邢力丹 丁偉

【摘 要】本文以電解硝酸鹽制備氨的科技議題為研究背景設(shè)計跨學(xué)科實踐，采用電化學(xué)手段實現(xiàn)氮元素不同價態(tài)的轉(zhuǎn)化，引入日常水質(zhì)檢測試劑對電解產(chǎn)物進行定性測定，創(chuàng)新性地使用智能手機比色法對電解產(chǎn)物[NO-2]進行定量表征。借助氮元素“價-類”二維圖譜分析電解過程，能促進學(xué)生理解不同價態(tài)含氮物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的科學(xué)本質(zhì)，發(fā)展數(shù)據(jù)分析論證等學(xué)科關(guān)鍵能力，養(yǎng)成跨學(xué)科思維和協(xié)作能力，提高科學(xué)探究和問題解決能力。

【關(guān)鍵詞】科技議題；跨學(xué)科實踐；電解

一、問題提出

隨著科技的發(fā)展，如何將硝酸鹽污染物轉(zhuǎn)化為可利用的氨成為可持續(xù)發(fā)展的核心科技議題。據(jù)此科技議題設(shè)計探究氮元素物質(zhì)轉(zhuǎn)化的跨學(xué)科實踐，能培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維和協(xié)作能力，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感和可持續(xù)發(fā)展理念，具有重要教育價值。

跨學(xué)科教育能夠整合多個學(xué)科的知識和思維方法，突破學(xué)科壁壘，幫助學(xué)生形成全新的知識框架與思維模式，提高學(xué)生解決實際問題的能力。在化學(xué)學(xué)科氮元素的教學(xué)中，本文引入融合跨學(xué)科情境的創(chuàng)新實驗，設(shè)計以電解硝酸鹽制備氨為主題的跨學(xué)科實踐，學(xué)生從化學(xué)、物理、工程、生態(tài)、社會等多個角度進行探究，深入理解氮元素的性質(zhì)和變化規(guī)律，體驗跨學(xué)科情境下的問題解決過程和創(chuàng)新思維方式。

二、跨學(xué)科實踐活動設(shè)計

（一）跨學(xué)科實踐模型

跨學(xué)科實踐主要是指基于學(xué)生的素養(yǎng)發(fā)展需求，圍繞某一研究主題，以本學(xué)科課程內(nèi)容為主干，運用并整合其他學(xué)科的知識與方法開展綜合學(xué)習(xí)的一種活動方式?？鐚W(xué)科實踐作為一種綜合性學(xué)習(xí)活動，需要以學(xué)生為中心，圍繞某個學(xué)習(xí)主題展開，將各學(xué)科內(nèi)容進行重整，使其成為一個新的復(fù)雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容結(jié)構(gòu)整體，讓學(xué)生整體感受和理解知識的意義。［1］杜威認(rèn)為，學(xué)科知識在組織過程中就已被方法化，方法并非游離于知識之外，在教學(xué)中要使學(xué)習(xí)活動本身作為一個直接的并且能被意識到的目的［2］。因此，在設(shè)計跨學(xué)科活動時，應(yīng)將各學(xué)科方法融入其中，選擇與特定知識相契合的主題類型，并創(chuàng)設(shè)學(xué)生相對熟悉、便于實踐的具體情境。在實際情境中開展活動，學(xué)習(xí)或運用學(xué)科知識，也是一種學(xué)習(xí)，因此在實踐活動中要實現(xiàn)知識和方法、理論與實踐的有機結(jié)合。

科技議題是指與科學(xué)、技術(shù)密切相關(guān)，在領(lǐng)域中存在技術(shù)難點，需要尋找新方法取代原方法以解決真實問題的社會性議題?？萍甲h題源自前沿科學(xué)，具有實用性、復(fù)雜性，需整合多學(xué)科知識與各學(xué)科方法才能解決某一實際問題。科技議題能夠搭建起學(xué)科知識與現(xiàn)實情境的橋梁［3］，而跨學(xué)科實踐的出發(fā)點恰好為解決綜合性問題，因此科技議題適合作為跨學(xué)科實踐的主題。將科技議題作為真實情境引出問題鏈，并圍繞問題鏈開展跨學(xué)科實踐活動，能使學(xué)生在實踐中獲得對知識的豐富體驗和深刻感悟，進而實現(xiàn)跨學(xué)科知識的構(gòu)建與整合。

本研究構(gòu)建的跨學(xué)科實踐模型如圖1所示。首先，將“硝酸鹽制氨”這一大科技議題作為真實情境，確定跨學(xué)科實踐活動主題為“氮元素物質(zhì)轉(zhuǎn)化”，通過真實情境引入課堂內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

其次，對科技議題內(nèi)容進行剖析，梳理出化學(xué)、物理、生物學(xué)等各學(xué)科涉及的知識及方法，將科技議題的情境問題拆分為多個子問題，按照由淺到深、由表及里、由具體到抽象的順序形成問題鏈，環(huán)環(huán)相扣，逐步深入，以問題為驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生主動探究。

再次，借助問題鏈設(shè)計跨學(xué)科實踐活動，針對問題中的假設(shè)提出猜想并進行跨學(xué)科實踐。如以手機比色法和水質(zhì)檢測盒兩個便捷快速的創(chuàng)新實驗為支撐，讓學(xué)生在解決問題的過程中逐步掌握知識和技能，形成自己的見解和態(tài)度，從而培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和合作意識，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

最后，以跨學(xué)科知識整合為模型核心，對跨學(xué)科實踐中涉及的學(xué)科知識本質(zhì)進行總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生對所學(xué)知識進行整合，并將其創(chuàng)新運用至其他情境中。

（二）跨學(xué)科實踐內(nèi)容分析

電解硝酸鹽制備氨是一種新型制氨方法，是未來經(jīng)濟、環(huán)保和可持續(xù)的制氨方法之一。它利用電解池中的電流，將硝酸鹽溶液中的硝酸根離子還原為氨，無須高溫高壓及催化劑條件，較目前工業(yè)生產(chǎn)中的哈勃-博斯合成法更為綠色。

本文將電解硝酸鹽制備氨的科技議題研究轉(zhuǎn)化為跨學(xué)科實踐?？鐚W(xué)科實踐并不是簡單地將各門課程的內(nèi)容結(jié)合起來，而是將教學(xué)活動中的學(xué)習(xí)任務(wù)和各種學(xué)科知識內(nèi)容進行有效整合，基于真實問題驅(qū)動，建構(gòu)系統(tǒng)的知識體系。本文以科技議題驅(qū)動化學(xué)、物理、生物學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識的整合應(yīng)用，基于電解硝酸鹽中物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)化以及工程轉(zhuǎn)化等內(nèi)容設(shè)計“不同價態(tài)含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化”跨學(xué)科實踐，跨學(xué)科情境內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖2所示，學(xué)科知識如表1所示。

表1 不同價態(tài)含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化的跨學(xué)科實踐學(xué)科知識

[學(xué)科 內(nèi)容 學(xué)科知識 生物學(xué) 自然界氮循環(huán) 自然界中含氮物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程（固氮過程、氨化作用、硝化作用、反硝化作用及同化過程） 物理 化學(xué)能與電能 電解過程中的能量轉(zhuǎn)化為電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能、熱能等 實驗裝置 電極、導(dǎo)線、電壓等的選擇 化學(xué) 自然界氮循環(huán) 自然界氮循環(huán)轉(zhuǎn)化過程中氮元素價態(tài)的變化過程 定性鑒定、定量測定 硝酸鹽、亞硝酸鹽及氨的常見測定方法及原理；質(zhì)量守恒定律 化學(xué)能與電能 電解是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，涉及氧化還原反應(yīng)、電極反應(yīng)等不同類型的化學(xué)反應(yīng)及現(xiàn)象 實驗裝置 電極的種類 條件選擇 最適電壓的確定，電解液種類、濃度的選擇 合成氨的發(fā)展 人工合成氨外界條件的選擇 數(shù)學(xué) 定量測定 利用測得的數(shù)據(jù)進行線性擬合；誤差分析 條件選擇 根據(jù)參比電極及電路電壓計算實際電壓 工程

技術(shù) 定量測定 RGB讀色，紫外分光光度技術(shù) 實驗裝置 電解裝置的選擇及搭建 條件選擇 實際電解電壓、溫度、溶液濃度等的選擇 硝酸鹽制氨 目前新興的硝酸鹽制氨研究 ]

（三）跨學(xué)科實踐核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)

（1）認(rèn)識自然界氮循環(huán)過程，從跨學(xué)科視角掌握氮元素及其化合物性質(zhì)，構(gòu)建氮元素“價-類”二維知識圖譜。

（2）設(shè)計電解硝酸鹽的實驗裝置，從工程技術(shù)及化學(xué)學(xué)科角度了解電解池裝置的組成，認(rèn)識電極材料、電解溶液等對電解的影響，發(fā)展實驗探究能力。

（3）操作電解硝酸鈉溶液實驗，認(rèn)識電解過程中的能量轉(zhuǎn)化；用“價-類”二維圖譜預(yù)測硝酸鹽的電解產(chǎn)物，從價態(tài)變化視角說明含氮化合物在電解過程中的轉(zhuǎn)化，學(xué)會將宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)相聯(lián)系；從跨學(xué)科視角分析電解過程，樹立變化觀念。

（4）運用特征顯色反應(yīng)對產(chǎn)物進行定性檢驗和定量表征，學(xué)會利用技術(shù)手段進行定量測定，并對數(shù)據(jù)進行線性擬合及繪制圖像，培養(yǎng)證據(jù)意識。

（5）體驗科學(xué)家的科學(xué)研究過程，形成科學(xué)精神與社會責(zé)任；了解新興的綠色合成氨技術(shù)，培養(yǎng)可持續(xù)發(fā)展理念。

（四）跨學(xué)科實踐活動創(chuàng)新設(shè)計

本跨學(xué)科實踐活動為2課時，依據(jù)學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)及教材內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知水平，以“電解硝酸鹽制備氨”科技議題作為跨學(xué)科真實問題情境，整合化學(xué)、物理、生物學(xué)、數(shù)學(xué)與工程技術(shù)等學(xué)科，創(chuàng)設(shè)類似科學(xué)家研究的情境體驗，學(xué)生從中掌握氮元素價態(tài)的轉(zhuǎn)化、氧化還原反應(yīng)等科學(xué)知識，落實了核心素養(yǎng)?？鐚W(xué)科實踐活動思路詳見表2。

三、跨學(xué)科活動實施

（一）自然界氮循環(huán)

首先，基于電解硝酸鹽制氨這一科技議題，以真實情境為背景，從含氮物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化切入，要求學(xué)生認(rèn)識自然界氮循環(huán)過程，從跨學(xué)科視角掌握氮元素性質(zhì)。接著，圍繞多種含氮物質(zhì)，引出“不同價態(tài)氮元素轉(zhuǎn)化分別是如何實現(xiàn)的？”這一問題。最后，在問題的驅(qū)動下，教師引導(dǎo)學(xué)生閱讀課本及查閱相關(guān)信息，共同構(gòu)建氮元素“價-類”二維圖譜（見圖3），并通過實踐活動整合知識，得到以下幾種氮元素轉(zhuǎn)化的路徑：（1）在自然界中，一部分氮氣通過雷電作用被氧氣氧化，逐步形成硝酸鹽。（2）大多數(shù)氮氣在生物固氮酶的作用下被還原為氨，與水反應(yīng)形成銨根離子后被植物吸收，并在土壤中細菌的作用下，經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸根離子，氧氣不足時經(jīng)反硝化作用生成氮氣。（3）在工業(yè)生產(chǎn)中，氮元素的主要轉(zhuǎn)化路徑為氨的合成和氨的催化氧化，前者由氮氣生成氨，后者氮元素被氧化變?yōu)橐谎趸?，是工業(yè)制取硝酸的主要途徑。

（二）電解硝酸鹽及其產(chǎn)物的定性檢驗

本環(huán)節(jié)要求學(xué)生認(rèn)識電解過程中的能量轉(zhuǎn)化，利用工程技術(shù)知識搭建電解池裝置，拓展對電解池的認(rèn)知。重在引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，結(jié)合氮元素“價-類”二維圖譜，推斷硝酸鹽電解產(chǎn)物，并利用水質(zhì)分析盒對產(chǎn)物進行定性檢驗。本環(huán)節(jié)創(chuàng)新性地引入日常檢測盒，方法快速、便捷、高效，將宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)相聯(lián)系，利于發(fā)展學(xué)生的實驗探究能力。

硝酸鹽在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，除了制化肥，也可用作食品添加劑［4］，但過量的硝酸鹽會對環(huán)境造成污染。電化學(xué)是一種常見的強有力的氧化還原手段，可以將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為重要的化工原料——氨。本環(huán)節(jié)基于“如何實現(xiàn)電解硝酸鹽及其產(chǎn)物的定性檢驗”科技議題，引出問題鏈，驅(qū)動學(xué)生開展實踐探究活動。

問題1：電解池裝置由哪些部分組成？

教師指導(dǎo)學(xué)生在課前搜索和學(xué)習(xí)工程技術(shù)、化學(xué)及物理中與電解池相關(guān)的知識，課上通過搭建實驗裝置（圖4）的實踐活動，幫助學(xué)生了解電解池的組成，即電解池包含陰極、陽極及電解池溶液。本實驗中，陽極選用石墨惰性電極，不參與反應(yīng)，陰極選擇處理過的銅電極，起催化作用［5］，電解液含有硝酸鈉。理論上電解池僅需兩個電極及導(dǎo)電溶液即可，但在實際電解中，電極周圍溶液濃度的差異會使得兩電極間的電壓不穩(wěn)定，因此需要一個“中間人”——參比電極，本實驗中Ag/AgCl為參比電極。

問題2：電解池中離子如何變化？

通過結(jié)合氮元素“價-類”二維圖譜分析氮元素價態(tài)轉(zhuǎn)化的實踐活動，學(xué)生預(yù)測硝酸鹽在電解過程中氮元素價態(tài)只能降低，有可能生成不同價態(tài)的物質(zhì)，即[NO-2]、NH3、N2或NOx。其中，氮氣非常穩(wěn)定，在低電壓電解時可能很難大量生成。

問題3：如何對產(chǎn)物進行定性檢驗？

電解實驗后，利用不同的水質(zhì)分析盒可快速鑒定產(chǎn)物（圖5），學(xué)生在此過程中能夠認(rèn)識不同離子的特征顯色反應(yīng)。學(xué)生結(jié)合實驗現(xiàn)象，分析得知硝酸鹽的電解產(chǎn)物有[NO-2]與NH3。

（三）電解硝酸鹽產(chǎn)物的定量測定

本環(huán)節(jié)要求學(xué)生學(xué)會利用技術(shù)手段，運用特征顯色反應(yīng)對產(chǎn)物進行定量測定，并根據(jù)數(shù)據(jù)擬合標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識。

學(xué)生在理解常用的分光光度法定量測定原理的基礎(chǔ)上，開展利用智能手機比色法定量測定亞硝酸鹽含量的實踐活動。學(xué)生使用智能手機拍照，利用Photoshop軟件選取圖像點得到RGB值（見表3），使用圖像強度值Ⅰ擬合標(biāo)準(zhǔn)工作曲線（圖6）。這一環(huán)節(jié)的設(shè)計能培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)可視化能力。

以“如何明確電解過程中離子濃度隨時間的變化？”為問題驅(qū)動，通過設(shè)計探究實驗，利用實驗數(shù)據(jù)計算各時間點的離子濃度并繪制圖像（圖7）的實踐活動，學(xué)生能夠?qū)⒑暧^現(xiàn)象與微觀變化聯(lián)系起來，認(rèn)識到在電解過程中，[NO-3]主要轉(zhuǎn)化為NH3，部分[NO-3]轉(zhuǎn)化為[NO-2]并逐漸轉(zhuǎn)化為NH3，并利用質(zhì)量守恒定律，計算溶液中的總氮含量，明確電解過程中氮氣并非主要產(chǎn)物，深入理解氮元素價態(tài)轉(zhuǎn)化的化學(xué)過程。

（四）科技議題展望

本環(huán)節(jié)要求學(xué)生將理論與實踐相聯(lián)系，回歸科技議題情境，從工程技術(shù)角度了解新興的綠色硝酸鹽制氨技術(shù)，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)綠色化學(xué)觀念。

回歸“電解硝酸鹽制備氨”科技議題，由可再生能源驅(qū)動的電解硝酸鹽制備氨是綠色合成氨技術(shù)路線之一［5］，引出“如何將理論實驗在實驗室中實現(xiàn)，實驗室成果應(yīng)如何運用至實際生產(chǎn)中？”的問題。通過了解電解硝酸鹽制備氨的工業(yè)應(yīng)用和前景的實踐活動，學(xué)生認(rèn)識到實驗理論成立后需先通過微小型實驗，再擴大實驗規(guī)模，若將其推廣至實際生產(chǎn)中，還應(yīng)考慮經(jīng)濟成本、環(huán)境成本等因素。這一環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展理念。

四、小結(jié)

筆者對參與跨學(xué)科實踐活動的學(xué)生（40人）就生物學(xué)、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)等相關(guān)學(xué)科知識進行測驗，并對前后測成績使用配對T檢驗。結(jié)果顯示，學(xué)生對生物學(xué)（△M=0.18，p=0.38）和物理（△M=0.14，p=0.05）相關(guān)知識的掌握程度并無顯著性差異，而對化學(xué)（△M=0.91，p=0.01）、數(shù)學(xué)（△M=0.18，p=0.01）和工程技術(shù)（△M=0.74，p=0.004）等相關(guān)學(xué)科知識的掌握程度均存在顯著性差異，知識水平得到顯著提高。

本文以“電解硝酸鹽制備氨”科技議題為真實情境，設(shè)計問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入探究，設(shè)計利用日常生活中常見的便攜試劑盒實現(xiàn)NH3與[NO-2]的定性鑒定以及利用手機拍照比色法實現(xiàn)[NO-2]的快速定量測定等創(chuàng)新實驗，展開跨學(xué)科實踐活動，實現(xiàn)跨學(xué)科知識整合。結(jié)果顯示，以科技議題為真實情境，以知識整合為核心的跨學(xué)科實踐，能夠在一定程度上對學(xué)生的學(xué)科知識產(chǎn)生顯著影響。此外，本設(shè)計在實踐中引導(dǎo)學(xué)生自主探究解決問題，促使學(xué)生體驗科學(xué)探究的基本方法，培養(yǎng)了學(xué)生的問題解決及數(shù)據(jù)可視化能力，涵育了可持續(xù)發(fā)展、綠色化學(xué)等科技理念。

參考文獻：

［1］朱愛華. 跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的本質(zhì)、特征及設(shè)計路向［J］. 教育研究與實驗，2023（5）：73-81.

［2］徐廣華. 跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的目標(biāo)設(shè)計：基本要點、設(shè)計理路與呈現(xiàn)樣態(tài)［J］. 教育理論與實踐，2023（29）：13-17.

［3］朱彥榮，李瑩，董曉瑜，等. 前沿科技成果在電化學(xué)綜合實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］. 廣東化工，2023（12）：228-230，236.

［4］喬金鎖，郭彥青，郭銀銀. 火腿腸中亞硝酸鹽的探究實驗設(shè)計［J］. 化學(xué)教育，2017（11）：64-66.

［5］WANG Z，BERBILLE A，F(xiàn)ENG Y，et al. Contact-electro-catalysis for the degradation of organic pollutants using pristine dielectric powders［J］. Nature Communications，2022（1）：1-9.

（責(zé)任編輯：潘安）

【作者簡介】邢力丹，在讀碩士研究生；丁偉，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂專家組核心成員，主要研究方向為化學(xué)教育。

【基金項目】華東師范大學(xué)教育學(xué)部第八屆大學(xué)生科研基金項目“以大概念為核心的美國K-12跨學(xué)科教育實踐案例研究”（ECNUFOE2023KY181）