基于劣构问题的高中项目式学习——氮的固定

刘 磊，张 欣

（江苏师范大学 化学与材料科学学院，江苏徐州 221000）

0 引言

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》要求学生能发现和提出有探究价值的化学问题，能依据探究目的设计优化实验方案并能运用已有知识和方法综合分析解决探究过程[1]。乔纳森将问题类型分为良构问题和劣构问题。良构问题呈现问题所有组成部分，有最佳的、特定的求解过程，并有正确的、统一的答案；而劣构问题（非良构问题）界定不明确，没有一般性的规则和原理，含有多种解决方法或不存在解决方法[2]。劣构问题需要依托真实的情境，考虑其影响因素及解决过程中出现的限制因素，需要多角度、多维度、多层次地综合考虑。高中化学中存在很多劣构问题，因此在化学课堂中针对劣构问题，利用其情境性、灵活性、开放性等特点，帮助学生发散思维，培养其迁移能力和创新能力，同时提升教学效果，保证化学课堂教学的高效性，进而落实化学学科核心素养。

1 项目式主题内容分析

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出：能发现和提出有探究价值的化学问题，能和同学交流实验探究成果，提出进一步探究或改进的设想。但目前高中化学教学情境中忽视核心问题的创设，课堂中学生缺乏深度思维的参与，教学缺少认知模型的培养，为此需重新审视教学，培养学生解决问题能力的能力[3]。劣构问题借助真实情境开展项目式学习，其灵活多变，能驱动学生从化学视角认识物质，构建元素化学的认知模型，从而发展核心素养。

氮的固定是（苏教版）必修二非金属元素氮及其化合物的开篇知识（大部分非金属及其化合物被安排在必修一中），该课时将自然现象、化学变化、人类生存需要与可持续发展有机融合，主要目的是让学生认识到化学是真实有价值的。

学生在初中学习化学时已对氮肥、氨气、铵盐有一定的认识，在必修一中也积累了关于硫、氯等化学元素的知识，基本能运用物质分类法、从氧化还原角度对元素化学进行分析；另外，学生对物质结构和化学键也有一定的知识储备。这为本课时的学习奠定了良好的基础。但是学生对于性质探究和知识建构仍有不足。本节课的设计围绕核心的劣构问题“氮的固定有哪些”展开，小组合作探究自然固氮和人工固氮，根据氮气的微观结构推测其可能具有的化学性质和可能发生的反应，设计实验探究雷雨发庄稼的原理，掌握一氧化氮和二氧化氮的性质；根据工业流程认识人工固氮的反应原理，认识人工固氮的方法和意义。最后采取多种作业形式，如实验操作、文献阅读、调查走访和报告撰写等[4]展示，实现“教、学、评”一体化。劣构问题及其拆解问题见表1。

表1 劣构问题及其拆解问题

2 项目教学目标

1）通过观察提出具有价值的劣构问题，讨论探究认识固氮的化学原理和价值，根据氮气的微观结构预测其可能具有的性质和发生的变化，辨识氮气在一定条件下的形态及变化的宏观现象，体会化学科学在人类社会发展中的重要作用。

2）通过模拟实验，探究雷雨发庄稼的原理和了解酸雨对环境的影响，学习实验数据推理与计算，培养实验方案设计和评价能力，提升实验探究能力、复杂推理能力[5]。

3）通过学习反应机理，深度理解人工固氮的工业流程，巩固热化学反应方程式的书写与计算。学习工业制氮的流程图，提升从图表中获取信息的能力，培养持续发展理念。

4）通过小组讨论，展示交流小组成果，深入学习元素化学的认知方式，构建价类二维图的认知模型，培育元素观、变化观和守恒观；培养学生自主学习能力、团队合作意识、交流表达能力，实现“教、学、评”一体化，发展素养为本的课堂教学。

3 项目任务及教学流程

项目实施班级共72人，分成6组，项目引导安排在学生的3 d月假中，实施课堂教学时间在3月初，具体项目任务及教学流程见表2。

表2 项目任务及教学流程

4 项目实施过程

项目引导：该阶段，师生共同讨论研究主题（植物为什么会变黄？如何补充氮元素？）；确定核心的劣构问题（氮的固定有哪些？），确定项目任务以及各组的任务。本节课的项目成果以多种形式展示，可以是思维小报、画报等多种新颖的呈现方式。

4.1 探秘生物固氮

【教师】放假前，我们已把各组的任务布置下去。现在有请负责生物固氮组的化学小助教向大家展示你们组的探究成果。

【小助教1】我们组主要负责生物固氮。氮的固定主要有自然固氮和人工固氮。自然固氮又细分为生物固氮和高能固氮，其中生物固氮在自然固氮中占90%，主要通过自然界中的微生物将空气中的氮气转化为含氮化合物。这是我们组找出来的根瘤菌（图1），结合豆科植物的生长视频，我为大家讲解豆科植物的固氮过程……

图1 根瘤菌

【教师】咱们这组精心准备，利用根瘤菌及豆科植物的固氮视频为大家讲解了生物固氮的过程。

4.2 探究高能固氮

【教师】接下来，负责高能固氮组的化学小助教展示他们组的项目成果。

【小助教2】我们组负责的高能固氮也属于自然固氮，其中高能固氮占自然固氮的10%。在查找相关资料时，我们发现高能固氮主要体现在“雷雨发庄稼”上（视频播放）。尤其是在新疆与青海的交界处有个山谷，俗称“魔鬼谷”，在这里人畜难以生存，然而谷内四季常青、草木茂盛。其主要原因是谷中的N2和O2在放电作用下生成NO，NO不稳定，与空气中的O2反应生成NO2，NO2和H2O反应生成HNO3，HNO3进入土壤后生成的硝酸盐被谷内的草木吸收。

【教师追问】为什么氮气和氧气反应需要在放电条件下？结合氮气的结构及表3中的数据进行解释。

表3 部分键能

【学生】氮气之间含有3个共价键，键能大，氮气分子很稳定。断开1 mol氮气中的共价键需要941.7 kJ，放电可以提供巨大的能量，因此，氮气与氧气在雷电的作用下才能反应。NO键能较小，不稳定，容易与空气中氧气反应。

【实验验证】在教师的指导下，高能固氮组借助模拟实验室（《化学家》软件）模拟NO与O2、H2O的反应，以及NO2与O2、H2O反应。

【教师拓展】氮氧化合物（NOx）是大气污染物，是形成酸雨的原因。NO2、NO能否一步与O2反应转化成硝酸？请同学们依据NO2、NO的价态性质进行推测。

【学生】基于氧化还原中的价态变化书写NO2、NO一步生成硝酸的反应方程式。

【实验结论】根据雷雨发庄稼的模拟实验，得到氮氧化合物相关性质的表（表4）。

表4 氮氧化合物相关性质

4.3 探究工业（人工）固氮

【教师】接下来负责工业固氮组的化学小助教为大家讲解人工固氮。

【小助教3】我们组主要负责人工固氮，人工固氮的另一个名称是工业固氮。20世纪初，德国化学家哈伯在实验室中首次用氮气和氢气合成了氨，从此人类进入了化肥农业时代，大大提高了粮食产量。

【资料卡片】我们组找寻有关现代工业固氮的信息，依据键能大小得出该反应在高温高压、催化剂（500 ℃、20～50 MPa和铁触媒）的条件下，3个H—H键和1个N≡N键断开共吸收508 kJ，6个N—H形成2个NH3共放出600 kJ（图2），属于一个放热反应。

图2 工业固氮反应机理

【教师追问】工业固氮中为什么要在高温下将原料气送入装置？从可持续发展角度来看，反应放出的大量的热可以继续用来干什么？未转化的氨气如何处理？

【学生】N2和H2的反应条件是在高温高压、催化剂作用下，所以在高温下送入原料气是用来预热；该反应是个放热反应，发出的热可以通过再循环用于上一步的预热；该反应为可逆反应，达到平衡时混合气体中氨气约占20%，分离出氨气后，将未反应的氮气、氢气送回合成塔循环使用，以增加原料利用率。

4.4 总结与项目成果展示

【师生】价类二维图是认识和学习高中化学元素化合物知识的重要方式[6]。本节课基于劣构问题开展项目学习，从“宏观-微观，定性-定量，动态多要素系统”[7]的角度认识无机物，从物质类别和价态变化角度分析“氮的固定”中含氮化合物之间的关系，形成结构决定性质、性质体现用途的学科观念。

【学生】小组展示“氮的固定”中的含氮化合物，对常见的含氮化合物的价态及价态变化等进行交流总结。表5为部分小组的成果展示。

表5 成果展示

5 项目教学反思

5.1 多途径搜集劣构问题

劣构问题的设计不是简简单单、凭空产生的。有价值的劣构问题设计才会引起学生思考，发散学生思维，让学生感受完整的科学探究过程。不合理的劣构问题的效果会适得其反，造成学生思维混乱，失去探究的兴趣。为此，劣构问题设计时首先要基于化学课程标准对于某一知识的要求，从课程标准中提取出需要培养的知识、技能与价值观；其次，教师需阅读文献及观摩优质课例找寻契合的劣构问题；最后，教师对所得的信息并结合学生原有水平进行多元解读，形成合理的劣构问题，在实施过程中动态调整教学安排，合理进行教学干预。

5.2 落在“最近发展区”的劣构问题

劣构问题因不确定性、开放性、结构不完整使得问题本身带有一定的难度，学生不得不花费大量的时间来进行充分思考、收集证据、提出猜想并证实或证伪。因此，在设计劣构问题时数量不宜过多，一到两个即可。此外，劣构问题的内容应落在学生的“最近发展区”内，学生能调用以往的事实性知识、概念性知识、程序性知识和元认知进行分析，同时也能为后续学习做铺垫。

5.3 借助实验，在认知冲突中预设劣构问题

教师要善于利用学生的认知障碍挖掘劣构因子，将其融入适当的情境中，创设劣构问题[8]。实验是易发生认知冲突的过程。事前实验仪器的选择，试剂的选择，方案的设计，实验时温度、浓度、溶液酸碱度的影响，实验后对于溶液的处理，即实验的内部因素与外界因素常会导致现象与预期不符合，从而形成强烈的认知冲突。因此，教师需要充分挖掘实验中存在的劣构因子，并预设在实验过程中，借助劣构因子引起的实验误差促进学生思考，深化学生对所学知识的理解。

5.4 劣构问题实施过程中的及时评价与反馈

由于学生生活经历的不同，知识掌握程度的不同，看问题的视角的不同，必然会出现多种方案，教师在实施劣构问题过程中注意及时评价学生的思维方法是否合适、方案是否合理、操作是否规范。将纸笔测试、过程性评价与总结性评价结合并贯彻到整个劣构问题的解决过程中，加强对学生的指导、引领与点拨。但教师不应代替学生思考，学生对问题主动理解吸收，才能最终达到提高思维高度、形成高阶思维的目标。