中学化学教学中渗透STEM理念的教学设计*——以“人工固氮技术——合成氨”为例

吴晓红　田小兰

中学化学教学中渗透STEM理念的教学设计*——以“人工固氮技术——合成氨”为例

吴晓红**田小兰

（宁夏大学化学化工学院宁夏银川750021）

STEM是科学、技术、工程和数学四门课程的简称，是美国兴起的教育思想之一，强调多学科的交叉融合，旨在培养学生在科学、技术、工程及数学等方面的综合素养。文章以“人工固氮技术—合成氨”为例，从合成氨的反应原理，合成氨的最佳反应条件，合成氨的基本生产过程以及合成氨的工业发展四个方面，将STEM理念渗透到教学设计中，促使学生综合运用多种学科知识，以期更好地培养学生的创新精神、实践能力及综合素养。

STEM理念；中学化学教学；合成氨；教学设计

STEM教育是当前国际上颇具影响的教育思想之一。STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合，将四门学科内容组合形成有机整体，削弱了这四门学科中传统的学习障碍，促使学生综合运用多种学科知识，以更好地培养学生的创新精神与实践能力［1］。将STEM理念融入中学化学教学中，使学生不仅获得与科学、技术、工程和数学等相关的知识；还能与真实世界建立联系，将科学教育和当前的社会生产生活等紧密结合，充分理解科学、技术、工程与数学之间的交互关系，为提高学生综合素养及全面发展打下良好基础。［2］

一、教学目标分析

“人工固氮技术——合成氨”选自人教版高中化学选修2《化学与技术》第一单元中的内容，该课题涉及了“合成氨的反应原理”“合成氨的基本生产过程”“合成氨工业的发展”三部分内容，在此基础上，本节教学设计又增加了“探索合成氨的最佳条件”。合成氨工业是重要的化学工业之一，对生产和生活有着重要意义，同时氮气、氢气合成氨的反应也是在必修教材中学习到的一个重要的、典型的平衡体系。在本课学习中，学生既可以联系原有知识和生活实际来学习合成氨的工业制取，又可以从STEM的角度进一步探讨工业合成氨生产中涉及的STEM要素。因此本课题是一节将学科知识和生产实际相结合的重要内容，是充分渗透STEM理念的一节内容。围绕“人工固氮技术——合成氨”的内容，从STEM四个维度出发，制订教学目标如下：

表1　“人工固氮技术——合成氨”教学目标

二、教学设计思路

本节教学设计以“任务为主线，教师为主导、学生为主体”的教学方式呈现，教师在某一种教学情境下提出问题，将STEM学科知识整合到某一化学核心任务中，学生以小组合作的方式运用STEM四方面的知识思考、讨论与交流，从而解决化学问题，并最终获得相应的科学知识。学生在解决问题的过程中，教师发挥指导、检查、监督、和评价作用。［3］

在本节教学中，教师以氮气和氢气在一定条件下合成氨的反应为指导，引导学生应用化学平衡理论与化学反应速率理论尝试考虑化工生产合成氨的适宜条件，同时从材料、设备、成本、环境等方面考虑实际生产中的最佳条件；从制备合成氨的原料气、原料气的净化、氨的合成与分离等过程中熟悉工业生产过程中常用的操作与技术；从合成氨的工业发展中了解最新的工业改进技术，提高环境保护的意识。在此过程中，将STEM理念渗透到整个课堂教学中，充分调动学生积极性，使学生意识到化学总是与科学、技术、工程及数学紧密联系的。具体的教学设计思路如图1所示：

图1　教学设计思路

三、教学过程

任务一：合成氨的反应原理

［投影］PPT展示氮在自然界的循环图。

［教师］从氮在自然界的循环图可以看出，含氮化合物对人类生活有着十分重要的意义。含氮化合物除了用于制造染料、油漆、炸药、人造纤维等，最主要的一大用途就是用于农业化肥的生产。氮是植物生长不可缺少的元素之一，农作物每年从土壤中摄取大量含氮化合物，为了补偿土壤中减少的氮，必须施加氮肥。而农业上使用的氮肥如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵以及各种含氮混合肥料和复合肥料，都是以氨为原料制成的。

［提问］请结合《化学1》“氮及其化合物”知识想想合成氨的原理是什么？哪个小组的同学愿意上黑板写一下合成氨的化学方程式？

［学生］回忆并思考，写出化学方程式：

［投影］合成氨反应是一个可逆反应：3H2（g）+N2（g）⇌2NH3（g）。已知298K时，ΔH＝-92.2kJ/mol，ΔS＝-198.2J/K·mol，请根据自发反应进行的判断依据考虑，298K时合成氨反应能否自发进行？

［学生］计算得出ΔH-TΔS＜0，因此298K时该反应可以自发进行。

设计意图：以氮在自然界的循环图引入，一方面使学生认识到氮及其化合物对人类生产生活的重要意义，一方面使学生认识到农业、工业上所用含氮化合物大部分是以氨为原料制成的，突出合成氨工业的重要地位，自然而然引出本节课学习内容。学生通过回顾《化学1》涉及的氮及其化合物的相关知识，对合成氨工业的基本原理能够熟练掌握，并学会利用数学思维对可逆反应是否自发进行判断，从而突出化学作为自然科学中的一员，其基本知识及原理对解决工程问题的重要指导作用。

任务二：探索合成氨的最佳条件

［讲解］分析得很不错，看来同学们学以致用的能力很强。接下来请同学们以小组为单位，结合这个表格中的相关数据，根据影响反应速率的因素和勒夏特列原理分析讨论合成氨工业适宜的反应条件，每个小组派一名学生给出你们小组的讨论结果。

［投影］合成氨平衡混合气中氨的体积分数（原料气中氮氢体积比为1∶3）随温度（T）、压强（p）的变化情况。

表2　氨的体积分数

［小组学生］积极投入到小组讨论中。根据表格中的数据可以看出，反应达到平衡时平衡混合气中氨的含量随着温度的升高而降低，随着压强的增大而升高。这是一个放热、气体分子总数减小的反应，因此增大压强，降低温度将有利于氨的合成。

［投影］根据这个小组回答选择合成氨的条件时，是不是压强越高、温度越低越好？在实际生产中怎样选择合成氨的最佳条件？

［学生］不是。压强太高，对设备要求越高，会增加建设投资和生产成本，温度过低，反应速率太低，耗时间，不利于生产。

［教师］不错，这个小组同学分析得很到位。在实际生产过程中，压强越大，对设备的材料质量和制造水平的要求越高，能量消耗也增加，从而增加建设投资和生产成本；如果采用较低温度，虽然有利于增大平衡混合气中氨的含量，但温度过低，反应速率太低，需要很长时间才能使反应达到平衡状态。因此需要根据实际情况选择适宜的压强跟温度。此外为提高反应速率还需要加入催化剂，而催化剂需要在一定的温度范围内才能表现出良好的催化活性，目前，合成氨工业普遍使用以活性铁为主的多组分催化剂，又称铁触媒。铁触煤在500℃左右活性最大。综合考虑以上因素，实际生产中合成氨的适宜条件是温度在500℃左右，压强在20～50MPa之间，并以铁触媒为催化剂。

设计意图：学生通过观察氨含量随着温度、压强数据的变化而变化的图表，利用化学反应速率及平衡思想分析合成氨工业所需适宜条件，培养学生利用数学思维分析化学、工程问题。同时以学生的答案为出发点，设问“是不是温度越低、压强越高越好？”从而引导学生从生产实际出发，考虑产率、设备、投资、成本等一系列工程问题，体会到光靠化学基本原理解决实际工业生产问题远远不够，还应具备与工程、技术等相关知识，明确理论联系实际的重要性。

任务三：合成氨的基本生产过程

［投影］PPT播放“合成氨——从实验室到工业化生产”的科学史话及相关装置图。

［提问］通过刚才播放的科学史话可以看出任何一项简单的过程都经过科学家们的不断探索与实践，请同学们结合刚才的科学史话并阅读教材内容，概括合成氨都需要经历哪些生产过程。

［学生］合成氨的基本生产过程主要有三个步骤：一、制备合成氨的原料气；二、原料气的净化；三、氨的合成与分离。

［教师］概括很正确。要实现合成氨的工业化生产，首先要获得合成氨的原料气，空气中有充足的氮气，可以通过液化空气再蒸发分离出氧气获取氮气，那么要通过什么工艺和技术来获取氢气呢？老师有以下几种方案，你认为哪种方案是最佳选择？请从资源、能耗、成本、设备、环境等方面综合考虑。

［投影］氢气的制取方案：

方案一：电解水制取氢气。

方案二：由煤或焦炭制取氢气，原理为C+H2O＝CO+H2。

方案三：由天然气制取氢气：CH4+H2O＝CO+3H2；由煤或焦炭、天然气制氢气过程中产生的一氧化碳与水蒸气反应：CO+H2O＝CO2+H2。

［学生］我认为第三种方案是最佳选择。电解水制氢气消耗大量电能，成本高，不适用于制取大量的氢气；利用煤制取氢气投资高、能耗高，且副产物污染环境；天然气易获取，成本低、能耗也低，且便于管道输送。因此选择天然气制取氢气相对来说比较好。

［教师］很好，考虑得很全面。不错，从20世纪50年代起，天然气已成为世界上合成氨的主要原料。但由于我国煤资源储量大，分布地区广，目前还有许多工厂仍然以煤作为合成氨生产的主要原料。制备好原料气后，还需将原料气进行净化处理，以除去制备原料气过程中产生的CO、CO2、O2、H2S等杂质气体，一是为了得到纯净的原料气，二是为了减少对空气的污染。

［投影］合成氨生产简易流程图和合成塔内部构造示意图。

［教师］净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入氨合成塔，氮气与氢气在高温、高压和催化剂的作用下合成氨。请同学们根据这张图思考如何从合成塔出来的混合气体中获得我们需要的氨气呢？剩余的氢气与氨气去哪了？

［学生］认真观看图片，思考并交流。为得到氨气，需将混合气体中的氨冷却使其液化，然后分离出来，剩余的氢气与氨气重新送到合成塔继续反应。

［教师］很好，观察、分析得很到位。老师再补充一点，液化氨时要经过冷凝器，分离出来的其他气体需经过循环压缩机，再送到合成塔，同时不断向合成塔补充新鲜的原料气，这样氨的合成就形成了一个循环流程，使氮气和氢气得到充分利用。

设计意图：学生认真观看播放合成氨的科学史话，在学习知识的同时感受合成氨工业的发展历史，知道每项工业生产过程都需经历漫长的探索与实践，从而体会科学家们持之以恒，严谨求实的科学精神。通过获取氢气的方案筛选，一方面学生了解了几种制取氢气的基本技术手段，一方面学生也学会从能源、能耗、成本、设备、环境等多方面综合考虑获取氢气的途径，从而选出最佳方案。获取氨气利用液化分离技术，剩余原料气循环利用等都是化学工业上重要的科学技术手段，有助于学生理解化学知识在改进技术、促进社会发展的重要作用，促进学生科学素养、技术素养的提高。

任务四：合成氨工业的发展

［教师］目前为止，我们学习了合成氨的反应原理、适宜条件的选择以及合成氨的生产过程，自1913年世界上第一座合成氨厂投产以来，合成氨工业不断发展，我们学习的只是合成氨知识库中的冰山一角。假如你是一名合成氨工厂的厂长，为了更好地发展合成氨工厂，你还具备合成氨的哪些知识？

［学生］合成氨的发展史、原料气的净化工艺和技术、催化剂的改进、合成氨工艺所带来的环境问题……

［教师］看来同学们对合成氨的知识很感兴趣，现在老师请一位同学上讲台利用多媒体网络搜索关于合成氨的相关知识，然后与大家一起分享。

［学生］输入“合成氨”，有图2链接，输入“合成氨原料气净化”有图3链接。

图2　

图3　

［教师］这位同学演示得非常好，请同学们课后就工业合成氨这部分内容，挑自己感兴趣的模块进行网络搜索，每个小组同学挑选一个模块进行搜索整理，然后小组与小组同学之间交流分享。

［教师］现在请大家回忆一下合成氨的生产过程，实际上我们忽略了在生产实际中最重要的一个环节，大家猜猜是哪个环节？大家可以联想我们在实验室制取对环境有污染、有毒物质时所进行的最后一步操作。

［学生］尾气处理与回收。

［教师］不错，这位同学反应很快。随着环境保护意识的增强，合成氨生产过程中产生的废渣、废气、废液的处理越来越成为技术改造的重要问题。

［投影］尾气处理与回收是工业生产的最后一个环节，也是本节课最后的学习内容，请同学们结合教材相关内容填写以下表格。

表3　“三废”处理

［学生］认真翻阅教材，与小组同学交流讨论得出答案。

设计意图：学生扮演合成氨工厂的厂长，考虑还需具备哪些关于合成氨的知识，积极踊跃发言，通过角色扮演，使学生认识到知识是无穷无尽的，需要不断努力充实和丰富自己的知识库。课堂上学生亲自上讲台进行网络搜索有关合成氨的知识，给了学生展示自己的机会，鼓励学生学会熟练运用现代信息技术，培养了学生获取信息、筛选信息的能力，为进一步提高学生科学素养、技术素养打下基础。尾气处理与回收使学生意识到工业生产中不仅要关注经济效益，还应关注环境的保护，资源的合理使用，将可持续发展理念渗透到每一步。

四、结语

本节教学设计以任务为中心，将工业合成氨分为四项任务，每项任务以问题为情境线，将STEM理念渗透其中。任务一以化学基本知识与原理为科学依据，利用数学表达式，通过计算判断某一特定条件下合成氨反应是否自发进行；任务二通过表格数据分析合成氨的适宜条件，在此基础上又结合工业生产实际，从设备、成本、经济效益等方面探索合成氨的最佳条件；任务三从能源、能耗、环境、成本等方面考虑选择获取原料气的最佳方案，从合成氨的生产过程中理解所包含的技术要素，了解合成氨生产过程中的基本装置和流程；任务四通过角色转换，让学生自己思考需要掌握的合成氨的知识，利用计算机技术收集信息并与同学分享，最后通过尾气处理与回收使学生意识到环境的保护、资源的合理使用等也是工业生产所考虑的重要因素。从整个教学活动中不难看出，科学、技术、工程、数学四个领域并不是孤立存在的，而是相互支撑、相互促进的。学生通过小组合作交流的方式，在教师的指导监督下对四项任务一一解决，极大地调动了学生学习化学的兴趣，增强了学生的团队协作意识，提高了学生的综合素养。STEM是科学教育的重要趋势，将STEM理念融入中学化学教学中，可以更好地为中学化学课堂教学服务。

［1］余胜全，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式［J］.开放教育研究，2015（4）：13-14

［2］丁杰，蔡苏江，丰光.科学、技术、工程与数学教育创新与跨学科研究［J］.开放教育研究，2013（2）：41-43

［3］任伟，李远蓉，马坤鹤.基于STEM教育下的中学化学教学模式初探［J］.化学教与学，2015（7）：10-12

［4］宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·化学（选修2）［M］.北京：人民教育出版社，2007

［5］肖敏，吴晓红.基于美国K-12阶段STEM理念的教学设计——以“‘设计’一座硫酸厂”为例［J］.化学教学，2016（2）：44-48

1008-0546（2016）11-0047-05

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2016.11.016

*本文为高中化学实验安全隐患及规避研究（项目编号：GIP201641）的研究成果之一。

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