主題式教學的實踐與思考

華麗芬

摘要：以“合成氨”反應為載體開展主題式教學，設計并實施了“了解反應的限度”“理解反應的限度”和“突破反應的限度”三個教學環節，拓展了學生對化學反應的認識角度，促進了學生學科能力及素養的發展。

關鍵詞：主題式教學;化學反應的限度;合成氨

文章編號：1008-0546（2019）11-0068-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2019.11.018

一、研究背景

1.主題式教學設計

主題式教學設計是以主題為軸，用真實情境表達教學主題，用教學主題體現教學目標和教學要求，用教學目標和教學要求刺激和滿足學生的認知和非認知發展需求的一種整體性教學設計[1]。在教學中，教師可以圍繞某一主題進行相關學科知識的整合，引導學生進行主體性的學習和探究，使學生的認知發生有效遷移，提高學生解決問題和主動探究的能力，真正實現“以生為本”的教學理念。

2.教材與學情分析

（1）教材分析

“化學平衡”是高中化學概念原理的核心內容，涉及高一、高二、高三3個年段的進階教學，包含新授課和復習課兩種課型?！盎瘜W反應的限度”是“化學平衡”的初階（其教學要求見表1），是高一學生認識化學反應的重要角度，學生通過這部分內容的學習能夠初步掌握調控反應的方法，為今后深入學習化學平衡的移動、平衡常數等內容打下基礎。銨作為氮肥使用，但由于產量少，價格貴，遠遠解決不了人口激增、糧食短缺的社會問題。于是科學家們將目光轉向空氣，以極大的熱情投入到將氮氣轉化為氨再生產氮肥的研究中。但是研究初期，在當時的理論基礎和實驗條件下，研究工作卻陷入困境?？茖W家們發現用氮氣和氫氣合成氨氣，反應很慢，產量極少，根本達不到工業化生產的要求。

[教師活動]合成氨反應究竟是一類怎樣的反應，科學家們能否解決難題，實現合成氨的工業化生產呢？

[學生活動]①取1滴管O.1mol/L的KI溶液于試管中，向其中加入2滴O.1mol/L的FeCl3溶液，充分振蕩;②繼續向上述溶液中加入約等體積的CC14，充分振蕩后靜置;③在上層清液中滴加1滴KSCN溶液。

[學生表現]觀察實驗現象：①中溶液變黃;②分層，下層紫紅色;③溶液變成血紅色。

思考后得出結論：Fe3+不能完全轉化為Fe2+。

[設計意圖]通過實驗，讓學生親身感受有這樣一類反應：在同一反應條件下，既可以向正反應方向進行，同時又可以向逆反應方向進行，反應有一定的限度，反應物不能完全轉化為生成物，這類反應就是可逆反應。

[教師活動]你還能列舉哪些可逆反應？

[學生活動]踴躍上黑板書寫其他可逆反應，氣氛熱烈。其中一位學生寫了合成氨反應。

[教師活動]合成氨反應也是可逆反應，氮氣和氫氣在合成氨氣的同時，氨氣也在分解，而科學家們在研究初期，正是由于對這個反應的特點缺乏了解，研究才會陷入困境，所以我們還需要更加深入地研究這個反應。

環節二：理解反應的限度

[情境2] 450℃時，往一個2L的密閉容器中充入1molN2和2.6molH2，反應過程中對NH3的濃度進行檢測，得到的數據如表2所示：

[教師活動]①氨氣的濃度呈現怎樣的變化規律？

②假設氮氣和氫氣完全反應，理論上能獲得氨氣多少mol？

③實際最多獲得氨氣多少mol？

④氮氣和氫氣的濃度又會有怎樣的變化？

[學生活動]在教師的逐步引導下，學生積極思考，細心演算。計算結果如表3所示。

[學生表現]①能根據圖表數據說出氨氣的濃度變化規律：先遞增后保持不變。

②小部分同學未注意到氮氣和氫氣的物質的量之比不是1：3，出現計算錯誤。

③能理解“最多”的含義：0.20mol/L為氨氣濃度的最大值，并運用公式計算得出正確結果。

④小部分同學應用“三段式”計算還不熟練，在規定時間內無法完成。

[設計意圖]通過對數據的比較、分析、處理，深入挖掘“可逆反應”的概念價值，培養學生的證據意識。

[教師活動]請以時間（t）為橫坐標，濃度（c）為縱坐標，畫出各物質濃度變化曲線圖。

[學生活動]動筆繪圖，信心滿滿。

[學生表現]能根據氮氣、氫氣、氨氣濃度變化畫出濃度（c）-時間（t）圖。

[設計意圖]通過繪圖，讓學生建立化學平衡的認知模型，更容易地理解化學平衡的特征。

[教師活動]當反應物和生成物的濃度不再變化，可逆反應就達到了最大限度，此時反應是否就停止了呢？

[學生活動]有的說反應停止了，有的說沒有停止。

[學生表現]以學生的認知水平，無法理解化學平衡是一種動態平衡，所以教師繼續引導。

[教師活動]我們還可以繪制氨氣的生成速率（正反應速率）與分解速率（逆反應速率）隨時間變化的速率（v）一時間（t）圖（學生繪圖見圖2）。當正反應速率和逆反應速率相交時，表示正反應速率與逆反應速率相等且不為0，此時反應物和生成物的濃度不再變化，可逆反應達到最大限度，即化學平衡狀態，所以化學平衡是動態平衡。

[學生活動]觀看噴泉池持續噴水，而水面沒有上升的視頻加深理解。

[教師活動]合成氨反應的工業化之路之所以困難重重，與這個反應是可逆反應，到達平衡狀態產物就不會增加有關。如果要大量生產氨氣，你是希望這個反應保持平衡狀態還是打破平衡狀態？往哪個方向移動才能獲得更多的氨氣？

[學生表現]想法一致：必須打破化學平衡狀態，往正反應方向移動才能獲得更多的氨氣。

[設計意圖]化學平衡狀態的五大特征：“逆”“等”“動”“定”“變”，前四個特征已經呈現出來，如何展現“變”（即改變外界條件化學平衡發生移動）這一特征？如果認為這是高二、高三的教學任務而直接采用告知學生的傳統方式，就背離了新課程改革的初衷，所以教師的教學方式也要“變”。

環節三：突破反應的限度

[情境3]19世紀下半葉，物理化學的巨大進展使人們認識到：合成氨反應是可逆的。法國化學家勒夏特列為合成氨奠定了理論基礎，他是第一個試圖在高壓條件下合成氨的科學家，但是由于氮氫混合氣中混入氧氣引起爆炸，使他放棄了實驗。德國物理化學的權威能斯特，選擇鉑粉、錳作催化劑，在685℃，50atm下得到0.96%（在平衡混合氣中所占體積分數）的氨。德國化學家哈伯與能斯特幾乎同時嘗試合成氨。1907年，哈伯選擇鋨作催化劑，在550℃，150-250atm下得到8.25%的氨。

[教師活動]哈伯與能斯特的實驗方法有何相似之處？哈伯為什么能獲得更多氨氣？給你哪些啟示？

[學生活動]踴躍回答，氣氛熱烈。

[學生表現]①能說出相似之處：使用催化劑、高溫、高壓。

②哈伯使用的催化劑與能斯特不同，還降低了溫度，增大了壓強。

③勒夏特列因為害怕而錯過合成氨反應的重大發現，有些可惜，但成功總是留給能堅持到底的人。

[設計意圖]雖然學生沒有學習過勒夏特列原理，不清楚催化劑是不會影響平衡移動的，但是從情境素材的對比中，學生能得出降溫、加壓有利于合成氨反應正向移動，能初步解釋化工生產中反應條件的選擇問題，提升了學生的成就感，也在今后選修化學的學生心中埋下了一顆好奇的種子。

[情境4]1909年，哈伯又提出“循環操作”的工藝技術，進一步提高合成氨的產率。同年，德國BASF公司買下了合成氨的專利權。隨后，化學家兼工程師博施帶領他的團隊攻堅克難，經歷了6500多次的催化劑篩選實驗，發明了耐高溫高壓的雙層反應釜，終于在1913年9月9日，建成了第一座合成氨工廠，開創了工業合成氨的時代。哈伯和博施分別獲得1918年和1931年諾貝爾化學獎。

[學生活動]全班鼓掌。

[設計意圖]化學科學的發展是人類智慧的結晶，是一代又一代化學人不畏艱險、百折不回、勇于實踐創新的結果，化學學科帶給學生的不僅是知識的進化和思維的啟發，更是一種力量的支撐、精神的鞭笞和創造的信念。

三、教學反思

主題式教學的開展對教師的要求較高，教師要有更開闊的視野、更長遠的考量，不能僅局限在眼前知識的講解，更應著眼于如何提升學生核心素養以適應未來發展的多樣化需求上。所以在進行教學設計的時候，教師要能打破不同單元、不同年段、不同學科之間的壁壘，將相關內容進行梳理、整合，通過創設情境、實驗探究、證據推理等環節，提升學生的思維品質。

“化學平衡”內容貫穿高巾三個年段，“合成氨反應”在必修模塊的“氨氣的制備”“化學反應的限度”，選修模塊的“化學平衡的移動”中多次出現，是極具有學科價值的一個經典反應，本節課圍繞“合成氨反應”開展教學，既是主題式教學的一次嘗試，更是對科學家們的致敬。

為了及時掌握學生對于化學平衡狀態的理解程度，本堂課最后設置了一個反饋環節：在一定條件下，恒溫恒容密閉容器巾進行可逆反應：N2+3H2催化劑2NH3，下列能說明該反應已經達到化學平衡狀態的是____。

A.單位時間內生成n mol N2同時生成3n mol H2

B.單位時間內生成n mol N2同時消耗3n mol H2

C.容器巾N2、H2、NH3的濃度之比為1：3：2

D.容器巾N2、H2、NH3的濃度保持不變

C選項通常是學生易選的一個錯誤選項，雖然通過習題強化能提高應試技巧，但是本堂課通過環節二的鋪墊，教師引導學生運用數據素材開展了概括關聯、比較說明等活動，所以絕大多數學生沒有“踩雷”，學習效果顯著。

參考文獻

[1]袁頂國，朱德全.論主題式教學設計的內涵、外延與特征[J].課程·教材·教法，2006，26（ 12）：19-23