中學化學教學中滲透STEM理念的教學設計*——以“人工固氮技術——合成氨”為例

吳曉紅　田小蘭

中學化學教學中滲透STEM理念的教學設計*——以“人工固氮技術——合成氨”為例

吳曉紅**田小蘭

（寧夏大學化學化工學院寧夏銀川750021）

STEM是科學、技術、工程和數(shù)學四門課程的簡稱，是美國興起的教育思想之一，強調多學科的交叉融合，旨在培養(yǎng)學生在科學、技術、工程及數(shù)學等方面的綜合素養(yǎng)。文章以“人工固氮技術—合成氨”為例，從合成氨的反應原理，合成氨的最佳反應條件，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理念滲透到教學設計中，促使學生綜合運用多種學科知識，以期更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力及綜合素養(yǎng)。

STEM理念；中學化學教學；合成氨；教學設計

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

一、教學目標分析

“人工固氮技術——合成氨”選自人教版高中化學選修2《化學與技術》第一單元中的內容，該課題涉及了“合成氨的反應原理”“合成氨的基本生產(chǎn)過程”“合成氨工業(yè)的發(fā)展”三部分內容，在此基礎上，本節(jié)教學設計又增加了“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、氫氣合成氨的反應也是在必修教材中學習到的一個重要的、典型的平衡體系。在本課學習中，學生既可以聯(lián)系原有知識和生活實際來學習合成氨的工業(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)將學科知識和生產(chǎn)實際相結合的重要內容，是充分滲透STEM理念的一節(jié)內容。圍繞“人工固氮技術——合成氨”的內容，從STEM四個維度出發(fā)，制訂教學目標如下：

表1　“人工固氮技術——合成氨”教學目標

二、教學設計思路

本節(jié)教學設計以“任務為主線，教師為主導、學生為主體”的教學方式呈現(xiàn)，教師在某一種教學情境下提出問題，將STEM學科知識整合到某一化學核心任務中，學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，從而解決化學問題，并最終獲得相應的科學知識。學生在解決問題的過程中，教師發(fā)揮指導、檢查、監(jiān)督、和評價作用。［3］

在本節(jié)教學中，教師以氮氣和氫氣在一定條件下合成氨的反應為指導，引導學生應用化學平衡理論與化學反應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；從合成氨的工業(yè)發(fā)展中了解最新的工業(yè)改進技術，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中，充分調動學生積極性，使學生意識到化學總是與科學、技術、工程及數(shù)學緊密聯(lián)系的。具體的教學設計思路如圖1所示：

圖1　教學設計思路

三、教學過程

任務一：合成氨的反應原理

［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業(yè)化肥的生產(chǎn)。氮是植物生長不可缺少的元素之一，農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合肥料，都是以氨為原料制成的。

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

［學生］回憶并思考，寫出化學方程式：

［投影］合成氨反應是一個可逆反應：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)反應進行的判斷依據(jù)考慮，298K時合成氨反應能否自發(fā)進行？

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

設計意圖：以氮在自然界的循環(huán)圖引入，一方面使學生認識到氮及其化合物對人類生產(chǎn)生活的重要意義，一方面使學生認識到農業(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)課學習內容。學生通過回顧《化學1》涉及的氮及其化合物的相關知識，對合成氨工業(yè)的基本原理能夠熟練掌握，并學會利用數(shù)學思維對可逆反應是否自發(fā)進行判斷，從而突出化學作為自然科學中的一員，其基本知識及原理對解決工程問題的重要指導作用。

任務二：探索合成氨的最佳條件

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

［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，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？

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

［教師］不錯，這個小組同學分析得很到位。在實際生產(chǎn)過程中，壓強越大，對設備的材料質量和制造水平的要求越高，能量消耗也增加，從而增加建設投資和生產(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，反應速率太低，需要很長時間才能使反應達到平衡狀態(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。

設計意圖：學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，利用化學反應速率及平衡思想分析合成氨工業(yè)所需適宜條件，培養(yǎng)學生利用數(shù)學思維分析化學、工程問題。同時以學生的答案為出發(fā)點，設問“是不是溫度越低、壓強越高越好？”從而引導學生從生產(chǎn)實際出發(fā)，考慮產(chǎn)率、設備、投資、成本等一系列工程問題，體會到光靠化學基本原理解決實際工業(yè)生產(chǎn)問題遠遠不夠，還應具備與工程、技術等相關知識，明確理論聯(lián)系實際的重要性。

任務三：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)”的科學史話及相關裝置圖。

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

［學生］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：CO+H2O＝CO2+H2。

［學生］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部構造示意圖。

［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。

［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。

設計意圖：學生認真觀看播放合成氨的科學史話，在學習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，從而體會科學家們持之以恒，嚴謹求實的科學精神。通過獲取氫氣的方案篩選，一方面學生了解了幾種制取氫氣的基本技術手段，一方面學生也學會從能源、能耗、成本、設備、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，剩余原料氣循環(huán)利用等都是化學工業(yè)上重要的科學技術手段，有助于學生理解化學知識在改進技術、促進社會發(fā)展的重要作用，促進學生科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)的提高。

任務四：合成氨工業(yè)的發(fā)展

［教師］目前為止，我們學習了合成氨的反應原理、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，我們學習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？

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

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

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

［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、有毒物質時所進行的最后一步操作。

［學生］尾氣處理與回收。

［教師］不錯，這位同學反應很快。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)課最后的學習內容，請同學們結合教材相關內容填寫以下表格。

表3　“三廢”處理

［學生］認真翻閱教材，與小組同學交流討論得出答案。

設計意圖：學生扮演合成氨工廠的廠長，考慮還需具備哪些關于合成氨的知識，積極踴躍發(fā)言，通過角色扮演，使學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。課堂上學生親自上講臺進行網(wǎng)絡搜索有關合成氨的知識，給了學生展示自己的機會，鼓勵學生學會熟練運用現(xiàn)代信息技術，培養(yǎng)了學生獲取信息、篩選信息的能力，為進一步提高學生科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)打下基礎。尾氣處理與回收使學生意識到工業(yè)生產(chǎn)中不僅要關注經(jīng)濟效益，還應關注環(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、結語

本節(jié)教學設計以任務為中心，將工業(yè)合成氨分為四項任務，每項任務以問題為情境線，將STEM理念滲透其中。任務一以化學基本知識與原理為科學依據(jù)，利用數(shù)學表達式，通過計算判斷某一特定條件下合成氨反應是否自發(fā)進行；任務二通過表格數(shù)據(jù)分析合成氨的適宜條件，在此基礎上又結合工業(yè)生產(chǎn)實際，從設備、成本、經(jīng)濟效益等方面探索合成氨的最佳條件；任務三從能源、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要素，了解合成氨生產(chǎn)過程中的基本裝置和流程；任務四通過角色轉換，讓學生自己思考需要掌握的合成氨的知識，利用計算機技術收集信息并與同學分享，最后通過尾氣處理與回收使學生意識到環(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。從整個教學活動中不難看出，科學、技術、工程、數(shù)學四個領域并不是孤立存在的，而是相互支撐、相互促進的。學生通過小組合作交流的方式，在教師的指導監(jiān)督下對四項任務一一解決，極大地調動了學生學習化學的興趣，增強了學生的團隊協(xié)作意識，提高了學生的綜合素養(yǎng)。STEM是科學教育的重要趨勢，將STEM理念融入中學化學教學中，可以更好地為中學化學課堂教學服務。

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

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

［3］任偉，李遠蓉，馬坤鶴.基于STEM教育下的中學化學教學模式初探［J］.化學教與學，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（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理念的教學設計——以“‘設計’一座硫酸廠”為例［J］.化學教學，2016（2）：44-48

1008-0546（2016）11-0047-05

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2016.11.016

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

**通訊聯(lián)系人，E-mail：1290695109＠qq.com