STEM理念在化學實驗教學中的應用

李瑋 胡康妮 梁早東

摘 要：STEM是科學、技術、工程和數學四門課程的簡稱，強調多學科的交叉融合，旨在培養學生在科學、技術、工程及數學等方面的綜合素養，解決綜合性的實際問題。本文以人教版化學選修二“人工固氮技術—合成氨”為例，從合成氨的反應原理，合成氨的最佳反應條件，合成氨的基本生產過程以及合成氨的工業發展四個方面，將STEM理念滲透到教學設計中，促使學生綜合運用多種學科知識，以期更好地培養學生的創新精神、實踐能力及綜合素養。

關鍵詞：STEM理念;中學化學教學;合成氨;教學設計

STEM代表科學、技術、工程和數學這四門學科英文首字母的縮略詞。化學課程的STEM整合理念旨在將以化學內容為主，STEM中包含的科學、數學、技術等知識為輔，將各學科知識置于有吸引力的工程情境中。“人工固氮技術—合成氨”選自人教版高中化學選修2《化學與技術》第一單元中的內容，在課本內容的基礎上，本設計又增加了“探索合成氨的最佳條件”。合成氨工業是重要的化學工業之一，對生產和生活有著重要意義，同合成氨的反應也是在必修教材中學習到的一個重要的、典型的平衡體系，涉及到反應過程中速率問題以及反應的限度。在本課學習中，學生既可以聯系原有知識和生活實際來學習合成氨的工業制取，包括原料氣的獲取、凈化，反應中條件的選擇（從反應速率和反應限度兩方面綜合考慮）又可以從STEM的角度進一步探討工業合成氨生產中涉及的STEM要素。因此本課題是一節將學科知識和生產實際相結合的重要內容，是充分滲透STEM理念的一節內容。圍繞“人工固氮技術—合成氨”的內容，從STEM四個維度出發，本節教學設計以“任務為主線，教師為主導、學生為主體”的教學方式呈現，教師在某一種教學情境下提出問題，將STEM學科知識整合到某一化學核心任務中，學生以小組合作的方式運用STEM四方面的知識思考、討論與交流，從而解決化學問題，并最終獲得相應的科學知識。學生在解決問題的過程中，教師發揮指導、檢查、監督和評價作用。

任務一：合成氨的反應原理

【PPT導課】展示氮在自然界的循環圖。教師根據PPT上的內容對合成氨反應的意義以及在生產生活中的重要作用進行闡述，培養學生的科學精神和社會責任同時自然而然引出本節課學習內容。學生通過回顧《化學1》涉及的氮及其化合物的相關知識，對合成氨工業的基本原理能夠熟練掌握，并學會利用數學思維對可逆反應是否自發進行判斷，從而突出化學作為自然科學中的一員，其基本知識及原理對解決工程問題的重要指導作用。

任務二：探索合成氨的最佳條件

【小組合作探究】學生以小組為單位，結合表格中的相關數據，根據影響反應速率的因素和勒夏特列原理分析討論合成氨工業適宜的反應條件。

根據根據影響反應速率的因素和勒夏特列原理思考選擇合成氨的條件時，是不是壓強越高、溫度越低越好？在實際生產中怎樣選擇合成氨的最佳條件？引導學生從工程的角度思考理論知識和實際生產如何有效結合。從而得出需要根據實際情況選擇適宜的壓強跟溫度。此外為提高反應速率還需要加入催化劑，目前，合成氨工業普遍使用以活性鐵為主的多組分催化劑，又稱鐵觸媒。鐵觸煤在500℃左右活性最大。綜合考慮以上因素，實際生產中合成氨的適宜條件是溫度在500℃左右，壓強在20～50MPa之間，并以鐵觸媒為催化劑。

任務三：合成氨的基本生產過程

【設疑】如何獲得合成氨的原料氣？空氣中有充足的氮氣，可以通過液化空氣再蒸發分離出氧氣獲取氮氣，那么要通過什么工藝和技術來獲取氫氣呢？請從資源、能耗、成本、設備、環境等方面綜合考慮以下三種方案，選出最佳合成途徑。

方案一：電解水制取氫氣。

方案二：由煤或焦炭制取氫氣，原理為C+H2O=CO+H2。

方案三：由天然氣制取氫氣：CH4+H2O=CO+3H2;

制備好原料氣后，還需將原料氣進行凈化處理，以除去制備原料氣過程中產生的CO、CO2、O2、H2S等雜質氣體，一是為了得到純凈的原料氣，二是為了減少對空氣的污染。

【PPT投影】合成氨生產簡易流程圖和合成塔內部構造示意圖。凈化后的原料氣經過壓縮機壓縮至高壓，進入氨合成塔，氮氣與氫氣在高溫、高壓和催化劑的作用下合成氨。為得到氨氣，需將混合氣體中的氨冷卻使其液化，然后分離出來，剩余的氫氣與氮氣重新送到合成塔繼續反應。

任務四：合成氨工業的發展

自1913年世界上第一座合成氨廠投產以來，合成氨工業不斷發展，我們學習的只是合成氨知識庫中的冰山一角。假如你是一名合成氨工廠的廠長，為了更好地發展合成氨工廠，你還具備合成氨的哪些知識？請結合合成氨的發展史、原料氣的凈化工藝和技術、催化劑的改進、合成氨工藝所帶來的環境問題等方面查閱相關資料，課后同學之間分享。

平涼市教育科學規劃課題：新高考下STEM理念在中學化學實驗教學中的應用研究課題編號：【2019】PLG165