实施观念建构教学,培育学生核心素养

摘要：整合有关资料和多个优秀教案，并查阅大量化学史料及化工文献，还原“真实”的科学研究历史，创设待解决的真实问题情境，让学生充分了解合成氨工业发展的主要线索，理解基本的化学概念和原理，认识化学现象的本质，理解化学变化的基本规律，形成有关化学科学的基本观念，实施基于观念建构的合成氨工业教学。通过宏观辨识与微观探析，建构变化观念与平衡思想，进行证据推理和实验探究，培养学生的化学核心素养。

关键词：观念建构；核心素养；合成氨工业；教学设计

文章编号：1005–6629（2017）4–0055–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

合成氨工业是沪教版第六单元《揭示化学反应速率和平衡之谜》第三节“化工生产能否做到又快又多”的教学内容，是化学反应速率和平衡理论联系实际的成功范例。关于工业合成氨的教学设计大多沿袭以下思路：先分析合成氨反应的特点，再分别从速率角度和平衡角度讨论合成氨的适宜条件，最后综合速率、平衡的影响因素以及设备的承受能力，解决工业生产适宜条件的选择问题。这样的教学虽然能体现化学反应原理对生产实践的指导作用，却无法使学生对合成氨工业的历史背景及其重大意义有深刻的认识，学生体验不到探索和发现的喜悦，感受不到创新思想形成的生动过程。知识的学习固然重要，但是通过具体知识的学习掌握从化学的视角认识身边事物，解释相关事实，分析和解决实际问题的的思想、方法、观点才是化学教育的最终取向和追求。有关工业合成氨的研究先后三次获得诺贝尔化学奖，其过程包含着化学家伟大的创造性和光辉的科学思想，笔者在本节课教学中通过宏观辨识与微观探析，建构变化观念与平衡思想，进行证据推理和实验探究，培养学生的化学核心素养。

2 化学基本观念的形成与建构

中学化学课程要教给学生的不仅是知识的积累，更为重要的是观念的建构。学生化学基本观念的形成需要两方面的相互结合。一方面，从形成基本观念所需要的素材来看，必须有合适的、能有效形成化学基本观念的核心概念以及能有效形成這些概念的相关化学知识；另一方面，从基本观念形成的过程来看，必须为学生创设有利于基本观念形成的探究活动。学生化学基本观念的形成主要来源于以下三方面：一方面来自于学生对化学学科知识的反思概括，主要形成化学知识类的基本观念，如元素观、微粒观、物质转化观、平衡观等；另一方面来自于学生对化学探究过程、学习方法的反思，主要形成化学方法类的基本观念，如实验观、分类观、定量观等；第三方面来自于学生对化学学科在社会生活中价值的认识和反思，主要形成化学情意类的基本观念，如化学价值观。这三方面相互促进、相互影响，从而构成化学基本观念这一有机整体。

具体性知识是支撑观念建构的工具和载体。教学和学习的目标是在具体性知识基础上通过不断概括提炼出观念或观念性知识，建构起学科的观念体系。教学内容的选择以观念为核心，选择能形成和体现这些观念的具体性知识内容。观念的建构需要学生在有意义的、真实的、具有挑战性的学习环境中，以积极主动的态度，参与具有驱动性的问题讨论和活动，独立地或与同学、教师合作去探究并发现知识之间的联系以及隐藏在事实背后的重要思想和观点，最终建构起自己的观念体系。

合成氨工业的最终目的是为了人类的生存，科学家们经过一个多世纪的不懈探索最终实现了“向空气要氮肥”。这一过程倾注了化学家的智慧，体现了化学家的思想、观点和方法，这些思想方法的集合构成了化学学科思想。化学教学中需要在引导学生学习化学知识的基础上，从传授事实、掌握知识转变为发展观念。从实验室到工业化，围绕动态平衡观和辩证观等核心观念统筹热力学和动力学理论知识进行生产条件的选择和优化，进而形成解决此类问题的相对稳定的“大观念”，最终形成一幅关于合成氨研究的全景图，以便学生从科学的视角有效地处理日常生活中遇到的问题。

3 基于观念建构的“合成氨工业”教学设计

笔者整合有关资料和多个优秀教案，并查阅大量化学史料及化工文献，还原“真实”的合成氨研究历史，创设真实问题情境，让学生充分了解化学科学发展的主要线索，理解基本的化学概念和原理，认识化学现象的本质，理解化学变化的基本规律，形成有关化学科学的基本观念。

3.1 合成氨反应的可行性探究

[情境] 1898年英国物理学家克鲁克斯“先天下之忧而忧”，率先发出“向空气要氮肥”的号召。

[问题]空气中富含现成的氮气和氧气，而氢气需要人工制备，为什么科学家不选择氮气和氧气，而非得选择氮气和氢气去合成氨呢？常温下，氮气与氢气有可能合成氨气吗？

笔者提供学生两个反应在一定温度下的平衡常数，并由此展开讨论。

[建构]首先，从元素的视角看物质世界是化学学科特有的思想方法。通过“元素观”的建构，使学生主动地认识含氮元素的各种物质（如氢化物——单质——氧化物），以元素为核心建立起一种工业合成新物质的认识框架。其次元素化合物最核心的问题就是转化，只有当学生掌握了转化关系，才能解决制备、检验、工业设计等一系列的问题。通过“向空气要氮肥”这一问题的讨论，帮助学生建构物质转化观念，使学生进一步体会到化学反应是化学研究的一个中心问题，通过化学反应不仅能够认识物质，而且还能合成物质，解决了资源匮乏的矛盾，彰显了物质合成的社会价值。“化学平衡常数”虽然在沪教版高三拓展型课程教材中，但在本节课中作为素材以信息形式引入，主要目的是让学生能借助化学平衡常数认识到“不同的化学反应限度不同，可以利用平衡常数进行定量表征和比较”，对化学反应的限度的认识由定性水平上升到定量水平。

[教学效果]表1引发了学生的激烈争论，有的学生根据经验，认为常温下氮气、氢气不能合成氨气，原因是微观上合成氨的反应活化能太高，常温下难以启动；有的学生认为常温下氮气和氢气反应的平衡常数很大，有可能合成氨气。两种观点其实并不矛盾，前者是判断化学反应的方向问题，是从热力学角度根据反应的始态和终态判断反应有没有发生的可能性。正因为合成氨有可能发生，才促使科学家想方设法去解决反应的快慢和程度问题。如何尽快启动反应，是动力学研究的问题，可以采取升温（如表2）、加压等措施。表1和表2引导学生能够宏观辨识物质的形态及变化，并且从物质的微观层面探析其组成、结构和性质的联系，也能从内因和外因、量变与质变等方面较全面地分析物质的化学变化。

3.2 合成氨工业条件的选择与优化

[情境] 1907年，哈伯等人选择锇为催化剂，温度约600℃，200个大气压的不寻常的高压条件下，第一次成功制取了氨，从而使合成氨有可能迈出实验室阶段。著名的哈伯“循环”成功问世。鉴于合成氨的实现和研究对化学理论发展的推动，1918年诺贝尔化学奖授予了德国化学家哈伯。

[问题]若想提高氨在平衡混合气中的含量，可以采取哪些措施？哪些措施能够加快氮气、氢气合成氨的反应速率？试想一下，在当时的历史条件下，哈伯可能会面临怎样的困难？

[建构]勒夏特列原理是“对立统一”在动态平衡体系中的真实反映。通过建构对立统一和动态平衡的观念考察、分析化学反应并预测在一定条件某一反应可能发生的变化。100多年前，德国化学家哈伯进人合成氨研究领域时，化学平衡理论已经建立。对于问题的设计和解决笔者特别关注了学生的认知发展，用图表进行数据分析教学使学生的认识从定性走向定量，“定量观”也是化学教学中需着力培养的学科观念。笔者通过设计以下图表（如图1和图2）指导学生寻找合成氨适宜的浓度、温度和压强。

通过引导学生讨论温度压强等外界条件对化学反应速率和化学平衡状态的影响，使学生关注到体系和环境中的多个要素之间的关系，对化学反应的限度的认识由孤立认识发展到系统认识；对化学平衡移动规律的讨论，还能促使学生形成调控化学反应限度或化学平衡状态的思路，对化学反应限度的认识从静态认识上升到动态认识。

[教学效果]教师引导学生讨论的以上问题也正是哈伯当年要解决的问题。学生很快能够判断出实现高转化率所需的条件与实现高速率所需的条件相互矛盾，正因如此需要进行合成氨反应条件的选择和优化。哈伯当年的工作就是通过一次次实验摸索适宜的温度、压强和催化剂，既不能片面地追求高转化率，也不能只追求高反应速率，应该寻找以较高的反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。在教学中让学生认识矛盾的普遍性和矛盾的辩证关系，既引导学生掌握化学的一般规律，又引导学生以普遍规律为指导，从事物的特殊性出发进行具体的分析研究。

3.3 实验室专利转化为工业生产力

[情境]德国BASF公司组织了以化工专家博施为首的工程技术团队付诸实施。为了寻找高效稳定的催化剂，两年间，博施团队先后进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了使用铁触媒作为工业合成氨的催化剂。经过无数次的实验，1913年双层反应塔终于诞生了，实现了合成氨的工业化生产。鉴于他在发展高压化学方面取得的成就，1931年获诺贝尔化学奖。

[问题]面对催化剂的筛选和高压问题的解决，一般应考虑哪些因素？

[建构]“可持续发展观”是学生在有了一定的知识积淀后，对化学进行反思而形成的对化学价值的认识，对学生世界观的形成有着深远的意义，是化学学习的驱动性观念。合成氨从实验室专利到工业化生产，博施团队当年面临的最大困难是催化剂的筛选和解决高压问题。化学实验是进行科学探究的重要方式，铁触媒的发现和双层合成塔的发明过程本身都承载着丰富的方法论，蕴含着丰富的科学精神和科学信念。教学中组织学生讨论催化剂的筛选和高压问题的解决时除了考虑反应速率和目标产物的产率以外，还应兼顾原材料的来源、稳定性、成本和安全保障等，研发新物质的同时也要关注到绿色化生产、能源危机等潜在的环境问题，树立可持续发展的观念。

[教学效果]本节课尽管没有让学生动手实验，但动手实验、动脑探究的思想频频贯穿于其中。笔者借助化学发展史，为学生创设真实的情境，还给学生一个真实的历史，不仅能够帮助学生切实体验严谨的科学态度、科学精神，也能让学生深刻体会到科学家之所以在某个领域取得非凡的成就，源于他们在该领域的兴趣甚至痴迷，以及锲而不舍的努力。这不正是学生所需要具备的科学素质吗？

3.4 合成氨反应的微观机理的实证研究

[情境]2007年诺贝尔化学奖获得者是德国哈伯研究所的教授埃特尔，他在固体表面化学的研究领域中做出了开拓性的成就，其中一项工作是利用多种谱学技术对合成氨机理进行了实证。

[问题]其实合成氨反应还并不这样简单和直观，埃特尔利用多种实验技巧检测到了合成氨反应过程中的各种中间体，并绘制出了如图3所示反应过程的能量图。

能否试着解读诺贝尔奖成果？畅想未来合成氨研究的领域还可能有哪些？

[建构]从宏观上对物质变化进行描述，从微观上对其解释，宏观与微观的结合是化学学科的思维方式。本环节教学中笔者首先给出图示做铺垫，请学生描述合成氨的大体微观过程。如图4所示。

微粒观来自于具体的化学知识，是物质的微观组成和结构、反应机理等微观领域在学习者头脑中的总观性认识。通过这一环节引导学生能通过观察、辨识一定条件下物质的形态及变化的宏观现象，也能从微观角度去解释反应的实质，并运用符号表征物质及其变化，建立解决复杂化學问题的思维框架。

[教学效果]这是一个激发学生想象力、培养其创新思维的环节。虽然学生对埃特尔使用的技术手段与原理理解得不那么透彻，但是他们认识到了一些被认为无法下手的难题，只要把灵感、创新与探索精神结合起来，就一定可以解决。图中每一个“峰”和“谷”都对应着一个变化过程，需要学生形象思维和逻辑思维的完美结合。通过思维的碰撞，学生深刻感受到平时写在化学方程式上方的不起眼的反应条件竟是科学家们历经一百多年的艰辛和智慧的结晶，学生十分惊讶于宏观上简简单单的一个化学方程式微观上竟然那样的奇妙和复杂，但并非变幻莫测。透过宏观现象分析微观本质是化学学科最具特征的思维方式，引导学生建立宏观-微观-符号三重表征的有机联系，是化学教学的任务之一。学生的化学学习实质上是建构化学的三种表征，以及能在三种表征之间自由、灵活地转换。

化学观念的建立是为了提升学生的化学学科的核心素养，学生对物质的认识、变化分析过程中，都会用化学观念去分析处理生产、生活中的问题，才能促进社会的和谐与发展。在化学教学中教师必须把化学最精髓、最本质的思想和观念通过精心的设计让学生去领悟，这对学生形成化学学科思想、增强认识能力、掌握科学方法、提高科学素养，无疑是非常有效的。

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