在實際問題解決中發展學生的化學學科核心素養——以高三復習課“水體中氨氮的去除”為例

北京 戚 娜 王 哲

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)要求學生能以酸雨的防治和廢水處理為例體會化學對環境保護的作用，了解減少污染物的原理和方法，能用數據、圖表、符號等描述實驗證據并據此進行分析推理形成結論。高三學生經過高中兩年的學習，元素化合物知識、氧化還原理論、化學平衡理論等知識儲備相對豐富，但是將這些知識遷移到解決陌生、真實情景下的實際問題有較大的困難。學生利用化學學科思想和方法解決實際問題的思路還不成熟，由于化學知識和實際問題的解決方法不能有機地融合，學生很難在已有知識和實際問題解決方法中自由切換。為了更好地幫助學生擺脫困擾，教師在高三化學總復習階段，選取真實的情境素材，進行提升學生實際問題解決的教學實踐非常必要。

一、基于問題解決的知識分析及教學目標

1.知識內容結構

圖1 “水污染及治理”知識內容結構

①以氨氮為載體，提煉解決問題的思路和方法

②依據論據推理，提高學生的證據意識和推理能力

③體會化學在改善人類生存環境、促進社會進步中的重要作用。

2.教學目標及教學重點難點

根據《課程標準》要求及教學內容確立以下教學目標和教學重點難點

②通過對文獻中圖表和數據的分析，提升利用平衡思想及證據推理解決實際問題的能力。

③在分析、推理、解決問題過程中，增強證據意識、科學精神與社會責任感。

二、“水體中氨氮的去除”課例設計與實踐

(一)教學整體思路

圖2 教學流程圖

(二)主要教學過程分析

1.教學環節——提出問題

[師]養魚先養水，水怎么養，最關鍵的是養好氮循環系統。可以利用硝化菌和闖缸魚促進氮循環系統的形成，促進亞硝酸鹽、氨氮的轉化來減少危害。由小魚缸放大到江河湖海，廢水中氮元素的隨意排放會引起赤潮、水華。由此提出本節課的實際問題：水體中氨氮的去除。

2.教學環節——解決問題

學生思考回答：

[生1]加堿將其轉變為NH3

[生2]加氧化劑轉變為N2

[生3]加入硝化菌和反硝化菌

[師]同學想到的這幾種方法也是工業中常用的方法，如圖3所示，去除氨氮常用的方法有生物法、氧化法、吹脫法。

圖3 去除氨氮常用的方法

設計意圖：引導學生運用化學視角和化學思維看待實際問題，將實際問題轉化為具體的化學反應，并重視分析物質性質的兩個視角：氧化還原角度、物質類別角度。同時也引出了本節課的主線——去除水體中的氨氮的幾種不同的方法。

2.1 生物法簡介

[師]展示資料Ⅰ：實際的廢水處理工藝如圖4中流程圖所示，思考并討論兩個問題：

圖4 生物法除氨氮的工藝流程圖

問1：曝氣池和缺氧池的作用分別是什么？

問2：曝氣池是通入空氣將水呈“沸騰”狀態，原理是什么？

設計意圖：結合工藝流程圖分析各工藝環節的原理，以文獻資料作為依據，通過分析影響反應速率的因素，培養學生的證據意識和變化觀念。

2.2 氧化法處理廢水中的氨氮

活動1：尋找合適的氧化劑

[生]思考后回答：若加入酸性高錳酸鉀會引入重金屬雜質離子，若加入HNO3則重新引入氮元素，若加入Na2O2會使水體堿性增強等，均與目標不符，經分析后最優的氧化劑是H2O2和NaClO。

活動2：實驗驗證NaClO溶液和(NH4)2SO4溶液的反應

[生1]有大量無色氣體產生，該物質應該是N2。

[生2]有刺激性氣味的氣體，生成物中應該有Cl2。

[生3]氣味可能是NaClO反應生成Cl2導致的。

[生4]NaClO溶液呈堿性，且反應放熱，生成物中可能含NH3。

活動3：氣體成分的檢驗

[師]如何確定氣體的成分？

[生]用濕潤的紅色石蕊試紙檢驗氣體中是否含有NH3，用濕潤的淀粉-KI試紙檢驗其中是否含有Cl2。

教師演示實驗：濕潤的紅色石蕊試紙檢驗氣體，試紙未變藍；濕潤的淀粉-KI試紙未變藍。

得出結論：無色氣體的主要成分是N2

活動4：溶液的pH對氧化法去除氨氮的影響

學生根據實驗結果寫出氧化法去除氨氮的化學方程式：

在工業中如何調控pH，使其更好去除氨氮？

[師]展示文獻資料Ⅰ：25℃，反應時間為30 min時，氯與氨氮的物質的量之比為1∶3.5的條件下，pH對氨氮脫除影響如圖5所示。試分析pH較大時，去除率下降的可能原因？

圖5 pH對氨氮去除率的影響

[生]可能是堿性增強，ClO-的氧化性減弱

[師]展示資料卡片：

E值越小，氧化性越弱

學生經過思考、討論、得出正確結論

活動5：思路方法小結

[師]工業生產中要從化學反應的速率和限度的角度，對化學反應條件進行優化。在實際生產中，要考慮不同溫度、反應時間、投料比、pH等對氨氮去除率的綜合影響，選擇最佳的反應條件。因此，解決實際問題的一般思路和方法可以歸納概括為實際問題→化學反應→實驗驗證→優化化學工藝(速率和限度)。

設計意圖：該環節先引導學生選擇、評價常見的氧化劑，再動手實驗驗證猜測，后對無色氣體的成分進行分析。借助于學生實驗和演示實驗，運用文獻和資料卡片，充分培養學生的證據推理能力和證據意識，歸納得出解決實際問題的一般思路和方法。

2.3 了解吹脫法

[師]展示文獻資料Ⅱ：吹脫法的工藝流程圖如圖6所示。

圖6 吹脫法去除氨氮的工藝流程圖

提問：用化學平衡原理解釋“吹脫塔”中通入空氣的目的？

[師]展示圖7、圖8所示相關的文獻資料并提問

圖7 不同初始pH對剩余氨氮濃度及脫氮率的影響(溫度為40℃，吹脫時間1 h，氣液比為2500)

圖8 不同溫度對剩余氨氮濃度及脫氮率的影響(pH為11，氣液比為2500，吹脫時間1 h)

(1)為什么隨著pH大于11，氨氮去除率變化不大？

(2)為什么隨著溫度升高，氨氮去除率變大？

(3)工業上應該選擇的溫度范圍是？

設計意圖：該環節借助文獻中的工藝流程最佳條件的選擇問題，引導學生在關注化學反應速率和限度的同時，還要考慮動力、環境要求和設備要求，進一步提升學生分析問題、解決問題能力。

2.4 沉淀法簡介

展示文獻資料Ⅲ——鳥糞石的圖片：鳥糞石(MgNH4PO4·6H2O)，一種優質肥料，面對鳥糞石圖片你想到了什么化學問題？請課下完成學案中內容：

分析MAP沉淀法對水體中氨氮去除的影響因素

【資料卡片】磷酸銨鎂(MAP)微溶于冷水，易溶于熱水和稀酸，遇堿發生分解。

在優化工藝的條件下，反應時間20 min，分別在不同溫度下對NH4Cl模擬廢水進行不同的實驗，結果如圖9所示。

圖9 溫度對氨氮去除率的影響

在優化工藝的條件下，25℃，時間20 min，調節不同的pH分別進行實驗，如圖10所示。

圖10 pH對氨氮去除率的影響

【問題】依據以上資料，試回答以下幾個問題

1.根據以上信息，分析出MAP沉淀法工藝流程中最優的反應條件是什么？

2.分析反應溫度對氨氮去除率的影響結果，并說明可能的原因。

3.依據溶解平衡的原理分析pH較大是氨氮去除率下降的原因。

設計意圖：鳥糞石的介紹激發學生極大的興趣，并通過獨立解決實際問題以及準確表述得到的結論，進一步強化了學生對解決實際問題的思路和方法的認識。

3.教學環節——反思提升

通過以上氨氮廢水處理方法的學習，你能否總結出解決化學相關的實際問題的一般思路呢？

設計意圖：引導學生分析出解決實際問題的一般思路，生成如圖11所示板書。不僅讓學生掌握基本方法，而且能引發學生不斷思考、總結，提升學生的思維能力和思維品質，突破本節課的重難點。

圖11 解決實際問題的一般思路和方法

4.教學環節——方法應用

展示相關資料：如圖12所示為養殖場氨氮廢水處理工藝流程圖，請同學找出采用的相關方法。

圖12 養殖場廢水處理工藝圖

設計意圖：學以致用，讓學生真正掌握解決實際問題的方法并能自如運用。

三、教學效果分析與反思

學習結束后，筆者再次對30名學生進行訪談和問卷調查，有17名學生寫到，本節課不僅復習了氨氮的知識，更重要的是學會了怎樣解決實際的問題；21名學生在問卷中寫到學會了解決實際問題時應該考慮哪些因素的影響；還有很多同學表示這節課學會了運用文獻資料，學會如何用證據進行推理，通過學習增強了證據意識和解決問題的能力與信心。教育的終極任務就是提升人的素養，學科核心素養是學科本質觀和學科教育價值觀的反映。基于實際問題情境的化學教學，在認識化學知識的重要價值、培養求實嚴謹的科學態度、責任擔當和創新意識、促進學生化學學科核心素養養成等方面具有重要意義。經過深入的思考和研究，筆者從以下幾個方面論述基于實際問題情境的化學教學的重要功能價值。

①實際問題的解決讓學生體會化學知識在生產生活中的重要價值

孔子說：“知之者不如好之者，好之者不如樂知者”。以化學知識為載體，設置情境、引出問題，讓學生在對生活事例的探究中靈活運用所學知識解決實際問題，不僅提高學生的學習興趣，拓展學生視野，更能體會化學知識在生產生活中的重要價值。

②實際問題的解決中形成思考問題的一般思路和方法，從而遷移應用

面對實際問題綜合、復雜的情景，如何從中抽提出化學問題，這需要學生具備接收、吸收、整合信息的能力，能夠入木三分、獨具慧眼，剝開復雜的情景外衣，看到問題的本質；其次，在運用相關化學知識解決問題過程中，能夠對真實的現象、數據呈現的圖像、圖表進行分析加工，能用準確的化學術語及文字等表達，并能做出合理解釋。而學生的這些思維和能力需要在基于實際問題解決教學中進行訓練才能形成。另外，通過實際問題的解決，豐富、完善分析問題思維方法，拓展問題解決的視角，逐漸形成解決問題的一般性方法而遷移應用。

③實際問題的解決有助于發展學生化學學科核心素養，提高責任擔當。