江順

摘要：整合有關(guān)資料和多個(gè)優(yōu)秀教案，并查閱大量化學(xué)史料及化工文獻(xiàn)，還原“真實(shí)”的科學(xué)研究歷史，創(chuàng)設(shè)待解決的真實(shí)問題情境，讓學(xué)生充分了解合成氨工業(yè)發(fā)展的主要線索，理解基本的化學(xué)概念和原理，認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，理解化學(xué)變化的基本規(guī)律，形成有關(guān)化學(xué)科學(xué)的基本觀念，實(shí)施基于觀念建構(gòu)的合成氨工業(yè)教學(xué)。通過宏觀辨識(shí)與微觀探析，建構(gòu)變化觀念與平衡思想，進(jìn)行證據(jù)推理和實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：觀念建構(gòu)；核心素養(yǎng)；合成氨工業(yè)；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1005–6629（2017）4–0055–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

合成氨工業(yè)是滬教版第六單元《揭示化學(xué)反應(yīng)速率和平衡之謎》第三節(jié)“化工生產(chǎn)能否做到又快又多”的教學(xué)內(nèi)容，是化學(xué)反應(yīng)速率和平衡理論聯(lián)系實(shí)際的成功范例。關(guān)于工業(yè)合成氨的教學(xué)設(shè)計(jì)大多沿襲以下思路：先分析合成氨反應(yīng)的特點(diǎn)，再分別從速率角度和平衡角度討論合成氨的適宜條件，最后綜合速率、平衡的影響因素以及設(shè)備的承受能力，解決工業(yè)生產(chǎn)適宜條件的選擇問題。這樣的教學(xué)雖然能體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)原理對生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)作用，卻無法使學(xué)生對合成氨工業(yè)的歷史背景及其重大意義有深刻的認(rèn)識(shí)，學(xué)生體驗(yàn)不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅，感受不到創(chuàng)新思想形成的生動(dòng)過程。知識(shí)的學(xué)習(xí)固然重要，但是通過具體知識(shí)的學(xué)習(xí)掌握從化學(xué)的視角認(rèn)識(shí)身邊事物，解釋相關(guān)事實(shí)，分析和解決實(shí)際問題的的思想、方法、觀點(diǎn)才是化學(xué)教育的最終取向和追求。有關(guān)工業(yè)合成氨的研究先后三次獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，其過程包含著化學(xué)家偉大的創(chuàng)造性和光輝的科學(xué)思想，筆者在本節(jié)課教學(xué)中通過宏觀辨識(shí)與微觀探析，建構(gòu)變化觀念與平衡思想，進(jìn)行證據(jù)推理和實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

2 化學(xué)基本觀念的形成與建構(gòu)

中學(xué)化學(xué)課程要教給學(xué)生的不僅是知識(shí)的積累，更為重要的是觀念的建構(gòu)。學(xué)生化學(xué)基本觀念的形成需要兩方面的相互結(jié)合。一方面，從形成基本觀念所需要的素材來看，必須有合適的、能有效形成化學(xué)基本觀念的核心概念以及能有效形成這些概念的相關(guān)化學(xué)知識(shí)；另一方面，從基本觀念形成的過程來看，必須為學(xué)生創(chuàng)設(shè)有利于基本觀念形成的探究活動(dòng)。學(xué)生化學(xué)基本觀念的形成主要來源于以下三方面：一方面來自于學(xué)生對化學(xué)學(xué)科知識(shí)的反思概括，主要形成化學(xué)知識(shí)類的基本觀念，如元素觀、微粒觀、物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀、平衡觀等；另一方面來自于學(xué)生對化學(xué)探究過程、學(xué)習(xí)方法的反思，主要形成化學(xué)方法類的基本觀念，如實(shí)驗(yàn)觀、分類觀、定量觀等；第三方面來自于學(xué)生對化學(xué)學(xué)科在社會(huì)生活中價(jià)值的認(rèn)識(shí)和反思，主要形成化學(xué)情意類的基本觀念，如化學(xué)價(jià)值觀。這三方面相互促進(jìn)、相互影響，從而構(gòu)成化學(xué)基本觀念這一有機(jī)整體。

具體性知識(shí)是支撐觀念建構(gòu)的工具和載體。教學(xué)和學(xué)習(xí)的目標(biāo)是在具體性知識(shí)基礎(chǔ)上通過不斷概括提煉出觀念或觀念性知識(shí)，建構(gòu)起學(xué)科的觀念體系。教學(xué)內(nèi)容的選擇以觀念為核心，選擇能形成和體現(xiàn)這些觀念的具體性知識(shí)內(nèi)容。觀念的建構(gòu)需要學(xué)生在有意義的、真實(shí)的、具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)環(huán)境中，以積極主動(dòng)的態(tài)度，參與具有驅(qū)動(dòng)性的問題討論和活動(dòng)，獨(dú)立地或與同學(xué)、教師合作去探究并發(fā)現(xiàn)知識(shí)之間的聯(lián)系以及隱藏在事實(shí)背后的重要思想和觀點(diǎn)，最終建構(gòu)起自己的觀念體系。

合成氨工業(yè)的最終目的是為了人類的生存，科學(xué)家們經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的不懈探索最終實(shí)現(xiàn)了“向空氣要氮肥”。這一過程傾注了化學(xué)家的智慧，體現(xiàn)了化學(xué)家的思想、觀點(diǎn)和方法，這些思想方法的集合構(gòu)成了化學(xué)學(xué)科思想?；瘜W(xué)教學(xué)中需要在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，從傳授事實(shí)、掌握知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)展觀念。從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化，圍繞動(dòng)態(tài)平衡觀和辯證觀等核心觀念統(tǒng)籌熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行生產(chǎn)條件的選擇和優(yōu)化，進(jìn)而形成解決此類問題的相對穩(wěn)定的“大觀念”，最終形成一幅關(guān)于合成氨研究的全景圖，以便學(xué)生從科學(xué)的視角有效地處理日常生活中遇到的問題。

3 基于觀念建構(gòu)的“合成氨工業(yè)”教學(xué)設(shè)計(jì)

筆者整合有關(guān)資料和多個(gè)優(yōu)秀教案，并查閱大量化學(xué)史料及化工文獻(xiàn)，還原“真實(shí)”的合成氨研究歷史，創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，讓學(xué)生充分了解化學(xué)科學(xué)發(fā)展的主要線索，理解基本的化學(xué)概念和原理，認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，理解化學(xué)變化的基本規(guī)律，形成有關(guān)化學(xué)科學(xué)的基本觀念。

3.1 合成氨反應(yīng)的可行性探究

[情境] 1898年英國物理學(xué)家克魯克斯“先天下之憂而憂”，率先發(fā)出“向空氣要氮肥”的號(hào)召。

[問題]空氣中富含現(xiàn)成的氮?dú)夂脱鯕?，而氫氣需要人工制備，為什么科學(xué)家不選擇氮?dú)夂脱鯕?，而非得選擇氮?dú)夂蜌錃馊ズ铣砂蹦?？常溫下，氮?dú)馀c氫氣有可能合成氨氣嗎？

筆者提供學(xué)生兩個(gè)反應(yīng)在一定溫度下的平衡常數(shù)，并由此展開討論。

[建構(gòu)]首先，從元素的視角看物質(zhì)世界是化學(xué)學(xué)科特有的思想方法。通過“元素觀”的建構(gòu)，使學(xué)生主動(dòng)地認(rèn)識(shí)含氮元素的各種物質(zhì)（如氫化物——單質(zhì)——氧化物），以元素為核心建立起一種工業(yè)合成新物質(zhì)的認(rèn)識(shí)框架。其次元素化合物最核心的問題就是轉(zhuǎn)化，只有當(dāng)學(xué)生掌握了轉(zhuǎn)化關(guān)系，才能解決制備、檢驗(yàn)、工業(yè)設(shè)計(jì)等一系列的問題。通過“向空氣要氮肥”這一問題的討論，幫助學(xué)生建構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀念，使學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)到化學(xué)反應(yīng)是化學(xué)研究的一個(gè)中心問題，通過化學(xué)反應(yīng)不僅能夠認(rèn)識(shí)物質(zhì)，而且還能合成物質(zhì)，解決了資源匱乏的矛盾，彰顯了物質(zhì)合成的社會(huì)價(jià)值?！盎瘜W(xué)平衡常數(shù)”雖然在滬教版高三拓展型課程教材中，但在本節(jié)課中作為素材以信息形式引入，主要目的是讓學(xué)生能借助化學(xué)平衡常數(shù)認(rèn)識(shí)到“不同的化學(xué)反應(yīng)限度不同，可以利用平衡常數(shù)進(jìn)行定量表征和比較”，對化學(xué)反應(yīng)的限度的認(rèn)識(shí)由定性水平上升到定量水平。

[教學(xué)效果]表1引發(fā)了學(xué)生的激烈爭論，有的學(xué)生根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為常溫下氮?dú)狻錃獠荒芎铣砂睔?，原因是微觀上合成氨的反應(yīng)活化能太高，常溫下難以啟動(dòng)；有的學(xué)生認(rèn)為常溫下氮?dú)夂蜌錃夥磻?yīng)的平衡常數(shù)很大，有可能合成氨氣。兩種觀點(diǎn)其實(shí)并不矛盾，前者是判斷化學(xué)反應(yīng)的方向問題，是從熱力學(xué)角度根據(jù)反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)判斷反應(yīng)有沒有發(fā)生的可能性。正因?yàn)楹铣砂庇锌赡馨l(fā)生，才促使科學(xué)家想方設(shè)法去解決反應(yīng)的快慢和程度問題。如何盡快啟動(dòng)反應(yīng)，是動(dòng)力學(xué)研究的問題，可以采取升溫（如表2）、加壓等措施。表1和表2引導(dǎo)學(xué)生能夠宏觀辨識(shí)物質(zhì)的形態(tài)及變化，并且從物質(zhì)的微觀層面探析其組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的聯(lián)系，也能從內(nèi)因和外因、量變與質(zhì)變等方面較全面地分析物質(zhì)的化學(xué)變化。

3.2 合成氨工業(yè)條件的選擇與優(yōu)化

[情境] 1907年，哈伯等人選擇鋨為催化劑，溫度約600℃，200個(gè)大氣壓的不尋常的高壓條件下，第一次成功制取了氨，從而使合成氨有可能邁出實(shí)驗(yàn)室階段。著名的哈伯“循環(huán)”成功問世。鑒于合成氨的實(shí)現(xiàn)和研究對化學(xué)理論發(fā)展的推動(dòng)，1918年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了德國化學(xué)家哈伯。

[問題]若想提高氨在平衡混合氣中的含量，可以采取哪些措施？哪些措施能夠加快氮?dú)?、氫氣合成氨的反?yīng)速率？試想一下，在當(dāng)時(shí)的歷史條件下，哈伯可能會(huì)面臨怎樣的困難？

[建構(gòu)]勒夏特列原理是“對立統(tǒng)一”在動(dòng)態(tài)平衡體系中的真實(shí)反映。通過建構(gòu)對立統(tǒng)一和動(dòng)態(tài)平衡的觀念考察、分析化學(xué)反應(yīng)并預(yù)測在一定條件某一反應(yīng)可能發(fā)生的變化。100多年前，德國化學(xué)家哈伯進(jìn)人合成氨研究領(lǐng)域時(shí)，化學(xué)平衡理論已經(jīng)建立。對于問題的設(shè)計(jì)和解決筆者特別關(guān)注了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，用圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析教學(xué)使學(xué)生的認(rèn)識(shí)從定性走向定量，“定量觀”也是化學(xué)教學(xué)中需著力培養(yǎng)的學(xué)科觀念。筆者通過設(shè)計(jì)以下圖表（如圖1和圖2）指導(dǎo)學(xué)生尋找合成氨適宜的濃度、溫度和壓強(qiáng)。

通過引導(dǎo)學(xué)生討論溫度壓強(qiáng)等外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡狀態(tài)的影響，使學(xué)生關(guān)注到體系和環(huán)境中的多個(gè)要素之間的關(guān)系，對化學(xué)反應(yīng)的限度的認(rèn)識(shí)由孤立認(rèn)識(shí)發(fā)展到系統(tǒng)認(rèn)識(shí)；對化學(xué)平衡移動(dòng)規(guī)律的討論，還能促使學(xué)生形成調(diào)控化學(xué)反應(yīng)限度或化學(xué)平衡狀態(tài)的思路，對化學(xué)反應(yīng)限度的認(rèn)識(shí)從靜態(tài)認(rèn)識(shí)上升到動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)。

[教學(xué)效果]教師引導(dǎo)學(xué)生討論的以上問題也正是哈伯當(dāng)年要解決的問題。學(xué)生很快能夠判斷出實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率所需的條件與實(shí)現(xiàn)高速率所需的條件相互矛盾，正因如此需要進(jìn)行合成氨反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化。哈伯當(dāng)年的工作就是通過一次次實(shí)驗(yàn)摸索適宜的溫度、壓強(qiáng)和催化劑，既不能片面地追求高轉(zhuǎn)化率，也不能只追求高反應(yīng)速率，應(yīng)該尋找以較高的反應(yīng)速率獲得適當(dāng)平衡轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件。在教學(xué)中讓學(xué)生認(rèn)識(shí)矛盾的普遍性和矛盾的辯證關(guān)系，既引導(dǎo)學(xué)生掌握化學(xué)的一般規(guī)律，又引導(dǎo)學(xué)生以普遍規(guī)律為指導(dǎo)，從事物的特殊性出發(fā)進(jìn)行具體的分析研究。

3.3 實(shí)驗(yàn)室專利轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)力

[情境]德國BASF公司組織了以化工專家博施為首的工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)付諸實(shí)施。為了尋找高效穩(wěn)定的催化劑，兩年間，博施團(tuán)隊(duì)先后進(jìn)行了多達(dá)6500次試驗(yàn)，測試了2500種不同的配方，最后選定了使用鐵觸媒作為工業(yè)合成氨的催化劑。經(jīng)過無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，1913年雙層反應(yīng)塔終于誕生了，實(shí)現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)。鑒于他在發(fā)展高壓化學(xué)方面取得的成就，1931年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

[問題]面對催化劑的篩選和高壓問題的解決，一般應(yīng)考慮哪些因素？

[建構(gòu)]“可持續(xù)發(fā)展觀”是學(xué)生在有了一定的知識(shí)積淀后，對化學(xué)進(jìn)行反思而形成的對化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)，對學(xué)生世界觀的形成有著深遠(yuǎn)的意義，是化學(xué)學(xué)習(xí)的驅(qū)動(dòng)性觀念。合成氨從實(shí)驗(yàn)室專利到工業(yè)化生產(chǎn)，博施團(tuán)隊(duì)當(dāng)年面臨的最大困難是催化劑的篩選和解決高壓問題。化學(xué)實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行科學(xué)探究的重要方式，鐵觸媒的發(fā)現(xiàn)和雙層合成塔的發(fā)明過程本身都承載著豐富的方法論，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)精神和科學(xué)信念。教學(xué)中組織學(xué)生討論催化劑的篩選和高壓問題的解決時(shí)除了考慮反應(yīng)速率和目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率以外，還應(yīng)兼顧原材料的來源、穩(wěn)定性、成本和安全保障等，研發(fā)新物質(zhì)的同時(shí)也要關(guān)注到綠色化生產(chǎn)、能源危機(jī)等潛在的環(huán)境問題，樹立可持續(xù)發(fā)展的觀念。

[教學(xué)效果]本節(jié)課盡管沒有讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，但動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、動(dòng)腦探究的思想頻頻貫穿于其中。筆者借助化學(xué)發(fā)展史，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，還給學(xué)生一個(gè)真實(shí)的歷史，不僅能夠幫助學(xué)生切實(shí)體驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、科學(xué)精神，也能讓學(xué)生深刻體會(huì)到科學(xué)家之所以在某個(gè)領(lǐng)域取得非凡的成就，源于他們在該領(lǐng)域的興趣甚至癡迷，以及鍥而不舍的努力。這不正是學(xué)生所需要具備的科學(xué)素質(zhì)嗎？

3.4 合成氨反應(yīng)的微觀機(jī)理的實(shí)證研究

[情境]2007年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者是德國哈伯研究所的教授埃特爾，他在固體表面化學(xué)的研究領(lǐng)域中做出了開拓性的成就，其中一項(xiàng)工作是利用多種譜學(xué)技術(shù)對合成氨機(jī)理進(jìn)行了實(shí)證。

[問題]其實(shí)合成氨反應(yīng)還并不這樣簡單和直觀，埃特爾利用多種實(shí)驗(yàn)技巧檢測到了合成氨反應(yīng)過程中的各種中間體，并繪制出了如圖3所示反應(yīng)過程的能量圖。

能否試著解讀諾貝爾獎(jiǎng)成果？暢想未來合成氨研究的領(lǐng)域還可能有哪些？

[建構(gòu)]從宏觀上對物質(zhì)變化進(jìn)行描述，從微觀上對其解釋，宏觀與微觀的結(jié)合是化學(xué)學(xué)科的思維方式。本環(huán)節(jié)教學(xué)中筆者首先給出圖示做鋪墊，請學(xué)生描述合成氨的大體微觀過程。如圖4所示。

微粒觀來自于具體的化學(xué)知識(shí)，是物質(zhì)的微觀組成和結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理等微觀領(lǐng)域在學(xué)習(xí)者頭腦中的總觀性認(rèn)識(shí)。通過這一環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生能通過觀察、辨識(shí)一定條件下物質(zhì)的形態(tài)及變化的宏觀現(xiàn)象，也能從微觀角度去解釋反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，并運(yùn)用符號(hào)表征物質(zhì)及其變化，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。

[教學(xué)效果]這是一個(gè)激發(fā)學(xué)生想象力、培養(yǎng)其創(chuàng)新思維的環(huán)節(jié)。雖然學(xué)生對埃特爾使用的技術(shù)手段與原理理解得不那么透徹，但是他們認(rèn)識(shí)到了一些被認(rèn)為無法下手的難題，只要把靈感、創(chuàng)新與探索精神結(jié)合起來，就一定可以解決。圖中每一個(gè)“峰”和“谷”都對應(yīng)著一個(gè)變化過程，需要學(xué)生形象思維和邏輯思維的完美結(jié)合。通過思維的碰撞，學(xué)生深刻感受到平時(shí)寫在化學(xué)方程式上方的不起眼的反應(yīng)條件竟是科學(xué)家們歷經(jīng)一百多年的艱辛和智慧的結(jié)晶，學(xué)生十分驚訝于宏觀上簡簡單單的一個(gè)化學(xué)方程式微觀上竟然那樣的奇妙和復(fù)雜，但并非變幻莫測。透過宏觀現(xiàn)象分析微觀本質(zhì)是化學(xué)學(xué)科最具特征的思維方式，引導(dǎo)學(xué)生建立宏觀-微觀-符號(hào)三重表征的有機(jī)聯(lián)系，是化學(xué)教學(xué)的任務(wù)之一。學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)實(shí)質(zhì)上是建構(gòu)化學(xué)的三種表征，以及能在三種表征之間自由、靈活地轉(zhuǎn)換。

化學(xué)觀念的建立是為了提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)，學(xué)生對物質(zhì)的認(rèn)識(shí)、變化分析過程中，都會(huì)用化學(xué)觀念去分析處理生產(chǎn)、生活中的問題，才能促進(jìn)社會(huì)的和諧與發(fā)展。在化學(xué)教學(xué)中教師必須把化學(xué)最精髓、最本質(zhì)的思想和觀念通過精心的設(shè)計(jì)讓學(xué)生去領(lǐng)悟，這對學(xué)生形成化學(xué)學(xué)科思想、增強(qiáng)認(rèn)識(shí)能力、掌握科學(xué)方法、提高科學(xué)素養(yǎng)，無疑是非常有效的。

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