吴春亭 郑 璇

（福建省龙岩第一中学 福建 龙岩 364000）

新课程背景下，培养学生发现问题并解决真实情境中问题的能力是化学教师日常教学中的重要任务之一。在真实的情境中，涉及的问题是综合且复杂的，解决这类问题往往需要调用多种学科知识。因此，在高中化学教学中运用STEAM教育理念开展教学就较为适切。STEAM教育的理念可以概括为：以数学为基础，通过工程和艺术解读科学和技术。STEAM教育以基于项目的学习、基于问题的学习为主要教学（学习）方式，引导学生通过合作与实践，完成主题项目任务和解决生活中的难题。［1］文章以“尿素的工业制备”的教学实践为例，探讨基于STEAM教育理念发展化学学科核心素养的项目式教学设计。

一、教学主题内容及教学现状分析

“尿素的工业制备”是在鲁科版化学教材的基础上，结合新高考考查特点，以真实的工业流程为情境素材，以STEAM教育理念为指导，以粮食危机和粮食安全问题为切入点，在“氮元素及其化合物”的复习背景下，探讨氮肥家族中应用较为广泛的一种化学肥料（尿素）的工业生产流程。主要教学内容包括：结合化学史与相关数据进行工业合成尿素的原料选择；以NH3和CO2为原料制备尿素的工业条件选择；以NH3和CO2为原料制备尿素的实际工艺流程问题探究。

经检索文献发现，在已发表的文献中，同知识点内容多以“氨气的工业制备”“硝酸的工业制备”为情境素材，教学过程中多围绕单一反应进行速率和限度的分析，而目前高考相关问题的考查往往是基于多平衡体系。而且在已有教学设计中，为了简化课堂内容，便于学生接受，知识内容往往局限于本学科领域，对于相关数据和流程也进行了简化处理，导致学生思考问题的思维方式较为单一，对于综合性较强的情境问题不能快速准确地抽提出关键信息，不能从纷繁的数据中找出有用数据。

目前的教学中存在两个具体问题需要关注：一是学生如何自主构建思维模型并将其迁移到陌生情境中进行应用，二是学生能否通过简化后的数据和工业流程体会工程思维的缜密性和复杂性。

二、教学设计思想

STEAM教育理念强调在真实的问题情境中解决问题。化学学科不仅与经济发展、社会文明有密切联系，也是众多学科的重要基础。《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出了化学学科核心素养，倡导创设真实的问题情境，凸显学科内容的综合性，培养全面发展的高素质人才。从学科特点上来看，化学学科基础性、综合性和应用性较强的特点，与STEAM教育理念存在内在的一致性；从课程结构上来看，STEAM课程以整合为主，以工程为核心，［2］落实STEAM教育理念，往往以工程类问题为依托；从教学模式上来看，STEAM教学模式强调以真实情境为驱动，用项目式学习的方法展开小组活动是STEAM教育的显著特点。［3］项目式教学以解决真实问题为基础，将学习任务拆分成若干个学习项目，通过小组合作探究的模式完成学习项目。因此以真实的工业制备流程为情境素材，通过项目式教学的方式，融合STEAM教育理论，是在化学教学中落实化学学科核心素养的一个有效教学路径。

选择新颖的教学素材——尿素。尿素是一种广为人知的有机氮肥，在生活中也有广泛应用，制备尿素的原料是学生很熟悉的氨气和二氧化碳，符合课程标准中基于学生已有经验解决新情境下问题的要求。教学素材的选取注重保留实际生产过程中的工艺流程和数据参数，尽量还原真实的问题情境。教学环节结合了化学史的内容，旨在培养学生认识问题的新视角，有利于学生科学本质观的形成。教学环节的设计以及教学实施过程注意培养学生在真实情境中解决问题的能力、证据推理与模型认知的能力，以及借助互联网工具收集信息与资源整合的能力，并在分析过程中融入绿色化学思想等内容，培养学生的科学创新精神和社会责任。［4］本节课的创新之处在于充分挖掘了尿素的工业制备过程中需要考虑的一些实际问题，融入了科学、技术、工程、数学等内容，与STEAM教学理念高度契合。

三、教学目标

1.通过“尿素发现及合成”史实了解合成尿素的几种方式，进行溯源论证，选择合成尿素的原料；

2.通过相关资料结合具体的化学反应选择工业合成尿素的反应条件，培养变化观念与平衡思想；

3.通过工业合成尿素的条件选择，将各个反应步骤组装形成尿素工业生产的具体流程，培养工程思维；

4.通过对尿素工业合成的发展历程和实际生产过程的分析，培养学生的科学精神与社会责任，强化“绿色化学”思想；

5.通过讨论尿素工业合成的条件选择和工艺流程，抽提工业合成的基本思维模型，培养“证据推理与模型认知”学科核心素养。

四、主要教学流程与设计意图

为达成以上教学目标，设计了如表1所示的教学流程。

表1 主要教学流程与设计意图

五、教学实录

（一）选择合成尿素的原料

（1）情境引入

每年的10月16日是世界粮食日，粮食危机、粮食安全问题一直是我国以及全世界关注的热点问题，为了解决粮食问题，种子的培育和化肥工业的发展就显得尤为重要。

【教师】通过之前的资料查询，我国农业上常用的氮肥有哪些？

【学生】氨水、硝酸铵、碳酸氢铵、尿素……

【教师】今天我们主要了解有机氮肥中使用较广泛的肥料——尿素的工业生产流程。

（2）教师设问，学生进行猜想与假设

【教师】如何选择合成尿素的原料呢？

【学生】提出猜想与假设。

【教师】我们根据元素转化的思想提出了上面的几个假设，那如何确定我们的假设是否具有可行性呢？

【学生】做实验、查阅资料……

【教师】那请大家以小组为单位，派一名同学汇报你们之前所查阅的资料，并阐述你们是如何确定自己的原料选择方案的。

【学生】汇报、回答问题。

（3）回顾化学史，进行溯源论证

教师展示如图1所示的尿素合成的发展史。

图1 尿素的发现与合成发展史

【教师】维勒的方法可不可以应用到实际的工业生产中去？

【学生】可以，因为操作方法较简便。

给出资料卡1：氰酸是一种有挥发性和腐蚀性的液体，高毒。

【学生】好像又不行，此方法的安全系数不高。

【教师】巴扎洛夫的方法可不可以应用到实际的工业生产中去？

【学生】要考虑氨基甲酸铵的成本和性质。

给出资料卡2：氨基甲酸铵不稳定，易分解为氨和二氧化碳：NH2COONH4⇌2NH3↑+CO2↑

【学生】可以利用氨气和二氧化碳生成氨基甲酸铵。

（二）从NH3和CO2出发制备尿素

（1）给出信息，计算焓变

以NH3与CO2为原料可以合成尿素［CO（NH2）2］，涉及的化学反应如下：

【教师】根据上述反应，计算总反应的焓变。

【学生】ΔH=-100.5kJ·mol-1

（2）分析合成尿素的原料的来源

【教师】我们通过上述分析知道工业合成尿素的原料是NH3和CO2，这两种原料的来源是什么？

【学生】NH3的来源是工业合成氨，CO2来自于空气或者煅烧贝壳。

【教师】空气中的CO2含量是多少？

【学生】很少，那这个方法可能不太行。

给出资料卡3：

1.工业上合成氨的氢气主要来源于制氢工艺,

最常见的是煤气化：

2.也可以用天然气为原料生产：

CH4+H2O=CO+3H2CO+H2O=CO2+H2

【教师】为了使原料充分接触，加快反应速率，要如何进行预处理？

【学生】CO2要净化，提高反应效率、提高生产安全系数；液氨要进行雾化。

进料顺序：气液逆流。

（3）根据核心反应选择合成条件

活动1：根据核心反应I，分析在甲铵合成塔中要控制的反应条件。

【教师】如何选择甲铵合成塔中的操作条件？

给出资料卡4：从动力学上看，生成甲铵的反应属于快反应，几乎在瞬间即可达到化学平衡。在反应条件下，当NH3过量时，二氧化碳以极快的速度几乎全部转化为甲铵。

【学生】从速率角度看：反应速率已满足要求；从平衡角度看：及时转移反应热、增大压强。

给出资料卡5：甲铵只有在液态的时候反应速度才比较明显。

【教师】为了提高甲铵的利用率，要如何操作？

【学生】让甲铵保持液态，及时冷凝、加压。

活动2：根据核心反应II，分析在甲铵合成塔中要控制的反应条件。

【教师】如何选择尿素合成塔中的操作条件？

给出资料卡6：反应Ⅱ为速度较慢的弱吸热可逆反应，只有在液态时反应速度才较为明显，其平衡转化率为55%～80%。

【学生】速率：升高温度、增大压强、加入催化剂；平衡：升高温度、压强无明显影响。

【教师】依据图2所示，如何选择尿素合成塔中的温度？是否温度越高越好？

图2 尿素产率与催化剂活性、温度关系图

【学生】不是的，要权衡产率与催化剂活性的问题。

【教师】一般工业上合成温度控制在188～190℃；合成压强控制在14～15MPa。

【教师】总反应：

如何控制氨气和二氧化碳的比例？请先根据反应的特点进行分析再结合具体资料进行辅助验证。

【学生】按照方程式可以控制在2∶1。

给出资料卡7：①理论和实践表明，氨碳比每提高0.2，转化率提高约1%～1.5%；

②过量氨的回收必须与氨冷凝系统处理能力相匹配；

③合成塔中多相处于平衡状态，随着过量氨的增加，塔内平衡压力也随之升高，过量的氨要与操作压力相适应。

【教师】一般在实际的操作过程中，氨碳比控制在5.63左右。

【教师】在反应过程中有没有可循环利用的物质？

【学生】甲铵、氨、部分水和二氧化碳。

（三）认识NH3和CO2制备尿素的工艺流程

（1）学生讨论和总结以NH3和CO2制备尿素的工业流程框架图

【教师】结合前面的原料选择、反应条件选择和流程分析，请大家分组讨论，总结一下合成尿素的工艺流程并画出尿素工业制备的流程图。

【学生】小组讨论，总结前面的制备流程与过程，展示组内讨论成果。

（2）教师给出实际的工业流程图，进行分析讲解

【教师】图3是实际的工业流程图，请分析流程中各步骤的操作目的，并与我们绘制的流程图进行对比，分析有何不同。

图3 CO2循环法制备尿素的工业流程图

【教师】在上述流程中，哪些环节体现了原料的充分利用？

【学生】解吸池、高压洗涤、高压喷射器……

【教师】除了物质的循环利用，上述流程中还有什么方面的循环利用？

【学生】能量也可以循环利用。

【教师】在哪个环节体现？

【学生】蒸发加热和蒸发冷凝的热量可以循环。

（四）总结与提炼

根据学生的回答总结工业生产的一般研究思路，如图4所示。

图4 工业生产问题思维模型图

六、教学效果与反思

本节课以“尿素的工业合成”为载体，重点设置了三个教学环节，在教学环节中给学生布置了相应的学习任务，重点讨论合成尿素的原料选择和合成尿素的工艺流程，在前两个任务“选择制备尿素的原料”和“从NH3和CO2出发制备尿素”完成后，第三个任务的提出和解决就较为流畅和自然。课堂氛围较为热烈，学生活动的参与度和思维积极性较高，在模型的建立上也能较好地联系起自己之前的经验，从速率和平衡两个角度进行整体分析，并能较好地处理多重平衡体系的竞争关系。同时在后续的方案评价过程中也能从效率、工艺、成本、环境几个方面进行合理评价，课堂教学效果良好。

整节课设计中有以下几点反思

1.情境的选择和引入要适切

在第一个环节中，重点突出了科学史在化学学习中的重要应用，通过展示科学家的研究过程，给学生以启发。通过展示历史上科学家的发现和研究事实，体会科学研究的艰辛与乐趣。但在合成原料选择过程中，学生在巴扎洛夫和维勒的方案中选择困难，原因是二者在制备原理上都比较简洁，但学生没有考虑到氰酸的毒性问题和生产原料的成本问题。主要原因是学生前期在进行资料收集时，对于资料的收集过于宽泛和笼统。教师可以在课前给出几个明确的探究问题来指引学生的资料检索方向。

2.问题的设置要符合学生的认知特点和认知水平

教学素材的选取方面，加入了部分数学计算内容，并且提供了很多资料卡片来辅助学生思考和理解。同时也造成了课堂容量较大的问题，留给学生的思考时间较少。学生不能在短时间内认识到问题的本质，甚至陷入迷思状态。因此，在教学设计过程中要结合学生的认知特点与认知水平，设计符合课堂容量的问题，对于一些有难度的问题，可以拆分成几个子问题，通过问题梯度化的设计来解构重点和难点问题。

3.教学理念与教学策略的结合要有机且自然

本节课是以STEAM教育理念为主要理论依据而进行创设的，因此，在教学素材和教学情境的选择上努力彰显了STEAM教育理念。但在实施过程中，发现部分教学内容的选择过于迎合STEAM教育理念，导致教学环节衔接上不够自然，故教学理念与教学策略的结合要努力做到自然融通。

在新课程和新高考的实施过程中，培养学生在复杂的情境中解决真实问题的能力始终是化学教师的主要任务之一，在教学过程中融入STEAM教育理念，选择多学科融合的素材情境，有助于学生认识真实问题的本质，培养解决真实复杂问题的思维能力与探究能力。