宫琦 武衍杰

摘要：技术发展是人类文明的强大动力，科学教育必须关注学生技术能力的发展。化学学科的实用性特点为实施技术教育提供了良好的平台。在有关技术教育内容已有研究基础上，从5个方面总结了面向技术教育的化学教学内容，选取“工业制硝酸”这一案例，进行了教学设计和实施，并为教师提供了大量“工业制硝酸”素材供参考。

关键词：技术教育;教学设计;工业制硝酸

文章编号：1008-0546（2020）10-0053-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3 969/j.issn.1008-0546.2020.10.015

技术发展是人类文明的强大动力，随着经济全球化、信息化时代的来临，培养科技创新人才已经成为国家培养人才的重要战略目标，2016年《国家中长期人才發展规划纲要（ 2010-2020）》明确提出要突出培养造就创新型科技人才。创新型科技人才的培养离不开技术教育，化学作为一门应用性极强的学科，其与技术的融合对人类文明和社会发展作出了重要贡献，基础化学教育理应承担技术教育的责任。新颁布的《普通高中化学课程标准（2017年版）》[1]也明确把“能深刻理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系，认识化学对社会发展的重大贡献”等作为课程目标之一。因此，化学课堂教学必须关注技术能力的发展。基于化学学科的实用性特点，抓住典型素材，对学生技术能力的提升可以起到事半功倍的作用。

一、化学教学技术教育的目标

技术取向的化学教学教给学生哪些与技术相关的内容，是基础教育阶段实施技术教育首要考虑的问题。吴俊明等研究者认为当代公民应具备如下四个层次的技术素养：（1）技术知识，包括技术概念、技术规则、技术原理等;（2）技术能力，包括按照规范操作、使用、理解技术的技能和能力;（3）技术思想、技术方法及技术设计，包括对过程、方法的关注，有明确的技术思路和技术的思想方法，能对技术活动作整体设计;（4）技术理性、技术评价及技术决策水平：具有批判意识、创新意识、风险意识、人本意识、社会意识和环境意识，既有工具理性更有价值理性，重视并能恰当地评价、决策和管理技术，注意避免滥用技术对人、社会和自然造成伤害[2]。何翔[3]基于技术素养内涵的四个层次在考察高中化学课程内容的基础上，从技术知识、技术能力、技术思想和方法设计、技术理性和评价决策等方面总结了高中阶段的技术教育内容。亓英丽、卢巍[4]基于技术哲学和中学生实际发展特点认为可以从技术知识、技术设计、技术实践、技术管理、技术思想观念等技术要素角度去分析和开发技术教育内容。《普通高中化学课程标准（2017年版）》[5]在选修系列课程中“化学与技术”主题的教学提示中提出“将生产和技术问题线索、技术知识线索、化学知识线索相融合，让学生在学习化学知识、技术知识的同时，建立从化学、技术、社会和环境等多角度综合考虑、系统分析的意识”。

虽然对技术教育内容的观点有不同的表述，但研究者都认为在实施技术教育的过程中既要关注与技术活动相关的设计、操作与优化，还包括进行设计、操作与优化所要掌握的知识和方法，以及技术活动中形成的思想观念，例如“绿色化学”“经济效益”等，这些思想观念可以理解为对技术流程进行改进或评价的不同视角。此外考虑中学化学教学实际，不可能像培养“化学工程”类人才一样走进化工厂教学，只能是以真实的化工生产过程等为研究对象，对化工生产的原理、流程等进行复原、模拟、评价等，这样的化学技术对学生相对陌生，激发技术学习兴趣是很关键的，因此可在课堂教学开始之前根据教学主题介绍或由学生课前调研授课内容涉及的化学技术的重要性，体会技术对社会发展的重要贡献。综上从表1所示的五个方面制定技术教育目标。

二、侧重技术教育的“工业制硝酸”教学设计

1.情景素材介绍

硝酸的生产工艺如图l所示，包括空气和氨气的压缩、制NOx、NOx与水反应吸收成硝酸、NOx与水反应的循环脱除尾气氮氧化物等四个步骤61。过程中，空气、氨的压缩和氮氧化物的吸收都采取高压的手段，因此又称为双高压法制硝酸。这种方法具有氨利用率高、吸收率高、尾气中NOx含量低实现了清洁排放等特点，并且整个过程中还能回收热能，利于培养学生能源循环利用、绿色化学的思想。

2.教学目标

“工业制硝酸”是重要的课程内容，高中化学必修课程中，“工业制硝酸”在三个版本《化学1》教材中都有提及，如人教版化学教材中“工业制硝酸”出现在第四章第4节“氨硝酸硫酸”;苏教版化学教材中以“问题解决”的形式呈现在专题四第二单元“生产生活中的含氮化合物”;鲁科版化学教材巾以“工业制硝酸”为情境设计了习题检测学生对“氮的循环”的掌握。本节课选自鲁科版《化学1》第三章第2节“氮的循环”。从技术教育内容开发的视角来看，工业制硝酸技术蕴含着不同价态含氮化合物之间的转化这一技术原理，学生可以借助氧化还原反应分析N2-NH3一NO-NO2-HNO3之间的转化路径;从原理性知识到真正获得硝酸产品涉及到技术设计路线问题;从理想设计到应用于工业实践需要考虑生产过程是否符合绿色化学思想，能否创造较高的经济效益等技术管理问题，是对技术的改进;硝酸的不稳定性以及较强的氧化性等性质就决定了要想真正进行工业生产必须关注技术细节，例如硝酸必须在低温条件下生成，工艺生产设备有特殊要求等，而冷的浓硝酸遇铁、铝等金属发生钝化为设备材料选择提供了路径。结合课程要求，“工业制硝酸”可以从以下几个方面开发教学内容，制定如表2的教学目标。

3.教学思路

结合硝酸生产工艺，以双加压法制硝酸为背景，将技术生产和化学知识线索相融合设置学习任务，形成了如图2所示的教学思路。教学分为两个课时，第一课时主要从技术情意和技术原理维度出发，了解硝酸的重要用途及其工业制硝酸原理，并让学生依据原理初步设计工艺流程;第二课时主要从技术改进维度对工艺流程改进，并对真实工艺流程作出评价。经实践有关“氨”的教学内容需提前完成，都放在这两个课时时间过于紧张。

4.教学实施

基于价类二维的物质转化已有大量成熟教学实践可供参考[7-9]，故这里仅以技术设计、技术改进、技术评价等环节为例呈现教学实施情况：

（1）规划技术设计

【教师过渡，提出问题】通过学习不同价态含氮元素物质之间的转化关系，我们已经从原理上找到了工业合成的氨气转化为硝酸的路径，你能用流程图的形式设计工业制硝酸的路径吗？

【学生活动】设计工业制硝酸的流程。

【教师活动】实物投影学生①②③④设计的流程图（选取了学生4类典型表现，见图3）。

【提出问题】试分析设计的流程在工业生产中的可行性如何？

【学生讨论、汇报】方案①通氧气成本高，也没有进行尾气处理;②产生的NO还可以用来氧化为NO2，可以再利用;③难以控制投料比;④如果循环次数过多会增加运营成本，如果尾气中NO量很少，还不如直接尾气吸收。

【教师讲解、提出问题】大家对设计②和④有疑问，关键是不知道实际过程中NO2的吸收率如何，图4是实验室模拟制硝酸过程，具体操作为先加热硬质试管中的催化剂，再把空气缓缓鼓入氨水中，带催化剂开始红热后，撤走酒精灯。请同学们预测D和E中的现象，并说明为什么催化剂红热后撤走酒精灯。

【学生汇报】D中出现红棕色，产生了NO2气体，E中溶液变红，因为生成了硝酸;撤掉酒精灯后催化剂也能保持红热，说明这个反应会释放热量。

【教师评价并提出新问题】很好，这是从原理上我们可以预测到的现象，但请同学们课下思考，实际在硝酸工艺中，生成的NO2能全部被水吸收吗？影响水吸收NO2的因素有哪些？放热反应又能给我们带来哪些设计启示？

【设计意图】展示学生的设计原型，外显学生对技术设计的理解，通过学生的设计，可以發现学生①基本没有体现任何技术能力，属于原理性知识的再现;学生②考虑了原料的价格，以及尾气的处理问题，具有简单技术设计能力;学生③停留在原理层面没有考虑实际操作的可能性;学生④考虑到了原料的循环利用问题，还解决了尾气处理的问题，但多次循环的运营成本问题没有考虑，可见学生的技术素养欠缺。通过模拟硝酸制备实验，希望学生能发现新的技术问题，思考技术原理与实际工业生产之间的差别，为下节课的如何吸收N02、如何实现清洁排放尾气等技术改进奠定基础。

（2）探讨技术改进

【衔接教学、提出问题】科学原理转化到技术生产需要我们考虑很多细节，比如经济效益、绿色环保等，上节课给同学们留下了关于NO2能否被水全部吸收的问题，谁能提供些设计的新想法？

【学生汇报】NO2不能完全被吸收，因为会生成NO;通入N02的速度快的话，N02可能来不及反应。

【教师追问】很好，同学们说的这些情况在实际生产中都会发生，那可以通过哪些方法促进二氧化氮的吸收呢？

【学生汇报】一般来说压强越大，在水中的溶解度越大，工业生产中在NO2的吸收环节可以采取加压的方法;采取加压的方法，如果一次吸收率很大的话，可以减少循环次数，减少成本;如果尾气中氮氧化合物的量很少的话，消耗的尾气处理试剂也大大减少，成本也会降低！

【证据支持】同学们想的非常正确，资料显示[10]当NO2的吸收采用高压（1.0- 1.5MPa），吸收率高达99.5%，生产酸浓度高达60%-70%，这时候经济技术指标最优，生产成本低，尾气中NOx含量低（最低达0.015%），并且是彻底的清洁技术;符合国际上的排放要求。

【问题】解决了NO2的吸收问题和尾气处理问题，实现了原料的利用最大化，还符合环保要求，这是技术改进上的一大进步，请同学们阅读教材81页，根据硝酸的相关性质，思考在生成硝酸的过程中，还应该关注哪些技术细节。

【学生汇报】硝酸受热不稳定，易分解为二氧化氮、氧气和水，所以生成硝酸时应让N02和H2O在低温下反应。

【追问】在工业生产中如何创造低温条件呢？

【学生汇报】给生成的NO2降温，可以先把NO2储存在一个冷却装置中;NO2是气体，大量储存对装置体积要求太大，能不能把气体直接通到温度很低的水中，这样生成的硝酸就很难分解了。

【教师评价并追问】把水通到冷却水中，这确实是工业制硝酸采取的一种方法，从能源利用的角度还有其他方法吗？

【学生汇报】氨的催化氧化需要在高温条件下进行，并且还是一个放热反应，因此生成的氮氧化物温度较高，可以设计一种类似球形冷凝器的装置把这些热量回收利用。

【证据支持】大家考虑的非常全面，这种能源循环利用的意识是非常重要的，工业生产硝酸的过程中为充分利用氨氧化过程中化学反应的热能，就是利用一种废热锅炉装置回收热量，每生产It硝酸，可向外输出动力蒸汽0.310t，达到了副产蒸汽自给有余的目的[11]。

【问题】根据我们对“工业制硝酸”的分析，请大家对自己设计的工艺流程重新进行优化。

【学生活动】优化工艺流程。

【教师梳理】对学生优化的工艺流程投影展示，呈现时作了整合（图5）。

【问题】根据我们优化后的工艺流程，如果投入生产，获得产品，生产硝酸的装置设备材料有哪些要求？

【学生】耐高温、高压和耐酸腐蚀。

【追问】可以选择哪种材料？

【学生】铜会比较好，铜不会和酸反应。

【教师活动】（演示铜与稀硝酸、浓硝酸反应的实验）硝酸具有很强的氧化性，几乎可以将所有金属（金、铂、钛除外）氧化，根据实验现象写出铜与稀、浓硝酸反应的化学方程式。

【学生】化学方程式书写。

【信息支持】硝酸的强氧化性决定了铜不能用来制作硝酸生产设备，请大家结合资料卡片（图6），根据硝酸的特性选择合适材料。

【学生】选择铁或铝。

【教师总结】Al、Fe在冷的浓硫酸、浓硝酸中其表面形成致密的氧化物薄膜而钝化，根据硝酸的这一特性可以选择铝或铁作为设备材料，特别是铸铁中加入硅更能大大增强其抗腐蚀性能。

【设计意图】从经济效益和绿色化学等角度引导学生对工艺流程进行优化和改进，培养学生技术管理能力。最后的优化流程任务可以基于学生表现评价其技术能力的发展，从学生优化后的工艺流程来看，“回收热量”“再利用”“达标排放”“加压”等字眼说明学生已经初步具备了“环境友好”“经济效益”等思维，“冷却水”说明学生关注了技术细节，能从产品性质出发设计操作过程。硝酸的强氧化性和遇铁、铝等金属发生钝化的特性是“工业制硝酸”中选用设备材料无法避免的问题，通过设置设备选材的任务，既承载硝酸相关性质的教学，又使学生认识到工艺生产中要考虑设备材料选择与成本问题，材料的选择首先要基于产品性质考虑，在此基础上再考虑材料价格，选取最优方案。

（3）进行技术评价

【信息支持并提出问题】对于“工业制硝酸”工艺我们学习了它的技术原理，进行了技术设计，并从“绿色化学”“经济效益”等环节进行了技术优化，还根据硝酸的性质考虑了各种技术细节，现在来看一下目前使用最广的“双加压法”硝酸制备工艺的真实流程（图1），跟我们的设计有哪些不同，從不同角度对这一生产流程进行评价。

【学生】和我们设计的流程很相似，实际流程考虑了更多细节，比如用到了氨压缩机，可以一次投料更多，还有离心泵及时分离出了产生的硝酸，可以使吸收率更高;实现了含氮化合物的循环利用;尾气符合标准直接排放，实现了清洁生产;多次冷却，冷却效果更好，热量回收更充分;如果硝酸厂和制氨厂建在一起，更能节约成本;……

【教师点评】点评并总结结束双加压法制硝酸的优点。

【设计意图】通过呈现硝酸真实生产工艺并与课堂优化设计作对比，让学生体会技术设计的成就感，让学生从不同角度对真实流程进行技术评价，可以让学生感受技术生产的复杂性。从原理到技术是～个不断优化革新的过程。通过学生的评价角度，诊断学生技术能力发展，从学生表现看，学生能关注技术细节，已经初步具备“经济、环保”的思想，特别是有学生提出硝酸厂和制氨厂建在一起，节约成本，更能体现对经济效益的关注。

三、结语

随着技术时代的到来，技术素养对现代公民愈发重要。通过实施技术取向的“工业制硝酸”教学可以发现，学生在技术设计并没有意识到技术原理与技术生产的区别，例如在流程设计中将物质转化过程视为技术流程。而技术时代的技术革新与发展对技术思维将提出更高的要求，这是作为教师应该反思的。虽然技术的复杂性决定了实施技术教育具有一定的难度，但也不应成为回避技术教育的理由，化学学科核心素养的培育技术教育不能缺席！

参考文献

[1][5]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

[2]吴俊明，于淼，骆红山.科学课程中的技术教育（一）[J].化学教学，2013 （4）：9-12

[3]何翔，促进学生技术素养发展的高中化学教学实践与思考[J].化学教育，2014，35（19）：14-18

[4] 亓英丽，卢巍.面向技术教育的化学教学设计——以“海带制碘”为例[J].化学教学，2018（5）：30-33

[6][10][11]王全文.硝酸工业的概况及发展趋势[J].大氮肥，2005（6）：361-364

[7]唐云波.从“知识本位”走向“素养为重”的元素化合物教学设计——以“硫及其化合物”教学为例[J].化学教学，2017（ 10）：35-40

[8]乔敏，张毅强.元素化合物教学设计的行动研究——“氮气和氮的固定”的教学设计探索[J].化学教育，2006（1）：30-33

[9] 梁东旺，杨欢.创设情境构建模型聚焦探究——基于化学学科核心素养的《硫和氮的氧化物》（第一课时）教学设计[J].中学教学参考，2018（11）：61-63

[12]杜春晓，孙志高，黄林林.浓硝酸装置生产过程中材料的选用及防腐措施[J].石油和化工设备，2013，16（8）：61-64