铺设化学史料，整合教学内容，落实核心素养——以“氮的固定”为例

丁 文

（江苏省震泽中学育英学校 江苏 苏州 215231）

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017 年版）》中明确提出要开展以培养核心素养为本的教学，即从学知识过渡到发展学生的化学核心素养。［1］这就需要教师在教学设计时需要为教学内容设置合适的情境，并且整合教学内容，促进知识结构化。通过创设真实的教学情境使学生认识到化学对于人类社会发展、科技进步的意义，培养学生的社会责任感，充分发挥化学学科的育人功能，落实核心素养的同时实现立德树人。

王祖浩指出［2］，落实学生的化学核心素养，需要设置真实的问题情境，围绕核心知识，将问题设置在学生的最近发展区内，引导学生运用化学知识解决实际问题，并自主建构出新知识。学生研究的问题是化学与社会发展有关的真实问题，可以在激发学生兴趣和提高内驱力的同时，发展学科能力，最终在真实情境的孕育，化学知识学习和学科能力发展下，实现核心素养的落实（见图1）。

图1 落实核心素养的教学设计流程

二、教材分析

1.教学内容分析

“氮的固定”位于苏教版必修二专题7。主要教学内容为NO、NO2的基本性质，NO、NO2、HNO3等物质的转化关系和氮的固定概念及实例。本节内容可以进一步完善学生非金属元素性质的知识体系，同时也为本专题后续氨气、铵盐、硝酸等含氮化合物性质的学习奠定基础。

2.新旧教材内容对比分析

笔者将苏教版新旧化学教材中有关氮元素的教学内容及编排顺序进行了整理归纳如表1。

表1 新旧教材对比

经过比较可以发现对于本节内容有两处较大改动。其一是加入“氮的固定”这一概念，并将“雷雨发庄稼”和“工业合成氨”这两个典型的固氮实例放在了同一节，用以强化固氮概念；其二是提高氨的催化氧化地位，旧教材这一反应在“问题解决”栏目中，新教材放在氨气一节正文中。

3.结合已有课例进行思考

通过阅读已有课例发现，较多教学设计没能将氮氧化物和工业合成氨两部分内容有效衔接［3］，大多衔接生硬或没能在课堂中对工业合成氨进行教学［4］。个人认为在新课标指导下，教师进行本节教学设计时，应做到以下几点。一是强调固氮的概念，充分体现本节的主题是“氮的固定”；二是将工业合成氨和氮氧化物这两部分教学内容整合在一条情境主线中，设置真实问题，促进教学内容结构化；三是使学生认识到固氮对人类社会、科学技术的重要意义，使学生的情感态度得到升华，有效落实科学态度与社会责任的核心素养。

三、学情分析

在学习本节课之前，学生已经学习氧化还原反应、酸性氧化物、不成盐氧化物等化学概念和氯、硫、溴等非金属元素的化学事实性知识，可以从元素化合价升降和氧化物分类及性质的角度认识陌生非金属元素及其化合物。同时学生具备一定阅读材料，提取信息，自主思考及推理的信息加工能力和建构能力。

四、教学目标

1.使学生理解氮气稳定性和氮气微观结构的相互辩证关系，强化学生结构决定性质、性质体现结构的学科观念，落实宏观辨识与微观探析的核心素养。

2.通过探究NOx、HNO3、N2、NH3等物质的变化关系，帮助学生初步构建含氮物质的变化关系模型，加强变化观念的核心素养。

3.引导学生发展基于实验现象和所给材料进行分析、解释和建构的能力，培养学生科学探究、证据推理与模型认知的核心素养。

4.通过教学展示含氮化合物的功与过，使学生认识到固氮是一把“双刃剑”，使学生客观、辩证地看待科学成果，培养科学态度与社会责任的核心素养。

五、课例分享

本节课采用图2所示的教学流程开展教学实践。［5］

图2 教学流程

主要教学流程如下：

1.引入

［师］展示硝酸的广泛用途，引导学生思考工业制备硝酸的原料。

［生］可以利用空气中的大量氮气。

［师］科学家们当年也是这么想的，但他们发现想要把氮气转化为含氮化合物非常困难，这是为什么？

［生］氮气非常稳定。

［师］为什么稳定？可否从微观结构角度解释原因？可否联系用途说明？

［生］氮气分子的结构非常稳定：N≡N，共价键异常牢固。氮气可以用作保护气。

设计意图：从硝酸用途出发，对工业制硝酸的原料展开设问，方便后续以工业制备硝酸的工艺变迁为情境主线展开教学。引导学生从用途和微观结构两个角度理解氮气的稳定性，以便后续引出氮的固定概念。

2.电弧法制硝酸

［PPT］20 世纪初，人类开始尝试通过高压电弧使空气中的气体发生反应，生成氮氧化物（NOx）。

［资料卡］N2O：无色气体，高温易分解；NO：无色气体，不溶于水；N2O3：无色气体，易分解；NO2：红棕色气体；N2O5：固体，高于室温便分解。

［师］演示实验：在密闭容器中模拟放电实验，观察实验现象。

［生］密闭容器内一开始无明显现象，后来变为红棕色，颜色逐渐加深。

［师］生成什么氮氧化物（NOx）?

［生］NO2。

［师］请写出容器内发生反应的化学方程式。

［师］演示实验：NO 与空气接触，并请学生描述现象。

［生］NO与空气接触后立刻变为红棕色。

［师］请说明NO的化学性质并写出上述实验中的化学方程式。

［生］NO 有还原性，易被空气中的氧气氧化：2NO+O2====2NO2。

［师］请重新思考并写出密闭容器内通电发生反应的化学方程式。

设计意图：给出NOx的资料卡，引导学生根据实验现象推理出装置内的气体，尝试书写化学方程式。通过演示实验向学生展示NO 的还原性，引发学生认知冲突，引导学生积极建构NO 的性质并重新思考装置内的化学反应。

［PPT］展示电弧法制硝酸的生产细节：常规操作是用空气将NO氧化成NO2，NO2的水溶性比较好而且可以与水反应。工业上一般经过这个吸收过程得到稀硝酸溶液。

［师］演示实验：取用一支吸取一定量NO 和水的注射器，吸取空气后观察到出现红棕色并记录注射器示数。充分振荡，观察现象并记录注射器示数。

［生］红棕色气体消失，示数变小。

［师］说明NO2和H2O反应除了生成HNO3以外，还有其他物质生成，这个物质必然是什么状态？请根据氧化还原反应及气体水溶性推测合理产物。

［生］气态物质；可能是H2、NO、N2。

［师］演示实验：使用针筒继续吸入空气，观察实验现象。

［生］出现红棕色气体，气态产物为NO。

［师］请写出NO2和H2O反应的化学方程式。

［生］3NO2+H2O====2HNO3+NO。

设计意图：通过电弧法制硝酸的实际生产操作引发学生思考，NO2不是酸性氧化物，但入水后生成了硝酸，后续根据实验现象和氧化还原反应原理进行推理，引导学生构建NO2和H2O 的反应。通过引导学生观察实验现象、利用化学概念提出猜想、通过补充实验验证猜想，最终写出化学方程式。锻炼学生收集证据、运用模型和科学探究的能力，有效落实科学探究、证据推理与模型认知的核心素养。

［PPT］1898 年，两位英国科学家利用交流电，每小时合成了65 g硝酸；1901年另两位英国人改进工艺后，每小时合成了88 g硝酸。电弧法理论产量为每小时2 500 g，实际产量为每小时80 g，转化率仅为3%。

［师］结合所给信息和工艺流程，谈谈电弧法的优点和缺点。

［生］优点：原料易得。缺点：极度费电，产率低等。

设计意图：通过给学生展示电弧法制备硝酸的实际工业表现，让学生感受到电弧法的局限性，方便引出其被淘汰的命运。同时使学生认识到化工生产需要充分考虑原料、产率、成本等多方面因素，化学工艺不是一成不变的，培养学生科学态度与社会责任的核心素养。

3.氨氧法制硝酸

［师］电弧法在20世纪初期工业投产；1925年，世界上通过电弧法固定的氮达到了34万吨，产量达到历史巅峰；但好景不长，电弧法于1932年被淘汰。电弧法有着巨大的劣势，被时代所抛弃是必然的，那么是被什么方法淘汰的呢？

［PPT］1902 年，德国化学家奥斯特瓦尔德提出了利用催化剂使氨气氧化从而制取硝酸的方法，不过当时该方法没能得到广泛关注。

［学生活动］组织学生讨论当时没能得到广泛关注的原因。

［生］可能是没有合适的催化剂；可能是没有合适的氧化剂；可能是没有氨气。

［师］1839 年法国化学家库尔曼就已经研制出了含铂催化剂，在300 ℃下只需要用O2即可将NH3氧化为NOx。所以我们到底缺什么？

［生］当时缺乏氨气。

设计意图：承接电弧法优缺点讨论的教学环节，顺势引出取代电弧法的氨氧化法。以方法变迁的时间节点和氨氧化法所需的化工原料为两条线索，引导学生思考出没得到广泛关注的原因是“万事俱备、只欠氨气”。同时引出工业合成氨的相关知识，为1913年同时实现工业合成氨和氨氧化法工业制备硝酸做铺垫。

［师］当时NH3的制备主要来自煤化工，产率较低，珍贵的氨气需要去合成化肥，保障粮食的供给。

［PPT］德国化学家哈伯在合成氨这个课题上投入了巨大的心血。在1901年至1911年间，哈伯和他的同事们进行了两万多次实验。1904 年，哈伯在1 000 ℃的条件下将N2和H2混合后通过铁丝网，首次得到NH3，但因成本太高无法工业化；1907年，哈伯通过计算意识到合成氨不可能得到高转化率，于是采用将反应气体在高压下循环加工，并在这个循环中不断将生成的NH3分离出去；1909 年，哈伯在12 MPa，500 ℃的条件下获得10%的转化率。

［师］阅读上述材料，总结工业合成氨的反应特点及条件，写出化学方程式。

［师］工业合成氨为氨氧化法制硝酸提供了稳定的原料，在历史上合成氨和氨氧化法制硝酸的工业生产线几乎同时出现，有关氨氧化法制硝酸的时间线归纳如表2所示。这不是历史的巧合，是科学技术发展和科研成果投产的逻辑关系所导致的。

表2 氨氧化法制硝酸时间线

设计意图：让学生自行阅读哈伯的研究过程，提取信息，对工业合成氨的化学反应进行自主建构，并写出化学方程式。通过列表的形式给出相关信息，促进学生了解工业合成氨和氨氧化法制硝酸两种工艺的原料供给关系，充分认识到化学学科与人类社会发展息息相关。落实证据推理与模型认知、科学态度与社会责任的核心素养。

［师］提到工业制备，有许多工艺问题需要研究。例如：如何充分利用原料？NO2入水后生成NO，如何提高氮原子利用率？尾气如何吸收？该工艺的实际生产表现如何？

［PPT］氨氧化法可以得到较高浓度的NOx，混合气主要含有NO 和少量NO2。在后续过程中首先利用空气将NO全部氧化为NO2，随后再用水吸收。NO2溶解过程中会生成HNO3和NO，多余的NO 可以通过多次重复上述吸收过程尽可能减量。实在无法减量的NOx就只能通过NaOH吸收转化。通过吸收过程我们可以得到质量分数为50%左右的硝酸溶液，通过简单蒸馏能得到质量分数为67%的硝酸溶液。工业生产中能耗仅有电弧法的12.5%，由NH3氧化为NOx的效率和NOx吸收为HNO3的效率均可达到90%以上。

［生］①将生成的NO不断重复氧化吸收过程提高原子利用率；②工厂用NaOH溶液吸收NOx尾气；③该方法吸收效率高，能耗小，产品浓度高。

［师］向NOx中不断通入O2和H2O可以充分转化为HNO3，请写出化学方程式（NOx可能为NO或NO2）。

［生］学生表现：部分学生可以从两个基本方程式推导或是直接书写并配平化学方程式。4NO+3O2+2H2O====4HNO3；4NO2+O2+2H2O====4HNO3。

［师］同学们可以发现无论是哪个方程，NOx和O2的比例都满足了N2O5的通式。

［师］NaOH 溶液吸收NOx的方程如下，有什么特点？分别是什么反应？与NaOH 溶液吸收SO2和CO2相比有何区别？①2NO2+2NaOH==== NaNO3+NaNO2+H2O；②2NaOH+NO+NO2====2NaNO2+H2O。

［生］都是氧化还原反应，①为歧化反应，②为归中反应。NaOH 溶液吸收酸性氧化物为非氧化还原反应。

设计意图：通过设置真实情境下的实际问题，引导学生阅读并加工实际工业生产操作中的相关材料。结合之前学习的化学知识，实现新知识的自主建构。通过本教学环节，既复习了氧化物分类和氧化还原反应等相关概念，又在旧知识的基础上学习了NOx和O2混合入水、NOx吸收的新知识。

4.固氮的功与过

［师］无论是哪种制硝酸的方法，都是为了将游离态氮转化为化合态氮，这样的过程称为“氮的固定”。人类工业制备硝酸的历史，就是人工固氮的历史。除了人工固氮，自然界还存在自然固氮的方法，如豆科植物根瘤、雷雨发庄稼等等。固氮给人类带来了化肥，使得人们免受饥饿；人类固氮的求知探索精神，二万多次实验的科研态度是后辈的宝贵精神财富；但固氮也带来了灾难，1915 年德国开办了30 多间以氨氧化法为原理的硝酸工厂，产品被投入战争。化学本无对错，对与错掌握在人类手中。

［学生活动］组织学生讨论氮的固定对于人类社会发展的意义，要求写出感想。

设计意图：在学生学习完两个典型的固氮实例后引出固氮的概念并分类，论证固氮给人类社会带来的进步与苦难是并存的，科学家们的探索精神永世留存。组织学生对固氮的意义进行交流讨论，落实科学态度与社会责任的核心素养。

六、学生成果

七、教学反思

1.铺设化学史料，设置情境主线

本节课的教学内容通过“工业制备硝酸的工艺变迁”情境主线贯穿始终。采用工业产品制备的情境，可以切实让学生感受到化学与生活紧密联系，化学服务于生活，增强学生对化学促进社会发展的认同感。采用化学史料的情境，可以使学生在课堂教学中感受到化学学科发展离不开科学家的钻研，科学家求真求实的精神是有效落实科学态度与社会责任核心素养的良好素材。硝酸制备工艺的情境中涉及氨气的催化氧化也可以为后续学习氨气的还原性奠定基础。

2.立足化学课堂，落实核心素养

本节课通过宏观性质和微观结构两方面构建氮气的稳定性，培养学生宏观辨识与微观探析的核心素养。设置真实情境下的实际问题推进教学，以实验现象和图文材料为基础，引导学生加工信息，自主建构物质性质及化学反应，有效落实证据推理与模型认知、科学探究的核心素养。学生学习两套工业制备硝酸方法的同时，掌握N2、NH3、NO、NO2等物质的变化关系，培养学生变化观念的核心素养。最后通过讨论固氮的功与过，让学生意识到应该合理使用科学技术和辩证看待科学成果，培养学生科学态度与社会责任的核心素养。在化学课堂中实现立德树人。