實施觀念建構教學 培育學生核心素養

江順

摘要：整合有關資料和多個優秀教案，并查閱大量化學史料及化工文獻，還原“真實”的科學研究歷史，創設待解決的真實問題情境，讓學生充分了解合成氨工業發展的主要線索，理解基本的化學概念和原理，認識化學現象的本質，理解化學變化的基本規律，形成有關化學科學的基本觀念，實施基于觀念建構的合成氨工業教學。通過宏觀辨識與微觀探析，建構變化觀念與平衡思想，進行證據推理和實驗探究，培養學生的化學核心素養。

關鍵詞：觀念建構；核心素養；合成氨工業；教學設計

文章編號：1005–6629（2017）4–0055–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

合成氨工業是滬教版第六單元《揭示化學反應速率和平衡之謎》第三節“化工生產能否做到又快又多”的教學內容，是化學反應速率和平衡理論聯系實際的成功范例。關于工業合成氨的教學設計大多沿襲以下思路：先分析合成氨反應的特點，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備的承受能力，解決工業生產適宜條件的選擇問題。這樣的教學雖然能體現化學反應原理對生產實踐的指導作用，卻無法使學生對合成氨工業的歷史背景及其重大意義有深刻的認識，學生體驗不到探索和發現的喜悅，感受不到創新思想形成的生動過程。知識的學習固然重要，但是通過具體知識的學習掌握從化學的視角認識身邊事物，解釋相關事實，分析和解決實際問題的的思想、方法、觀點才是化學教育的最終取向和追求。有關工業合成氨的研究先后三次獲得諾貝爾化學獎，其過程包含著化學家偉大的創造性和光輝的科學思想，筆者在本節課教學中通過宏觀辨識與微觀探析，建構變化觀念與平衡思想，進行證據推理和實驗探究，培養學生的化學核心素養。

2 化學基本觀念的形成與建構

中學化學課程要教給學生的不僅是知識的積累，更為重要的是觀念的建構。學生化學基本觀念的形成需要兩方面的相互結合。一方面，從形成基本觀念所需要的素材來看，必須有合適的、能有效形成化學基本觀念的核心概念以及能有效形成這些概念的相關化學知識；另一方面，從基本觀念形成的過程來看，必須為學生創設有利于基本觀念形成的探究活動。學生化學基本觀念的形成主要來源于以下三方面：一方面來自于學生對化學學科知識的反思概括，主要形成化學知識類的基本觀念，如元素觀、微粒觀、物質轉化觀、平衡觀等；另一方面來自于學生對化學探究過程、學習方法的反思，主要形成化學方法類的基本觀念，如實驗觀、分類觀、定量觀等；第三方面來自于學生對化學學科在社會生活中價值的認識和反思，主要形成化學情意類的基本觀念，如化學價值觀。這三方面相互促進、相互影響，從而構成化學基本觀念這一有機整體。

具體性知識是支撐觀念建構的工具和載體。教學和學習的目標是在具體性知識基礎上通過不斷概括提煉出觀念或觀念性知識，建構起學科的觀念體系。教學內容的選擇以觀念為核心，選擇能形成和體現這些觀念的具體性知識內容。觀念的建構需要學生在有意義的、真實的、具有挑戰性的學習環境中，以積極主動的態度，參與具有驅動性的問題討論和活動，獨立地或與同學、教師合作去探究并發現知識之間的聯系以及隱藏在事實背后的重要思想和觀點，最終建構起自己的觀念體系。

合成氨工業的最終目的是為了人類的生存，科學家們經過一個多世紀的不懈探索最終實現了“向空氣要氮肥”。這一過程傾注了化學家的智慧，體現了化學家的思想、觀點和方法，這些思想方法的集合構成了化學學科思想。化學教學中需要在引導學生學習化學知識的基礎上，從傳授事實、掌握知識轉變為發展觀念。從實驗室到工業化，圍繞動態平衡觀和辯證觀等核心觀念統籌熱力學和動力學理論知識進行生產條件的選擇和優化，進而形成解決此類問題的相對穩定的“大觀念”，最終形成一幅關于合成氨研究的全景圖，以便學生從科學的視角有效地處理日常生活中遇到的問題。

3 基于觀念建構的“合成氨工業”教學設計

筆者整合有關資料和多個優秀教案，并查閱大量化學史料及化工文獻，還原“真實”的合成氨研究歷史，創設真實問題情境，讓學生充分了解化學科學發展的主要線索，理解基本的化學概念和原理，認識化學現象的本質，理解化學變化的基本規律，形成有關化學科學的基本觀念。

3.1 合成氨反應的可行性探究

[情境] 1898年英國物理學家克魯克斯“先天下之憂而憂”，率先發出“向空氣要氮肥”的號召。

[問題]空氣中富含現成的氮氣和氧氣，而氫氣需要人工制備，為什么科學家不選擇氮氣和氧氣，而非得選擇氮氣和氫氣去合成氨呢？常溫下，氮氣與氫氣有可能合成氨氣嗎？

筆者提供學生兩個反應在一定溫度下的平衡常數，并由此展開討論。

[建構]首先，從元素的視角看物質世界是化學學科特有的思想方法。通過“元素觀”的建構，使學生主動地認識含氮元素的各種物質（如氫化物——單質——氧化物），以元素為核心建立起一種工業合成新物質的認識框架。其次元素化合物最核心的問題就是轉化，只有當學生掌握了轉化關系，才能解決制備、檢驗、工業設計等一系列的問題。通過“向空氣要氮肥”這一問題的討論，幫助學生建構物質轉化觀念，使學生進一步體會到化學反應是化學研究的一個中心問題，通過化學反應不僅能夠認識物質，而且還能合成物質，解決了資源匱乏的矛盾，彰顯了物質合成的社會價值。“化學平衡常數”雖然在滬教版高三拓展型課程教材中，但在本節課中作為素材以信息形式引入，主要目的是讓學生能借助化學平衡常數認識到“不同的化學反應限度不同，可以利用平衡常數進行定量表征和比較”，對化學反應的限度的認識由定性水平上升到定量水平。

[教學效果]表1引發了學生的激烈爭論，有的學生根據經驗，認為常溫下氮氣、氫氣不能合成氨氣，原因是微觀上合成氨的反應活化能太高，常溫下難以啟動；有的學生認為常溫下氮氣和氫氣反應的平衡常數很大，有可能合成氨氣。兩種觀點其實并不矛盾，前者是判斷化學反應的方向問題，是從熱力學角度根據反應的始態和終態判斷反應有沒有發生的可能性。正因為合成氨有可能發生，才促使科學家想方設法去解決反應的快慢和程度問題。如何盡快啟動反應，是動力學研究的問題，可以采取升溫（如表2）、加壓等措施。表1和表2引導學生能夠宏觀辨識物質的形態及變化，并且從物質的微觀層面探析其組成、結構和性質的聯系，也能從內因和外因、量變與質變等方面較全面地分析物質的化學變化。

3.2 合成氨工業條件的選擇與優化

[情境] 1907年，哈伯等人選擇鋨為催化劑，溫度約600℃，200個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驗室階段。著名的哈伯“循環”成功問世。鑒于合成氨的實現和研究對化學理論發展的推動，1918年諾貝爾化學獎授予了德國化學家哈伯。

[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氣、氫氣合成氨的反應速率？試想一下，在當時的歷史條件下，哈伯可能會面臨怎樣的困難？

[建構]勒夏特列原理是“對立統一”在動態平衡體系中的真實反映。通過建構對立統一和動態平衡的觀念考察、分析化學反應并預測在一定條件某一反應可能發生的變化。100多年前，德國化學家哈伯進人合成氨研究領域時，化學平衡理論已經建立。對于問題的設計和解決筆者特別關注了學生的認知發展，用圖表進行數據分析教學使學生的認識從定性走向定量，“定量觀”也是化學教學中需著力培養的學科觀念。筆者通過設計以下圖表（如圖1和圖2）指導學生尋找合成氨適宜的濃度、溫度和壓強。

通過引導學生討論溫度壓強等外界條件對化學反應速率和化學平衡狀態的影響，使學生關注到體系和環境中的多個要素之間的關系，對化學反應的限度的認識由孤立認識發展到系統認識；對化學平衡移動規律的討論，還能促使學生形成調控化學反應限度或化學平衡狀態的思路，對化學反應限度的認識從靜態認識上升到動態認識。

[教學效果]教師引導學生討論的以上問題也正是哈伯當年要解決的問題。學生很快能夠判斷出實現高轉化率所需的條件與實現高速率所需的條件相互矛盾，正因如此需要進行合成氨反應條件的選擇和優化。哈伯當年的工作就是通過一次次實驗摸索適宜的溫度、壓強和催化劑，既不能片面地追求高轉化率，也不能只追求高反應速率，應該尋找以較高的反應速率獲得適當平衡轉化率的反應條件。在教學中讓學生認識矛盾的普遍性和矛盾的辯證關系，既引導學生掌握化學的一般規律，又引導學生以普遍規律為指導，從事物的特殊性出發進行具體的分析研究。

3.3 實驗室專利轉化為工業生產力

[情境]德國BASF公司組織了以化工專家博施為首的工程技術團隊付諸實施。為了尋找高效穩定的催化劑，兩年間，博施團隊先后進行了多達6500次試驗，測試了2500種不同的配方，最后選定了使用鐵觸媒作為工業合成氨的催化劑。經過無數次的實驗，1913年雙層反應塔終于誕生了，實現了合成氨的工業化生產。鑒于他在發展高壓化學方面取得的成就，1931年獲諾貝爾化學獎。

[問題]面對催化劑的篩選和高壓問題的解決，一般應考慮哪些因素？

[建構]“可持續發展觀”是學生在有了一定的知識積淀后，對化學進行反思而形成的對化學價值的認識，對學生世界觀的形成有著深遠的意義，是化學學習的驅動性觀念。合成氨從實驗室專利到工業化生產，博施團隊當年面臨的最大困難是催化劑的篩選和解決高壓問題。化學實驗是進行科學探究的重要方式，鐵觸媒的發現和雙層合成塔的發明過程本身都承載著豐富的方法論，蘊含著豐富的科學精神和科學信念。教學中組織學生討論催化劑的篩選和高壓問題的解決時除了考慮反應速率和目標產物的產率以外，還應兼顧原材料的來源、穩定性、成本和安全保障等，研發新物質的同時也要關注到綠色化生產、能源危機等潛在的環境問題，樹立可持續發展的觀念。

[教學效果]本節課盡管沒有讓學生動手實驗，但動手實驗、動腦探究的思想頻頻貫穿于其中。筆者借助化學發展史，為學生創設真實的情境，還給學生一個真實的歷史，不僅能夠幫助學生切實體驗嚴謹的科學態度、科學精神，也能讓學生深刻體會到科學家之所以在某個領域取得非凡的成就，源于他們在該領域的興趣甚至癡迷，以及鍥而不舍的努力。這不正是學生所需要具備的科學素質嗎？

3.4 合成氨反應的微觀機理的實證研究

[情境]2007年諾貝爾化學獎獲得者是德國哈伯研究所的教授埃特爾，他在固體表面化學的研究領域中做出了開拓性的成就，其中一項工作是利用多種譜學技術對合成氨機理進行了實證。

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

能否試著解讀諾貝爾獎成果？暢想未來合成氨研究的領域還可能有哪些？

[建構]從宏觀上對物質變化進行描述，從微觀上對其解釋，宏觀與微觀的結合是化學學科的思維方式。本環節教學中筆者首先給出圖示做鋪墊，請學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知識，是物質的微觀組成和結構、反應機理等微觀領域在學習者頭腦中的總觀性認識。通過這一環節引導學生能通過觀察、辨識一定條件下物質的形態及變化的宏觀現象，也能從微觀角度去解釋反應的實質，并運用符號表征物質及其變化，建立解決復雜化學問題的思維框架。

[教學效果]這是一個激發學生想象力、培養其創新思維的環節。雖然學生對埃特爾使用的技術手段與原理理解得不那么透徹，但是他們認識到了一些被認為無法下手的難題，只要把靈感、創新與探索精神結合起來，就一定可以解決。圖中每一個“峰”和“谷”都對應著一個變化過程，需要學生形象思維和邏輯思維的完美結合。通過思維的碰撞，學生深刻感受到平時寫在化學方程式上方的不起眼的反應條件竟是科學家們歷經一百多年的艱辛和智慧的結晶，學生十分驚訝于宏觀上簡簡單單的一個化學方程式微觀上竟然那樣的奇妙和復雜，但并非變幻莫測。透過宏觀現象分析微觀本質是化學學科最具特征的思維方式，引導學生建立宏觀-微觀-符號三重表征的有機聯系，是化學教學的任務之一。學生的化學學習實質上是建構化學的三種表征，以及能在三種表征之間自由、靈活地轉換。

化學觀念的建立是為了提升學生的化學學科的核心素養，學生對物質的認識、變化分析過程中，都會用化學觀念去分析處理生產、生活中的問題，才能促進社會的和諧與發展。在化學教學中教師必須把化學最精髓、最本質的思想和觀念通過精心的設計讓學生去領悟，這對學生形成化學學科思想、增強認識能力、掌握科學方法、提高科學素養，無疑是非常有效的。

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