王晓捷

摘要：随着《普通高中化学课程标准（2017年版）》的颁布，当代教育重视的是培养学生的核心素养、关键能力和必备品格，提升问题解决能力。文章基于化学问题解决的教学模型，以“向空气要面包”为例向大家呈现了如何以氮肥发展史为脉络，利用实验探究来完成氨和铵盐的教学。

关键词：问题解决;科学史;微型实验;氮及其化合物

文章编号：1008-0546（2020）10-0084-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3 969/j.issn.1008-0546.2020.10.022

化学学科核心素养能够引领化学教学，彰显育人价值，核心素养既关注学生关键能力的提升，也注重必备品格的培育。关键能力是一种在特定的情境中，调动多种资源，以满足复杂需要的能力，是个体在解决现实复杂问题过程中表现出来的综合品质[1]。

一、化学问题解决的教学模型

化学问题解决的教学由创设问题情境（提出问题）、提供相关信息、学生自主学习、弥补性教学和变式练习与反馈5个环节组成，具体的化学问题解决教学模型如图l。

问题解决通常是由教师依据课标、教材、学生已有认知，将教学目标要求的知识以问题情境的形式提出。学生在面对问题情境时，会从已有认知结构中进行信息搜索，然而从头脑中搜取到的信息往往不能满足问题解决，所以需要教师向学生提供新信息来帮助问题解决。学生自主学习是在教师提供信息的基础上通过独立思考和合作学习来解决问题的过程。教师可以在弥补性教学中将未涉及到的内容介绍给学生，帮助构建完整的知识结构，培养学科核心素养。为了帮助学生强化新构建的认知结构，通常通过变式练习来进一步优化[2]。

二、基于问题解决的教学设计

1.教学内容分析

在新课程标准中“氮及其化合物”属于必修课程“常见的无机物及其应用”和“化学与社会发展”主题下，此部分内容承载着帮助学生结合真实情境或实验探究，了解氮及其化合物的主要性质，认识物质及其转化在促进社会文明发展中的重要价值，帮助学生构建“价一类”二维的认知模型[3]。“向空气要面包”一节在知识、能力、情感价值观方面的具体分析如图2。

2.学生情况分析

在该主题教学进行前，对实验班的学生进行了调查问卷和访谈，诊断出实验班学生存在以下障碍点：（1）学生可以构建出“价一类”二维模型，但是缺乏利用模型预测物质性质和物质转化的能力;（2）对生物固氮有所了解，但缺乏对“人工固氮”的认知;（3）知道氮肥有助于粮食增产，但对氮肥发展史知之甚少，更无法分辨各类氮肥的優劣和使用注意事项。

3.教学目标的确立

通过对高中阶段课程标准、教材的研究和学情的分析，制定了“向空气要面包”的教学目标如下：（1）通过如何向空气要面包的预测，培养学生初步应用“价一类”模型解决问题;通过如何获取硝态氮肥的活动，再次培养学生应用模型解决实际问题的能力;（2）通过喷泉实验、氨水热分解、白烟实验等，提升实验探究（包括实验设计、操作、现象观察）能力和证据推理能力;（3）通过由空气获取“面包”过程的研究，感受化学物质及其变化的价值，增强化学可促进生产发展的意识，化学可帮助我们建设美丽家园。

4.教学流程

本节围绕氨的性质，将教学过程分为4个教学环节（图3）：首先通过如何向空气要面包的提出，引出工业合成氨;然后围绕合成氨工厂如何进军氮肥业，引导学生从问题解决的视角探究氨的水溶性和碱性;在此基础上引导学生利用“价一类”模型，解决如何制备更优化的硝态氮肥;最后通过实验探究帮助学生解决铵态氮肥的施用注意事项。

三、基于问题解决的教学实施

1.教学环节l：向空气要面包

【学习情境】播放“如何解决粮食短缺”视频

视频内容：19世纪末世界人口激增，造成粮食短缺，故需要氮肥来增加粮食产量，虽然智利硝石可做氮肥，但储量有限，所以克鲁克斯向全球科学家发起了“向空气要面包”的号召。

【核心问题】如何响应克鲁克斯的号召“向空气要面包”呢？

【学生】通过讨论，学生提出可通过氧化法或还原法来固氮。

【资料】1.1905年，第一座电弧固氮工厂在挪威建成，但耗电量大，难以推广。2.1908年，哈伯在6000C、200个大气压、锇做催化剂的条件下合成了氨气，后以博施为代表的BASF公司团队解决了合成氨量产问题，1913年第一座合成氨工厂投产使用，哈伯、博施两人分获1918年、1931年诺贝尔奖[4]。

设计意图：通过“如何解决粮食短缺”视频，介绍本节课的研究背景，引发学生思考如何“由空气要面包”。由学生提出氧化、还原法固氮的设想，教师提供背景资料，介绍了电弧法固氮的弊端及“哈伯一博施”合成氨法，提升了学生的科学态度与社会责任核心素养，帮助学生构建氮的固定“价一类”二维模型。

2.教学环节2：合成氨工厂进军氮肥业

【资料】随着合成氨产业的发展，拥有该专利的BASF公司，急于拓宽市场，想要进军氮肥业。

【问题】当地农民会购买氨气直接做氮肥吗？氨气是否可溶于水，并伴有何变化？

【学生】通过同学间的讨论交流，获知氨的物理性质（状态、密度、溶解性等），通过氨与水的实验获知此过程中的化学反应。

【微型实验l】氨气溶水的喷泉实验

仪器：lOOmL圆底烧瓶（含NH3）、塑料瓶（带小孔）、双塞导管

操作：1.塑料瓶里装水至lOOmL，加入几滴酚酞试液;2.迅速取下圆底烧瓶（含NH3）的塞子，换上双塞导管，再将下面的胶塞插入塑料瓶中（实验装置如图4）;3.用手指堵住塑料瓶上的小孔，挤压塑料瓶，使少量水进入圆底烧瓶，然后松开手，观察实验现象。

【资料】建国初期《如何正确使用氨水化肥》的画册

画册内容：氨水化肥盛装在密封的陶罐中，且存放在阴冷的环境下。

【任务】根据以上资料，预测氨水可能具有怎样的性质？设计实验进行验证。

【实验2】氨水的热稳定性

操作：1.取少量实验l中的红色溶液于一支试管中;2.试管口挂上一条湿润的红色石蕊试纸，且试管口套上小气球;3.加热试管，观察实验现象。

【资料】氨水在一段时间内为我国的粮食增产作出了卓越贡献，然而因它易挥发、运输不便等原因，已逐渐淡出了消费市场。

【问题】气态的氨气无法做氮肥，液态的氨水也有弊端，那可如何转化，制得更优化的氮肥呢？

【学生】氨有碱性，应该能与酸作用，产物为盐，应该是固态的。

【微型实验3】氨与盐酸

仪器：小烧杯、保鲜膜、棉花团、胶头滴管

操作：在两个棉花团上分别挤上少量浓盐酸、浓氨水，迅速盖上保鲜膜。

设计意图：沿着历史上氮肥的发展脉络，介绍了氨水氮肥、铵态氮肥的制备和优劣，在研究“向空气要面包”的过程中不断地通过让学生设计实验、进行验证，来提升学生的科学探究和证据推理能力。

3.教学环节3：硝酸盐类氮肥的制备

【资料】20世纪初，BASF公司通过铵盐来抢占氮肥市场，然而，它们的氮肥销量并不理想，因为当地民众更喜欢使用以前智利硝石类的硝酸盐类氮肥。

【核心问题】如何由氨气获取硝酸盐类氮肥

【学生】通过“价一类”模型，NH3可被氧化为NO3，预测02可充当实现该转化的氧化剂。

【视频】氨气的催化氧化实验视频

设计意图：为解决氮肥发展中的瓶颈问题——如何制备硝酸盐类氮肥，通过问题的设置，让学生自觉地利用“价一类”二维模型去解决实际问题，通过对物质转化的大胆预测，实验验证，证实了自己预测的准确性，使学生体会到了历史上科学巨匠成功的喜悦。

4.教学环节4：铵盐类氮肥的正确使用

【资料】农民不喜欢使用铵盐类氮肥，因为在使用中常跑氨，与草木灰等碱性肥料共施肥效降低。

【問题】针对以上问题，预测铵盐可能具有哪些性质？如何设计实验进行验证。铵态氮肥使用注意事项？

【实验4】加热铵盐

操作：1.试管底部铺人氯化铵固体，试管中部加入裹有碱石灰的石棉绒;2.对试管底部的氯化铵加热，在试管口挂一条湿润的红色石蕊试纸，观察实验现象。

【实验5】氯化铵与氢氧化钙的反应

操作：1.自封袋中分别加入一钥匙氯化铵和氢氧化钙，自封袋口夹入一条湿润的红色石蕊试纸;2.封闭好自封袋，揉搓使两种固体充分混合。

设计意图：历史上，氮肥公司为了降低生产成本，鼓励农民群众使用铵态氮肥，所以针对铵态氮肥施用过程中的问题进行了研究，而本环节就是让学生体验科学研究的过程，学生们根据铵态氮肥的施用弊端，预测铵盐可能的性质，设计实验进行验证，培养学生的科学探究和证据推理核心素养。

四、教学反思

1.沿着历史发展脉络，研究真实问题

受“合成氨工业发展史”的启发，本教学设计沿着合成氨工业发展的脉络，选择历史上曾困扰人们的四个问题作为课堂教学的四个环节。20世纪初，人口激增，面临粮食短缺，因而克鲁克斯提出了“向空气要面包”的号召，进入环节l。随着氨气产量的增长，拥有该专利的公司渴望进军氮肥业，据此进入环节2。铵盐确可用来做氮肥，然而因其使用弊端，引导同学们进入环节3制备硝酸盐。硝态氮肥确实深受农民欢迎，但是成本也随即提高，故进入环节4铵态氮肥的正确使用。

2.活动层层递进，发展核心素养

本案例包括4个学习环节，每个环节包括2-3个学习活动，活动的设计指向学生的能力进阶，在活动中化学学科核心素养得以发展。学习环节1突出了物质的变化观念和从氧化还原视角的证据推理;学习环节2强调了利用科学探究研究物质性质;学习环节3从物质的变化角度提出问题，强化了物质“转化观”;学习环节4从物质转化、科学态度与社会责任两个角度研究问题。

参考文献

[1]叶建伟，洪兹田.基于“HPS”和“问题解决”教学思想培育学科核心素养的实践研究——以高中化学“化学电源”教学为例[J].中小学教学研究，2019（6）：51-54

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[3]胡乐乾，尹春玲.分析化学教学中问题解决教学模式的构建[J].广州化工，2019，47（ 20）：156-157

[4]刘化章.合成氨工业：过去、现在和未来[J].化工进展，2013，32（9）：1995-2005