養

本節課通過宏觀性質和微觀結構兩方面構建氮氣的穩定性，培養學生宏觀辨識與微觀探析的核心素養。設置真實情境下的實際問題推進教學，以實驗現象和圖文材料為基礎，引導學生加工信息，自主建構物質性質及化學反應，有效落實證據推理與模型認知、科學探究的核心素養。學生學習兩套工業制備硝酸方法的同時，掌握N2、NH3、NO、NO2等物質的變化關系，培養學生變化觀念的核心素養。最后通過討論固氮的功與過，讓學生意識到應該合理使用科學技術和辯證看待科學成果，培養學生科學態度與社會責任的核心素養。在化學課堂中實現立德樹人。