華麗芬

摘要：以“合成氨”反應為載體開展主題式教學，設(shè)計并實施了“了解反應的限度”“理解反應的限度”和“突破反應的限度”三個教學環(huán)節(jié)，拓展了學生對化學反應的認識角度，促進了學生學科能力及素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：主題式教學;化學反應的限度;合成氨

文章編號：1008-0546（2019）11-0068-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2019.11.018

一、研究背景

1.主題式教學設(shè)計

主題式教學設(shè)計是以主題為軸，用真實情境表達教學主題，用教學主題體現(xiàn)教學目標和教學要求，用教學目標和教學要求刺激和滿足學生的認知和非認知發(fā)展需求的一種整體性教學設(shè)計[1]。在教學中，教師可以圍繞某一主題進行相關(guān)學科知識的整合，引導學生進行主體性的學習和探究，使學生的認知發(fā)生有效遷移，提高學生解決問題和主動探究的能力，真正實現(xiàn)“以生為本”的教學理念。

2.教材與學情分析

（1）教材分析

“化學平衡”是高中化學概念原理的核心內(nèi)容，涉及高一、高二、高三3個年段的進階教學，包含新授課和復習課兩種課型?！盎瘜W反應的限度”是“化學平衡”的初階（其教學要求見表1），是高一學生認識化學反應的重要角度，學生通過這部分內(nèi)容的學習能夠初步掌握調(diào)控反應的方法，為今后深入學習化學平衡的移動、平衡常數(shù)等內(nèi)容打下基礎(chǔ)。銨作為氮肥使用，但由于產(chǎn)量少，價格貴，遠遠解決不了人口激增、糧食短缺的社會問題。于是科學家們將目光轉(zhuǎn)向空氣，以極大的熱情投入到將氮氣轉(zhuǎn)化為氨再生產(chǎn)氮肥的研究中。但是研究初期，在當時的理論基礎(chǔ)和實驗條件下，研究工作卻陷入困境?？茖W家們發(fā)現(xiàn)用氮氣和氫氣合成氨氣，反應很慢，產(chǎn)量極少，根本達不到工業(yè)化生產(chǎn)的要求。

[教師活動]合成氨反應究竟是一類怎樣的反應，科學家們能否解決難題，實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)呢？

[學生活動]①取1滴管O.1mol/L的KI溶液于試管中，向其中加入2滴O.1mol/L的FeCl3溶液，充分振蕩;②繼續(xù)向上述溶液中加入約等體積的CC14，充分振蕩后靜置;③在上層清液中滴加1滴KSCN溶液。

[學生表現(xiàn)]觀察實驗現(xiàn)象：①中溶液變黃;②分層，下層紫紅色;③溶液變成血紅色。

思考后得出結(jié)論：Fe3+不能完全轉(zhuǎn)化為Fe2+。

[設(shè)計意圖]通過實驗，讓學生親身感受有這樣一類反應：在同一反應條件下，既可以向正反應方向進行，同時又可以向逆反應方向進行，反應有一定的限度，反應物不能完全轉(zhuǎn)化為生成物，這類反應就是可逆反應。

[教師活動]你還能列舉哪些可逆反應？

[學生活動]踴躍上黑板書寫其他可逆反應，氣氛熱烈。其中一位學生寫了合成氨反應。

[教師活動]合成氨反應也是可逆反應，氮氣和氫氣在合成氨氣的同時，氨氣也在分解，而科學家們在研究初期，正是由于對這個反應的特點缺乏了解，研究才會陷入困境，所以我們還需要更加深入地研究這個反應。

環(huán)節(jié)二：理解反應的限度

[情境2] 450℃時，往一個2L的密閉容器中充入1molN2和2.6molH2，反應過程中對NH3的濃度進行檢測，得到的數(shù)據(jù)如表2所示：

[教師活動]①氨氣的濃度呈現(xiàn)怎樣的變化規(guī)律？

②假設(shè)氮氣和氫氣完全反應，理論上能獲得氨氣多少mol？

③實際最多獲得氨氣多少mol？

④氮氣和氫氣的濃度又會有怎樣的變化？

[學生活動]在教師的逐步引導下，學生積極思考，細心演算。計算結(jié)果如表3所示。

[學生表現(xiàn)]①能根據(jù)圖表數(shù)據(jù)說出氨氣的濃度變化規(guī)律：先遞增后保持不變。

②小部分同學未注意到氮氣和氫氣的物質(zhì)的量之比不是1：3，出現(xiàn)計算錯誤。

③能理解“最多”的含義：0.20mol/L為氨氣濃度的最大值，并運用公式計算得出正確結(jié)果。

④小部分同學應用“三段式”計算還不熟練，在規(guī)定時間內(nèi)無法完成。

[設(shè)計意圖]通過對數(shù)據(jù)的比較、分析、處理，深入挖掘“可逆反應”的概念價值，培養(yǎng)學生的證據(jù)意識。

[教師活動]請以時間（t）為橫坐標，濃度（c）為縱坐標，畫出各物質(zhì)濃度變化曲線圖。

[學生活動]動筆繪圖，信心滿滿。

[學生表現(xiàn)]能根據(jù)氮氣、氫氣、氨氣濃度變化畫出濃度（c）-時間（t）圖。

[設(shè)計意圖]通過繪圖，讓學生建立化學平衡的認知模型，更容易地理解化學平衡的特征。

[教師活動]當反應物和生成物的濃度不再變化，可逆反應就達到了最大限度，此時反應是否就停止了呢？

[學生活動]有的說反應停止了，有的說沒有停止。

[學生表現(xiàn)]以學生的認知水平，無法理解化學平衡是一種動態(tài)平衡，所以教師繼續(xù)引導。

[教師活動]我們還可以繪制氨氣的生成速率（正反應速率）與分解速率（逆反應速率）隨時間變化的速率（v）一時間（t）圖（學生繪圖見圖2）。當正反應速率和逆反應速率相交時，表示正反應速率與逆反應速率相等且不為0，此時反應物和生成物的濃度不再變化，可逆反應達到最大限度，即化學平衡狀態(tài)，所以化學平衡是動態(tài)平衡。

[學生活動]觀看噴泉池持續(xù)噴水，而水面沒有上升的視頻加深理解。

[教師活動]合成氨反應的工業(yè)化之路之所以困難重重，與這個反應是可逆反應，到達平衡狀態(tài)產(chǎn)物就不會增加有關(guān)。如果要大量生產(chǎn)氨氣，你是希望這個反應保持平衡狀態(tài)還是打破平衡狀態(tài)？往哪個方向移動才能獲得更多的氨氣？

[學生表現(xiàn)]想法一致：必須打破化學平衡狀態(tài)，往正反應方向移動才能獲得更多的氨氣。

[設(shè)計意圖]化學平衡狀態(tài)的五大特征：“逆”“等”“動”“定”“變”，前四個特征已經(jīng)呈現(xiàn)出來，如何展現(xiàn)“變”（即改變外界條件化學平衡發(fā)生移動）這一特征？如果認為這是高二、高三的教學任務(wù)而直接采用告知學生的傳統(tǒng)方式，就背離了新課程改革的初衷，所以教師的教學方式也要“變”。

環(huán)節(jié)三：突破反應的限度

[情境3]19世紀下半葉，物理化學的巨大進展使人們認識到：合成氨反應是可逆的。法國化學家勒夏特列為合成氨奠定了理論基礎(chǔ)，他是第一個試圖在高壓條件下合成氨的科學家，但是由于氮氫混合氣中混入氧氣引起爆炸，使他放棄了實驗。德國物理化學的權(quán)威能斯特，選擇鉑粉、錳作催化劑，在685℃，50atm下得到0.96%（在平衡混合氣中所占體積分數(shù)）的氨。德國化學家哈伯與能斯特幾乎同時嘗試合成氨。1907年，哈伯選擇鋨作催化劑，在550℃，150-250atm下得到8.25%的氨。

[教師活動]哈伯與能斯特的實驗方法有何相似之處？哈伯為什么能獲得更多氨氣？給你哪些啟示？

[學生活動]踴躍回答，氣氛熱烈。

[學生表現(xiàn)]①能說出相似之處：使用催化劑、高溫、高壓。

②哈伯使用的催化劑與能斯特不同，還降低了溫度，增大了壓強。

③勒夏特列因為害怕而錯過合成氨反應的重大發(fā)現(xiàn)，有些可惜，但成功總是留給能堅持到底的人。

[設(shè)計意圖]雖然學生沒有學習過勒夏特列原理，不清楚催化劑是不會影響平衡移動的，但是從情境素材的對比中，學生能得出降溫、加壓有利于合成氨反應正向移動，能初步解釋化工生產(chǎn)中反應條件的選擇問題，提升了學生的成就感，也在今后選修化學的學生心中埋下了一顆好奇的種子。

[情境4]1909年，哈伯又提出“循環(huán)操作”的工藝技術(shù)，進一步提高合成氨的產(chǎn)率。同年，德國BASF公司買下了合成氨的專利權(quán)。隨后，化學家兼工程師博施帶領(lǐng)他的團隊攻堅克難，經(jīng)歷了6500多次的催化劑篩選實驗，發(fā)明了耐高溫高壓的雙層反應釜，終于在1913年9月9日，建成了第一座合成氨工廠，開創(chuàng)了工業(yè)合成氨的時代。哈伯和博施分別獲得1918年和1931年諾貝爾化學獎。

[學生活動]全班鼓掌。

[設(shè)計意圖]化學科學的發(fā)展是人類智慧的結(jié)晶，是一代又一代化學人不畏艱險、百折不回、勇于實踐創(chuàng)新的結(jié)果，化學學科帶給學生的不僅是知識的進化和思維的啟發(fā)，更是一種力量的支撐、精神的鞭笞和創(chuàng)造的信念。

三、教學反思

主題式教學的開展對教師的要求較高，教師要有更開闊的視野、更長遠的考量，不能僅局限在眼前知識的講解，更應著眼于如何提升學生核心素養(yǎng)以適應未來發(fā)展的多樣化需求上。所以在進行教學設(shè)計的時候，教師要能打破不同單元、不同年段、不同學科之間的壁壘，將相關(guān)內(nèi)容進行梳理、整合，通過創(chuàng)設(shè)情境、實驗探究、證據(jù)推理等環(huán)節(jié)，提升學生的思維品質(zhì)。

“化學平衡”內(nèi)容貫穿高巾三個年段，“合成氨反應”在必修模塊的“氨氣的制備”“化學反應的限度”，選修模塊的“化學平衡的移動”中多次出現(xiàn)，是極具有學科價值的一個經(jīng)典反應，本節(jié)課圍繞“合成氨反應”開展教學，既是主題式教學的一次嘗試，更是對科學家們的致敬。

為了及時掌握學生對于化學平衡狀態(tài)的理解程度，本堂課最后設(shè)置了一個反饋環(huán)節(jié)：在一定條件下，恒溫恒容密閉容器巾進行可逆反應：N2+3H2催化劑2NH3，下列能說明該反應已經(jīng)達到化學平衡狀態(tài)的是____。

A.單位時間內(nèi)生成n mol N2同時生成3n mol H2

B.單位時間內(nèi)生成n mol N2同時消耗3n mol H2

C.容器巾N2、H2、NH3的濃度之比為1：3：2

D.容器巾N2、H2、NH3的濃度保持不變

C選項通常是學生易選的一個錯誤選項，雖然通過習題強化能提高應試技巧，但是本堂課通過環(huán)節(jié)二的鋪墊，教師引導學生運用數(shù)據(jù)素材開展了概括關(guān)聯(lián)、比較說明等活動，所以絕大多數(shù)學生沒有“踩雷”，學習效果顯著。

參考文獻

[1]袁頂國，朱德全.論主題式教學設(shè)計的內(nèi)涵、外延與特征[J].課程·教材·教法，2006，26（ 12）：19-23