基于劣構問題的高中項目式學習
——氮的固定

劉 磊，張 欣

（江蘇師范大學 化學與材料科學學院，江蘇徐州 221000）

0 引言

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》要求學生能發現和提出有探究價值的化學問題，能依據探究目的設計優化實驗方案并能運用已有知識和方法綜合分析解決探究過程[1]。喬納森將問題類型分為良構問題和劣構問題。良構問題呈現問題所有組成部分，有最佳的、特定的求解過程，并有正確的、統一的答案；而劣構問題（非良構問題）界定不明確，沒有一般性的規則和原理，含有多種解決方法或不存在解決方法[2]。劣構問題需要依托真實的情境，考慮其影響因素及解決過程中出現的限制因素，需要多角度、多維度、多層次地綜合考慮。高中化學中存在很多劣構問題，因此在化學課堂中針對劣構問題，利用其情境性、靈活性、開放性等特點，幫助學生發散思維，培養其遷移能力和創新能力，同時提升教學效果，保證化學課堂教學的高效性，進而落實化學學科核心素養。

1 項目式主題內容分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出：能發現和提出有探究價值的化學問題，能和同學交流實驗探究成果，提出進一步探究或改進的設想。但目前高中化學教學情境中忽視核心問題的創設，課堂中學生缺乏深度思維的參與，教學缺少認知模型的培養，為此需重新審視教學，培養學生解決問題能力的能力[3]。劣構問題借助真實情境開展項目式學習，其靈活多變，能驅動學生從化學視角認識物質，構建元素化學的認知模型，從而發展核心素養。

氮的固定是（蘇教版）必修二非金屬元素氮及其化合物的開篇知識（大部分非金屬及其化合物被安排在必修一中），該課時將自然現象、化學變化、人類生存需要與可持續發展有機融合，主要目的是讓學生認識到化學是真實有價值的。

學生在初中學習化學時已對氮肥、氨氣、銨鹽有一定的認識，在必修一中也積累了關于硫、氯等化學元素的知識，基本能運用物質分類法、從氧化還原角度對元素化學進行分析；另外，學生對物質結構和化學鍵也有一定的知識儲備。這為本課時的學習奠定了良好的基礎。但是學生對于性質探究和知識建構仍有不足。本節課的設計圍繞核心的劣構問題“氮的固定有哪些”展開，小組合作探究自然固氮和人工固氮，根據氮氣的微觀結構推測其可能具有的化學性質和可能發生的反應，設計實驗探究雷雨發莊稼的原理，掌握一氧化氮和二氧化氮的性質；根據工業流程認識人工固氮的反應原理，認識人工固氮的方法和意義。最后采取多種作業形式，如實驗操作、文獻閱讀、調查走訪和報告撰寫等[4]展示，實現“教、學、評”一體化。劣構問題及其拆解問題見表1。

表1 劣構問題及其拆解問題

2 項目教學目標

1）通過觀察提出具有價值的劣構問題，討論探究認識固氮的化學原理和價值，根據氮氣的微觀結構預測其可能具有的性質和發生的變化，辨識氮氣在一定條件下的形態及變化的宏觀現象，體會化學科學在人類社會發展中的重要作用。

2）通過模擬實驗，探究雷雨發莊稼的原理和了解酸雨對環境的影響，學習實驗數據推理與計算，培養實驗方案設計和評價能力，提升實驗探究能力、復雜推理能力[5]。

3）通過學習反應機理，深度理解人工固氮的工業流程，鞏固熱化學反應方程式的書寫與計算。學習工業制氮的流程圖，提升從圖表中獲取信息的能力，培養持續發展理念。

4）通過小組討論，展示交流小組成果，深入學習元素化學的認知方式，構建價類二維圖的認知模型，培育元素觀、變化觀和守恒觀；培養學生自主學習能力、團隊合作意識、交流表達能力，實現“教、學、評”一體化，發展素養為本的課堂教學。

3 項目任務及教學流程

項目實施班級共72人，分成6組，項目引導安排在學生的3 d月假中，實施課堂教學時間在3月初，具體項目任務及教學流程見表2。

表2 項目任務及教學流程

4 項目實施過程

項目引導：該階段，師生共同討論研究主題（植物為什么會變黃？如何補充氮元素？）；確定核心的劣構問題（氮的固定有哪些？），確定項目任務以及各組的任務。本節課的項目成果以多種形式展示，可以是思維小報、畫報等多種新穎的呈現方式。

4.1 探秘生物固氮

【教師】放假前，我們已把各組的任務布置下去。現在有請負責生物固氮組的化學小助教向大家展示你們組的探究成果。

【小助教1】我們組主要負責生物固氮。氮的固定主要有自然固氮和人工固氮。自然固氮又細分為生物固氮和高能固氮，其中生物固氮在自然固氮中占90%，主要通過自然界中的微生物將空氣中的氮氣轉化為含氮化合物。這是我們組找出來的根瘤菌（圖1），結合豆科植物的生長視頻，我為大家講解豆科植物的固氮過程……

圖1 根瘤菌

【教師】咱們這組精心準備，利用根瘤菌及豆科植物的固氮視頻為大家講解了生物固氮的過程。

4.2 探究高能固氮

【教師】接下來，負責高能固氮組的化學小助教展示他們組的項目成果。

【小助教2】我們組負責的高能固氮也屬于自然固氮，其中高能固氮占自然固氮的10%。在查找相關資料時，我們發現高能固氮主要體現在“雷雨發莊稼”上（視頻播放）。尤其是在新疆與青海的交界處有個山谷，俗稱“魔鬼谷”，在這里人畜難以生存，然而谷內四季常青、草木茂盛。其主要原因是谷中的N2和O2在放電作用下生成NO，NO不穩定，與空氣中的O2反應生成NO2，NO2和H2O反應生成HNO3，HNO3進入土壤后生成的硝酸鹽被谷內的草木吸收。

【教師追問】為什么氮氣和氧氣反應需要在放電條件下？結合氮氣的結構及表3中的數據進行解釋。

表3 部分鍵能

【學生】氮氣之間含有3個共價鍵，鍵能大，氮氣分子很穩定。斷開1 mol氮氣中的共價鍵需要941.7 kJ，放電可以提供巨大的能量，因此，氮氣與氧氣在雷電的作用下才能反應。NO鍵能較小，不穩定，容易與空氣中氧氣反應。

【實驗驗證】在教師的指導下，高能固氮組借助模擬實驗室（《化學家》軟件）模擬NO與O2、H2O的反應，以及NO2與O2、H2O反應。

【教師拓展】氮氧化合物（NOx）是大氣污染物，是形成酸雨的原因。NO2、NO能否一步與O2反應轉化成硝酸？請同學們依據NO2、NO的價態性質進行推測。

【學生】基于氧化還原中的價態變化書寫NO2、NO一步生成硝酸的反應方程式。

【實驗結論】根據雷雨發莊稼的模擬實驗，得到氮氧化合物相關性質的表（表4）。

表4 氮氧化合物相關性質

4.3 探究工業（人工）固氮

【教師】接下來負責工業固氮組的化學小助教為大家講解人工固氮。

【小助教3】我們組主要負責人工固氮，人工固氮的另一個名稱是工業固氮。20世紀初，德國化學家哈伯在實驗室中首次用氮氣和氫氣合成了氨，從此人類進入了化肥農業時代，大大提高了糧食產量。

【資料卡片】我們組找尋有關現代工業固氮的信息，依據鍵能大小得出該反應在高溫高壓、催化劑（500 ℃、20～50 MPa和鐵觸媒）的條件下，3個H—H鍵和1個N≡N鍵斷開共吸收508 kJ，6個N—H形成2個NH3共放出600 kJ（圖2），屬于一個放熱反應。

圖2 工業固氮反應機理

【教師追問】工業固氮中為什么要在高溫下將原料氣送入裝置？從可持續發展角度來看，反應放出的大量的熱可以繼續用來干什么？未轉化的氨氣如何處理？

【學生】N2和H2的反應條件是在高溫高壓、催化劑作用下，所以在高溫下送入原料氣是用來預熱；該反應是個放熱反應，發出的熱可以通過再循環用于上一步的預熱；該反應為可逆反應，達到平衡時混合氣體中氨氣約占20%，分離出氨氣后，將未反應的氮氣、氫氣送回合成塔循環使用，以增加原料利用率。

4.4 總結與項目成果展示

【師生】價類二維圖是認識和學習高中化學元素化合物知識的重要方式[6]。本節課基于劣構問題開展項目學習，從“宏觀-微觀，定性-定量，動態多要素系統”[7]的角度認識無機物，從物質類別和價態變化角度分析“氮的固定”中含氮化合物之間的關系，形成結構決定性質、性質體現用途的學科觀念。

【學生】小組展示“氮的固定”中的含氮化合物，對常見的含氮化合物的價態及價態變化等進行交流總結。表5為部分小組的成果展示。

表5 成果展示

5 項目教學反思

5.1 多途徑搜集劣構問題

劣構問題的設計不是簡簡單單、憑空產生的。有價值的劣構問題設計才會引起學生思考，發散學生思維，讓學生感受完整的科學探究過程。不合理的劣構問題的效果會適得其反，造成學生思維混亂，失去探究的興趣。為此，劣構問題設計時首先要基于化學課程標準對于某一知識的要求，從課程標準中提取出需要培養的知識、技能與價值觀；其次，教師需閱讀文獻及觀摩優質課例找尋契合的劣構問題；最后，教師對所得的信息并結合學生原有水平進行多元解讀，形成合理的劣構問題，在實施過程中動態調整教學安排，合理進行教學干預。

5.2 落在“最近發展區”的劣構問題

劣構問題因不確定性、開放性、結構不完整使得問題本身帶有一定的難度，學生不得不花費大量的時間來進行充分思考、收集證據、提出猜想并證實或證偽。因此，在設計劣構問題時數量不宜過多，一到兩個即可。此外，劣構問題的內容應落在學生的“最近發展區”內，學生能調用以往的事實性知識、概念性知識、程序性知識和元認知進行分析，同時也能為后續學習做鋪墊。

5.3 借助實驗，在認知沖突中預設劣構問題

教師要善于利用學生的認知障礙挖掘劣構因子，將其融入適當的情境中，創設劣構問題[8]。實驗是易發生認知沖突的過程。事前實驗儀器的選擇，試劑的選擇，方案的設計，實驗時溫度、濃度、溶液酸堿度的影響，實驗后對于溶液的處理，即實驗的內部因素與外界因素常會導致現象與預期不符合，從而形成強烈的認知沖突。因此，教師需要充分挖掘實驗中存在的劣構因子，并預設在實驗過程中，借助劣構因子引起的實驗誤差促進學生思考，深化學生對所學知識的理解。

5.4 劣構問題實施過程中的及時評價與反饋

由于學生生活經歷的不同，知識掌握程度的不同，看問題的視角的不同，必然會出現多種方案，教師在實施劣構問題過程中注意及時評價學生的思維方法是否合適、方案是否合理、操作是否規范。將紙筆測試、過程性評價與總結性評價結合并貫徹到整個劣構問題的解決過程中，加強對學生的指導、引領與點撥。但教師不應代替學生思考，學生對問題主動理解吸收，才能最終達到提高思維高度、形成高階思維的目標。