吳曉紅　田小蘭

中學(xué)化學(xué)教學(xué)中滲透STEM理念的教學(xué)設(shè)計*——以“人工固氮技術(shù)——合成氨”為例

吳曉紅**田小蘭

（寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院寧夏銀川750021）

STEM是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)四門課程的簡稱，是美國興起的教育思想之一，強調(diào)多學(xué)科的交叉融合，旨在培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)等方面的綜合素養(yǎng)。文章以“人工固氮技術(shù)—合成氨”為例，從合成氨的反應(yīng)原理，合成氨的最佳反應(yīng)條件，合成氨的基本生產(chǎn)過程以及合成氨的工業(yè)發(fā)展四個方面，將STEM理念滲透到教學(xué)設(shè)計中，促使學(xué)生綜合運用多種學(xué)科知識，以期更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實踐能力及綜合素養(yǎng)。

STEM理念；中學(xué)化學(xué)教學(xué)；合成氨；教學(xué)設(shè)計

STEM教育是當(dāng)前國際上頗具影響的教育思想之一。STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱，強調(diào)多學(xué)科的交叉融合，將四門學(xué)科內(nèi)容組合形成有機整體，削弱了這四門學(xué)科中傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)障礙，促使學(xué)生綜合運用多種學(xué)科知識，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力［1］。將STEM理念融入中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，使學(xué)生不僅獲得與科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等相關(guān)的知識；還能與真實世界建立聯(lián)系，將科學(xué)教育和當(dāng)前的社會生產(chǎn)生活等緊密結(jié)合，充分理解科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)之間的交互關(guān)系，為提高學(xué)生綜合素養(yǎng)及全面發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。［2］

一、教學(xué)目標分析

“人工固氮技術(shù)——合成氨”選自人教版高中化學(xué)選修2《化學(xué)與技術(shù)》第一單元中的內(nèi)容，該課題涉及了“合成氨的反應(yīng)原理”“合成氨的基本生產(chǎn)過程”“合成氨工業(yè)的發(fā)展”三部分內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，本節(jié)教學(xué)設(shè)計又增加了“探索合成氨的最佳條件”。合成氨工業(yè)是重要的化學(xué)工業(yè)之一，對生產(chǎn)和生活有著重要意義，同時氮氣、氫氣合成氨的反應(yīng)也是在必修教材中學(xué)習(xí)到的一個重要的、典型的平衡體系。在本課學(xué)習(xí)中，學(xué)生既可以聯(lián)系原有知識和生活實際來學(xué)習(xí)合成氨的工業(yè)制取，又可以從STEM的角度進一步探討工業(yè)合成氨生產(chǎn)中涉及的STEM要素。因此本課題是一節(jié)將學(xué)科知識和生產(chǎn)實際相結(jié)合的重要內(nèi)容，是充分滲透STEM理念的一節(jié)內(nèi)容。圍繞“人工固氮技術(shù)——合成氨”的內(nèi)容，從STEM四個維度出發(fā)，制訂教學(xué)目標如下：

表1　“人工固氮技術(shù)——合成氨”教學(xué)目標

二、教學(xué)設(shè)計思路

本節(jié)教學(xué)設(shè)計以“任務(wù)為主線，教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)方式呈現(xiàn)，教師在某一種教學(xué)情境下提出問題，將STEM學(xué)科知識整合到某一化學(xué)核心任務(wù)中，學(xué)生以小組合作的方式運用STEM四方面的知識思考、討論與交流，從而解決化學(xué)問題，并最終獲得相應(yīng)的科學(xué)知識。學(xué)生在解決問題的過程中，教師發(fā)揮指導(dǎo)、檢查、監(jiān)督、和評價作用。［3］

在本節(jié)教學(xué)中，教師以氮氣和氫氣在一定條件下合成氨的反應(yīng)為指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用化學(xué)平衡理論與化學(xué)反應(yīng)速率理論嘗試考慮化工生產(chǎn)合成氨的適宜條件，同時從材料、設(shè)備、成本、環(huán)境等方面考慮實際生產(chǎn)中的最佳條件；從制備合成氨的原料氣、原料氣的凈化、氨的合成與分離等過程中熟悉工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的操作與技術(shù)；從合成氨的工業(yè)發(fā)展中了解最新的工業(yè)改進技術(shù)，提高環(huán)境保護的意識。在此過程中，將STEM理念滲透到整個課堂教學(xué)中，充分調(diào)動學(xué)生積極性，使學(xué)生意識到化學(xué)總是與科學(xué)、技術(shù)、工程及數(shù)學(xué)緊密聯(lián)系的。具體的教學(xué)設(shè)計思路如圖1所示：

圖1　教學(xué)設(shè)計思路

三、教學(xué)過程

任務(wù)一：合成氨的反應(yīng)原理

［投影］PPT展示氮在自然界的循環(huán)圖。

［教師］從氮在自然界的循環(huán)圖可以看出，含氮化合物對人類生活有著十分重要的意義。含氮化合物除了用于制造染料、油漆、炸藥、人造纖維等，最主要的一大用途就是用于農(nóng)業(yè)化肥的生產(chǎn)。氮是植物生長不可缺少的元素之一，農(nóng)作物每年從土壤中攝取大量含氮化合物，為了補償土壤中減少的氮，必須施加氮肥。而農(nóng)業(yè)上使用的氮肥如尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨以及各種含氮混合肥料和復(fù)合肥料，都是以氨為原料制成的。

［提問］請結(jié)合《化學(xué)1》“氮及其化合物”知識想想合成氨的原理是什么？哪個小組的同學(xué)愿意上黑板寫一下合成氨的化學(xué)方程式？

［學(xué)生］回憶并思考，寫出化學(xué)方程式：

［投影］合成氨反應(yīng)是一個可逆反應(yīng)：3H2（g）+N2（g）?2NH3（g）。已知298K時，ΔH＝-92.2kJ/mol，ΔS＝-198.2J/K·mol，請根據(jù)自發(fā)反應(yīng)進行的判斷依據(jù)考慮，298K時合成氨反應(yīng)能否自發(fā)進行？

［學(xué)生］計算得出ΔH-TΔS＜0，因此298K時該反應(yīng)可以自發(fā)進行。

設(shè)計意圖：以氮在自然界的循環(huán)圖引入，一方面使學(xué)生認識到氮及其化合物對人類生產(chǎn)生活的重要意義，一方面使學(xué)生認識到農(nóng)業(yè)、工業(yè)上所用含氮化合物大部分是以氨為原料制成的，突出合成氨工業(yè)的重要地位，自然而然引出本節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生通過回顧《化學(xué)1》涉及的氮及其化合物的相關(guān)知識，對合成氨工業(yè)的基本原理能夠熟練掌握，并學(xué)會利用數(shù)學(xué)思維對可逆反應(yīng)是否自發(fā)進行判斷，從而突出化學(xué)作為自然科學(xué)中的一員，其基本知識及原理對解決工程問題的重要指導(dǎo)作用。

任務(wù)二：探索合成氨的最佳條件

［講解］分析得很不錯，看來同學(xué)們學(xué)以致用的能力很強。接下來請同學(xué)們以小組為單位，結(jié)合這個表格中的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)影響反應(yīng)速率的因素和勒夏特列原理分析討論合成氨工業(yè)適宜的反應(yīng)條件，每個小組派一名學(xué)生給出你們小組的討論結(jié)果。

［投影］合成氨平衡混合氣中氨的體積分數(shù)（原料氣中氮氫體積比為1∶3）隨溫度（T）、壓強（p）的變化情況。

表2　氨的體積分數(shù)

［小組學(xué)生］積極投入到小組討論中。根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)可以看出，反應(yīng)達到平衡時平衡混合氣中氨的含量隨著溫度的升高而降低，隨著壓強的增大而升高。這是一個放熱、氣體分子總數(shù)減小的反應(yīng)，因此增大壓強，降低溫度將有利于氨的合成。

［投影］根據(jù)這個小組回答選擇合成氨的條件時，是不是壓強越高、溫度越低越好？在實際生產(chǎn)中怎樣選擇合成氨的最佳條件？

［學(xué)生］不是。壓強太高，對設(shè)備要求越高，會增加建設(shè)投資和生產(chǎn)成本，溫度過低，反應(yīng)速率太低，耗時間，不利于生產(chǎn)。

［教師］不錯，這個小組同學(xué)分析得很到位。在實際生產(chǎn)過程中，壓強越大，對設(shè)備的材料質(zhì)量和制造水平的要求越高，能量消耗也增加，從而增加建設(shè)投資和生產(chǎn)成本；如果采用較低溫度，雖然有利于增大平衡混合氣中氨的含量，但溫度過低，反應(yīng)速率太低，需要很長時間才能使反應(yīng)達到平衡狀態(tài)。因此需要根據(jù)實際情況選擇適宜的壓強跟溫度。此外為提高反應(yīng)速率還需要加入催化劑，而催化劑需要在一定的溫度范圍內(nèi)才能表現(xiàn)出良好的催化活性，目前，合成氨工業(yè)普遍使用以活性鐵為主的多組分催化劑，又稱鐵觸媒。鐵觸煤在500℃左右活性最大。綜合考慮以上因素，實際生產(chǎn)中合成氨的適宜條件是溫度在500℃左右，壓強在20～50MPa之間，并以鐵觸媒為催化劑。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過觀察氨含量隨著溫度、壓強數(shù)據(jù)的變化而變化的圖表，利用化學(xué)反應(yīng)速率及平衡思想分析合成氨工業(yè)所需適宜條件，培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)思維分析化學(xué)、工程問題。同時以學(xué)生的答案為出發(fā)點，設(shè)問“是不是溫度越低、壓強越高越好？”從而引導(dǎo)學(xué)生從生產(chǎn)實際出發(fā)，考慮產(chǎn)率、設(shè)備、投資、成本等一系列工程問題，體會到光靠化學(xué)基本原理解決實際工業(yè)生產(chǎn)問題遠遠不夠，還應(yīng)具備與工程、技術(shù)等相關(guān)知識，明確理論聯(lián)系實際的重要性。

任務(wù)三：合成氨的基本生產(chǎn)過程

［投影］PPT播放“合成氨——從實驗室到工業(yè)化生產(chǎn)”的科學(xué)史話及相關(guān)裝置圖。

［提問］通過剛才播放的科學(xué)史話可以看出任何一項簡單的過程都經(jīng)過科學(xué)家們的不斷探索與實踐，請同學(xué)們結(jié)合剛才的科學(xué)史話并閱讀教材內(nèi)容，概括合成氨都需要經(jīng)歷哪些生產(chǎn)過程。

［學(xué)生］合成氨的基本生產(chǎn)過程主要有三個步驟：一、制備合成氨的原料氣；二、原料氣的凈化；三、氨的合成與分離。

［教師］概括很正確。要實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，首先要獲得合成氨的原料氣，空氣中有充足的氮氣，可以通過液化空氣再蒸發(fā)分離出氧氣獲取氮氣，那么要通過什么工藝和技術(shù)來獲取氫氣呢？老師有以下幾種方案，你認為哪種方案是最佳選擇？請從資源、能耗、成本、設(shè)備、環(huán)境等方面綜合考慮。

［投影］氫氣的制取方案：

方案一：電解水制取氫氣。

方案二：由煤或焦炭制取氫氣，原理為C+H2O＝CO+H2。

方案三：由天然氣制取氫氣：CH4+H2O＝CO+3H2；由煤或焦炭、天然氣制氫氣過程中產(chǎn)生的一氧化碳與水蒸氣反應(yīng)：CO+H2O＝CO2+H2。

［學(xué)生］我認為第三種方案是最佳選擇。電解水制氫氣消耗大量電能，成本高，不適用于制取大量的氫氣；利用煤制取氫氣投資高、能耗高，且副產(chǎn)物污染環(huán)境；天然氣易獲取，成本低、能耗也低，且便于管道輸送。因此選擇天然氣制取氫氣相對來說比較好。

［教師］很好，考慮得很全面。不錯，從20世紀50年代起，天然氣已成為世界上合成氨的主要原料。但由于我國煤資源儲量大，分布地區(qū)廣，目前還有許多工廠仍然以煤作為合成氨生產(chǎn)的主要原料。制備好原料氣后，還需將原料氣進行凈化處理，以除去制備原料氣過程中產(chǎn)生的CO、CO2、O2、H2S等雜質(zhì)氣體，一是為了得到純凈的原料氣，二是為了減少對空氣的污染。

［投影］合成氨生產(chǎn)簡易流程圖和合成塔內(nèi)部構(gòu)造示意圖。

［教師］凈化后的原料氣經(jīng)過壓縮機壓縮至高壓，進入氨合成塔，氮氣與氫氣在高溫、高壓和催化劑的作用下合成氨。請同學(xué)們根據(jù)這張圖思考如何從合成塔出來的混合氣體中獲得我們需要的氨氣呢？剩余的氫氣與氨氣去哪了？

［學(xué)生］認真觀看圖片，思考并交流。為得到氨氣，需將混合氣體中的氨冷卻使其液化，然后分離出來，剩余的氫氣與氨氣重新送到合成塔繼續(xù)反應(yīng)。

［教師］很好，觀察、分析得很到位。老師再補充一點，液化氨時要經(jīng)過冷凝器，分離出來的其他氣體需經(jīng)過循環(huán)壓縮機，再送到合成塔，同時不斷向合成塔補充新鮮的原料氣，這樣氨的合成就形成了一個循環(huán)流程，使氮氣和氫氣得到充分利用。

設(shè)計意圖：學(xué)生認真觀看播放合成氨的科學(xué)史話，在學(xué)習(xí)知識的同時感受合成氨工業(yè)的發(fā)展歷史，知道每項工業(yè)生產(chǎn)過程都需經(jīng)歷漫長的探索與實踐，從而體會科學(xué)家們持之以恒，嚴謹求實的科學(xué)精神。通過獲取氫氣的方案篩選，一方面學(xué)生了解了幾種制取氫氣的基本技術(shù)手段，一方面學(xué)生也學(xué)會從能源、能耗、成本、設(shè)備、環(huán)境等多方面綜合考慮獲取氫氣的途徑，從而選出最佳方案。獲取氨氣利用液化分離技術(shù)，剩余原料氣循環(huán)利用等都是化學(xué)工業(yè)上重要的科學(xué)技術(shù)手段，有助于學(xué)生理解化學(xué)知識在改進技術(shù)、促進社會發(fā)展的重要作用，促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)的提高。

任務(wù)四：合成氨工業(yè)的發(fā)展

［教師］目前為止，我們學(xué)習(xí)了合成氨的反應(yīng)原理、適宜條件的選擇以及合成氨的生產(chǎn)過程，自1913年世界上第一座合成氨廠投產(chǎn)以來，合成氨工業(yè)不斷發(fā)展，我們學(xué)習(xí)的只是合成氨知識庫中的冰山一角。假如你是一名合成氨工廠的廠長，為了更好地發(fā)展合成氨工廠，你還具備合成氨的哪些知識？

［學(xué)生］合成氨的發(fā)展史、原料氣的凈化工藝和技術(shù)、催化劑的改進、合成氨工藝所帶來的環(huán)境問題……

［教師］看來同學(xué)們對合成氨的知識很感興趣，現(xiàn)在老師請一位同學(xué)上講臺利用多媒體網(wǎng)絡(luò)搜索關(guān)于合成氨的相關(guān)知識，然后與大家一起分享。

［學(xué)生］輸入“合成氨”，有圖2鏈接，輸入“合成氨原料氣凈化”有圖3鏈接。

圖2　

圖3　

［教師］這位同學(xué)演示得非常好，請同學(xué)們課后就工業(yè)合成氨這部分內(nèi)容，挑自己感興趣的模塊進行網(wǎng)絡(luò)搜索，每個小組同學(xué)挑選一個模塊進行搜索整理，然后小組與小組同學(xué)之間交流分享。

［教師］現(xiàn)在請大家回憶一下合成氨的生產(chǎn)過程，實際上我們忽略了在生產(chǎn)實際中最重要的一個環(huán)節(jié)，大家猜猜是哪個環(huán)節(jié)？大家可以聯(lián)想我們在實驗室制取對環(huán)境有污染、有毒物質(zhì)時所進行的最后一步操作。

［學(xué)生］尾氣處理與回收。

［教師］不錯，這位同學(xué)反應(yīng)很快。隨著環(huán)境保護意識的增強，合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢渣、廢氣、廢液的處理越來越成為技術(shù)改造的重要問題。

［投影］尾氣處理與回收是工業(yè)生產(chǎn)的最后一個環(huán)節(jié)，也是本節(jié)課最后的學(xué)習(xí)內(nèi)容，請同學(xué)們結(jié)合教材相關(guān)內(nèi)容填寫以下表格。

表3　“三廢”處理

［學(xué)生］認真翻閱教材，與小組同學(xué)交流討論得出答案。

設(shè)計意圖：學(xué)生扮演合成氨工廠的廠長，考慮還需具備哪些關(guān)于合成氨的知識，積極踴躍發(fā)言，通過角色扮演，使學(xué)生認識到知識是無窮無盡的，需要不斷努力充實和豐富自己的知識庫。課堂上學(xué)生親自上講臺進行網(wǎng)絡(luò)搜索有關(guān)合成氨的知識，給了學(xué)生展示自己的機會，鼓勵學(xué)生學(xué)會熟練運用現(xiàn)代信息技術(shù)，培養(yǎng)了學(xué)生獲取信息、篩選信息的能力，為進一步提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)打下基礎(chǔ)。尾氣處理與回收使學(xué)生意識到工業(yè)生產(chǎn)中不僅要關(guān)注經(jīng)濟效益，還應(yīng)關(guān)注環(huán)境的保護，資源的合理使用，將可持續(xù)發(fā)展理念滲透到每一步。

四、結(jié)語

本節(jié)教學(xué)設(shè)計以任務(wù)為中心，將工業(yè)合成氨分為四項任務(wù)，每項任務(wù)以問題為情境線，將STEM理念滲透其中。任務(wù)一以化學(xué)基本知識與原理為科學(xué)依據(jù)，利用數(shù)學(xué)表達式，通過計算判斷某一特定條件下合成氨反應(yīng)是否自發(fā)進行；任務(wù)二通過表格數(shù)據(jù)分析合成氨的適宜條件，在此基礎(chǔ)上又結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實際，從設(shè)備、成本、經(jīng)濟效益等方面探索合成氨的最佳條件；任務(wù)三從能源、能耗、環(huán)境、成本等方面考慮選擇獲取原料氣的最佳方案，從合成氨的生產(chǎn)過程中理解所包含的技術(shù)要素，了解合成氨生產(chǎn)過程中的基本裝置和流程；任務(wù)四通過角色轉(zhuǎn)換，讓學(xué)生自己思考需要掌握的合成氨的知識，利用計算機技術(shù)收集信息并與同學(xué)分享，最后通過尾氣處理與回收使學(xué)生意識到環(huán)境的保護、資源的合理使用等也是工業(yè)生產(chǎn)所考慮的重要因素。從整個教學(xué)活動中不難看出，科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個領(lǐng)域并不是孤立存在的，而是相互支撐、相互促進的。學(xué)生通過小組合作交流的方式，在教師的指導(dǎo)監(jiān)督下對四項任務(wù)一一解決，極大地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，增強了學(xué)生的團隊協(xié)作意識，提高了學(xué)生的綜合素養(yǎng)。STEM是科學(xué)教育的重要趨勢，將STEM理念融入中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，可以更好地為中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)服務(wù)。

［1］余勝全，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式［J］.開放教育研究，2015（4）：13-14

［2］丁杰，蔡蘇江，豐光.科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)教育創(chuàng)新與跨學(xué)科研究［J］.開放教育研究，2013（2）：41-43

［3］任偉，李遠蓉，馬坤鶴.基于STEM教育下的中學(xué)化學(xué)教學(xué)模式初探［J］.化學(xué)教與學(xué)，2015（7）：10-12

［4］宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學(xué)（選修2）［M］.北京：人民教育出版社，2007

［5］肖敏，吳曉紅.基于美國K-12階段STEM理念的教學(xué)設(shè)計——以“‘設(shè)計’一座硫酸廠”為例［J］.化學(xué)教學(xué)，2016（2）：44-48

1008-0546（2016）11-0047-05

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2016.11.016

*本文為高中化學(xué)實驗安全隱患及規(guī)避研究（項目編號：GIP201641）的研究成果之一。

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