IT工程師數位筆記本

摘要：STEM是科學、技術、工程和數學四門課程的簡稱，是美國興起的教育思想之一，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。文章以“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
　　文章編號：1008-0546（2016）11-0047-05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B
　　doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.11.016
　　STEM教育是當前國際上頗具影響的教育思想之一。STEM是科學（ Science）、技術（ Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調多學科的交叉融合，將四門學科內容組合形成有機整體，削弱了這四門學科中傳統的學習障礙，促使學生綜合運用多種學科知識，以更好地培養學生的創新精神與實踐能力[1]。將STEM理念融入中學化學教學中，使學生不僅獲得與科學、技術、工程和數學等相關的知識；還能與真實世界建立聯系，將科學教育和當前的社會生產生活等緊密結合，充分理解科學、技術、工程與數學之間的交互關系，為提高學生綜合素養及全面發展打下良好基礎。[2]
　　一、教學目標分析
　　“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，該課題涉及了“合成氨的反應原理”“合成氨的基本生產過程”“合成氨工業的發展”三部分內容，在此基礎上，本節教學設計又增加了“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，同時氮氣、氫氣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。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，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，制訂教學目標如下：
　　二、教學設計思路
　　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。[3]
　　在本節教學中，教師以氮氣和氫氣在一定條件下合成氨的反應為指導，引導學生應用化學平衡理論與化學反應速率理論嘗試考慮化工生產合成氨的適宜條件，同時從材料、設備、成本、環境等方面考慮實際生產中的最佳條件；從制備合成氨的原料氣、原料氣的凈化、氨的合成與分離等過程中熟悉工業生產過程中常用的操作與技術；從合成氨的工業發展中了解最新的工業改進技術，提高環境保護的意識。在此過程中，將STEM理念滲透到整個課堂教學中，充分調動學生積極性，使學生意識到化學總是與科學、技術、工程及數學緊密聯系的。具體的教學設計思路如圖1所示：
　　三、教學過程
　　任務一：合成氨的反應原理
　　[投影]PPT展示氮在自然界的循環圖。
　　[教師]從氮在自然界的循環圖可以看出，含氮化合物對人類生活有著十分重要的意義。含氮化合物除了用于制造染料、油漆、炸藥、人造纖維等，最主要的一大用途就是用于農業化肥的生產。氮是植物生長不可缺少的元素之一，農作物每年從土壤中攝取大量含氮化合物，為了補償土壤中減少的氮，必須施加氮肥。而農業上使用的氮肥如尿素、硝酸銨、磷酸銨、硫酸銨以及各種含氮混合肥料和復合肥料，都是以氨為原料制成的。
　　[提問]請結合《化學1》“氮及其化合物”知識想想合成氨的原理是什么？哪個小組的同學愿意上黑板寫一下合成氨的化學方程式？
　　[學生]回憶并思考，寫出化學方程式：
　　N2+ 3H2[?][高溫・高壓][催化劑]2NH3。
　　[投影]合成氨反應是一個可逆反應：3H2（g）+N2（g）[?]2NH3（g）。已知298K時，ΔH= -92.2kJ/mol，ΔS= -198.2J/K・mol，請根據自發反應進行的判斷依據考慮，298K時合成氨反應能否自發進行？
　　[學生]計算得出ΔH-TΔS0，因此298k時該反應可以自發進行。>
　　設計意圖：以氮在自然界的循環圖引入，一方面使學生認識到氮及其化合物對人類生產生活的重要意義，一方面使學生認識到農業、工業上所用含氮化合物大部分是以氨為原料制成的，突出合成氨工業的重要地位，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
　　[講解]分析得很不錯，看來同學們學以致用的能力很強。接下來請同學們以小組為單位，結合這個表格中的相關數據，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，每個小組派一名學生給出你們小組的討論結果。
　　[投影]合成氨平衡混合氣中氨的體積分數（原料氣中氮氫體積比為1∶3）隨溫度（T）、壓強（p）的變化情況。
　　[小組學生]積極投入到小組討論中。根據表格中的數據可以看出，反應達到平衡時平衡混合氣中氨的含量隨著溫度的升高而降低，隨著壓強的增大而升高。這是一個放熱、氣體分子總數減小的反應，因此增大壓強，降低溫度將有利于氨的合成。 　　[投影]根據這個小組回答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？
　　[學生]不是。壓強太高，對設備要求越高，會增加建設投資和生產成本，溫度過低，反應速率太低，耗時間，不利于生產。
　　[教師]不錯，這個小組同學分析得很到位。在實際生產過程中，壓強越大，對設備的材料質量和制造水平的要求越高，能量消耗也增加，從而增加建設投資和生產成本；如果采用較低溫度，雖然有利于增大平衡混合氣中氨的含量，但溫度過低，反應速率太低，需要很長時間才能使反應達到平衡狀態。因此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，而催化劑需要在一定的溫度范圍內才能表現出良好的催化活性，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20～50 MPa之間，并以鐵觸媒為催化劑。
　　設計意圖：學生通過觀察氨含量隨著溫度、壓強數據的變化而變化的圖表，利用化學反應速率及平衡思想分析合成氨工業所需適宜條件，培養學生利用數學思維分析化學、工程問題。同時以學生的答案為出發點，設問“是不是溫度越低、壓強越高越好？”從而引導學生從生產實際出發，考慮產率、設備、投資、成本等一系列工程問題，體會到光靠化學基本原理解決實際工業生產問題遠遠不夠，還應具備與工程、技術等相關知識，明確理論聯系實際的重要性。
　　任務三：合成氨的基本生產過程
　　[投影]PPT播放“合成氨――從實驗室到工業化生產”的科學史話及相關裝置圖。
　　[提問] 通過剛才播放的科學史話可以看出任何一項簡單的過程都經過科學家們的不斷探索與實踐，請同學們結合剛才的科學史話并閱讀教材內容，概括合成氨都需要經歷哪些生產過程。
　　[學生]合成氨的基本生產過程主要有三個步驟：一、制備合成氨的原料氣；二、原料氣的凈化；三、氨的合成與分離。
　　[教師]概括很正確。要實現合成氨的工業化生產，首先要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？老師有以下幾種方案，你認為哪種方案是最佳選擇？請從資源、能耗、成本、設備、環境等方面綜合考慮。
　　[投影]氫氣的制取方案：
　　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；由煤或焦炭、天然氣制氫氣過程中產生的一氧化碳與水蒸氣反應：CO+H2O[=]CO2+H2。
　　[學生]我認為第三種方案是最佳選擇。電解水制氫氣消耗大量電能，成本高，不適用于制取大量的氫氣；利用煤制取氫氣投資高、能耗高，且副產物污染環境；天然氣易獲取，成本低、能耗也低，且便于管道輸送。因此選擇天然氣制取氫氣相對來說比較好。
　　[教師]很好，考慮得很全面。不錯，從20世紀50年代起，天然氣已成為世界上合成氨的主要原料。但由于我國煤資源儲量大，分布地區廣，目前還有許多工廠仍然以煤作為合成氨生產的主要原料。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。
　　[投影]合成氨生產簡易流程圖和合成塔內部構造示意圖。
　　[教師]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。請同學們根據這張圖思考如何從合成塔出來的混合氣體中獲得我們需要的氨氣呢？剩余的氫氣與氨氣去哪了？
　　[學生]認真觀看圖片，思考并交流。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，剩余的氫氣與氨氣重新送到合成塔繼續反應。
　　[教師]很好，觀察、分析得很到位。老師再補充一點，液化氨時要經過冷凝器，分離出來的其他氣體需經過循環壓縮機，再送到合成塔，同時不斷向合成塔補充新鮮的原料氣，這樣氨的合成就形成了一個循環流程，使氮氣和氫氣得到充分利用。
　　設計意圖：學生認真觀看播放合成氨的科學史話，在學習知識的同時感受合成氨工業的發展歷史，知道每項工業生產過程都需經歷漫長的探索與實踐，從而體會科學家們持之以恒，嚴謹求實的科學精神。通過獲取氫氣的方案篩選，一方面學生了解了幾種制取氫氣的基本技術手段，一方面學生也學會從能源、能耗、成本、設備、環境等多方面綜合考慮獲取氫氣的途徑，從而選出最佳方案。獲取氨氣利用液化分離技術，剩余原料氣循環利用等都是化學工業上重要的科學技術手段，有助于學生理解化學知識在改進技術、促進社會發展的重要作用，促進學生科學素養、技術素養的提高。
　　任務四：合成氨工業的發展
　　[教師]目前為止，我們學習了合成氨的反應原理、適宜條件的選擇以及合成氨的生產過程，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？
　　[學生]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……
　　[教師]看來同學們對合成氨的知識很感興趣，現在老師請一位同學上講臺利用多媒體網絡搜索關于合成氨的相關知識，然后與大家一起分享。
　　[學生]輸入關鍵字“合成氨”，有圖2鏈接，輸入“合成氨原料氣凈化”有圖3鏈接。
　　[教師]這位同學演示得非常好，請同學們課后就工業合成氨這部分內容，挑自己感興趣的模塊進行網絡搜索，每個小組同學挑選一個模塊進行搜索整理，然后小組與小組同學之間交流分享。 　　[教師]現在請大家回憶一下合成氨的生產過程，實際上我們忽略了在生產實際中最重要的一個環節，大家猜猜是哪個環節？大家可以聯想我們在實驗室制取對環境有污染、有毒物質時所進行的最后一步操作。
　　[學生]尾氣處理與回收。
　　[教師]不錯，這位同學反應很快。隨著環境保護意識的增強，合成氨生產過程中產生的廢渣、廢氣、廢液的處理越來越成為技術改造的重要問題。
　　[投影]尾氣處理與回收是工業生產的最后一個環節，也是本節課最后的學習內容，請同學們結合教材相關內容填寫以下表格。
　　[學生]認真翻閱教材，與小組同學交流討論得出答案。
　　設計意圖：學生扮演合成氨工廠的廠長，考慮還需具備哪些關于合成氨的知識，積極踴躍發言，通過角色扮演，使學生認識到知識是無窮無盡的，需要不斷努力充實和豐富自己的知識庫。課堂上學生親自上講臺進行網絡搜索有關合成氨的知識，給了學生展示自己的機會，鼓勵學生學會熟練運用現代信息技術，培養了學生獲取信息、篩選信息的能力，為進一步提高學生科學素養、技術素養打下基礎。尾氣處理與回收使學生意識到工業生產中不僅要關注經濟效益，還應關注環境的保護，資源的合理使用，將可持續發展理念滲透到每一步。
　　四、結語
　　本節教學設計以任務為中心，將工業合成氨分為四項任務，每項任務以問題為情境線，將STEM理念滲透其中。任務一以化學基本知識與原理為科學依據，利用數學表達式，通過計算判斷某一特定條件下合成氨反應是否自發進行；任務二通過表格數據分析合成氨的適宜條件，在此基礎上又結合工業生產實際，從設備、成本、經濟效益等方面探索合成氨的最佳條件；任務三從能源、能耗、環境、成本等方面考慮選擇獲取原料氣的最佳方案，從合成氨的生產過程中理解所包含的技術要素，了解合成氨生產過程中的基本裝置和流程；任務四通過角色轉換，讓學生自己思考需要掌握的合成氨的知識，利用計算機技術收集信息并與同學分享，最后通過尾氣處理與回收使學生意識到環境的保護、資源的合理使用等也是工業生產所考慮的重要因素。從整個教學活動中不難看出，科學、技術、工程、數學四個領域并不是孤立存在的，而是相互支撐、相互促進的。學生通過小組合作交流的方式，在教師的指導監督下對四項任務一一解決，極大地調動了學生學習化學的興趣，增強了學生的團隊協作意識，提高了學生的綜合素養。STEM是科學教育的重要趨勢，將STEM理念融入中學化學教學中，可以更好地為中學化學課堂教學服務。
　　參考文獻
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　　[2] 丁杰，蔡蘇江，豐光.科學、技術、工程與數學教育創新與跨學科研究[J].開放教育研究，2013（2）：41-43
　　[3] 任偉，李遠蓉，馬坤鶴.基于STEM教育下的中學化學教學模式初探[J].化學教與學，2015（7）：10-12
　　[4] 宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書・化學（選修2）[M].北京：人民教育出版社，2007
　　[5] 肖敏，吳曉紅.基于美國K-12階段STEM理念的教學設計――以“‘設計’一座硫酸廠”為例[J].化學教學，2016（2）：44-48
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