实施观念建构教学 培育学生核心素养

摘要：整合有关资料和多个优秀教案，并查阅大量化学史料及化工文献，还原“真实”的科学研究历史，创设待解决的真实问题情境，让学生充分了解合成氨工业发展的主要线索，理解基本的化学概念和原理，认识化学现象的本质，理解化学变化的基本规律，形成有关化学科学的基本观念，实施基于观念建构的合成氨工业教学。通过宏观辨识与微观探析，建构变化观念与平衡思想，进行证据推理和实验探究，培养学生的化学核心素养。

关键词：观念建构；核心素养；合成氨工业；教学设计

文章编号：1005C6629（2017）4C0055C04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

合成氨工业是沪教版第六单元《揭示化学反应速率和平衡之谜》第三节“化工生产能否做到又快又多”的教学内容，是化学反应速率和平衡理论联系实际的成功范例。关于工业合成氨的教学设计大多沿袭以下思路：先分析合成氨反应的特点，再分别从速率角度和平衡角度讨论合成氨的适宜条件，最后综合速率、平衡的影响因素以及设备的承受能力，解决工业生产适宜条件的选择问题。这样的教学虽然能体现化学反应原理对生产实践的指导作用，却无法使学生对合成氨工业的历史背景及其重大意义有深刻的认识，学生体验不到探索和发现的喜悦，感受不到创新思想形成的生动过程。知识的学习固然重要，但是通过具体知识的学习掌握从化学的视角认识身边事物，解释相关事实，分析和解决实际问题的的思想、方法、观点才是化学教育的最终取向和追求。有关工业合成氨的研究先后三次获得诺贝尔化学奖，其过程包含着化学家伟大的创造性和光辉的科学思想，笔者在本节课教学中通过宏观辨识与微观探析，建构变化观念与平衡思想，进行证据推理和实验探究，培养学生的化学核心素养。

2 化学基本观念的形成与建构

中学化学课程要教给学生的不仅是知识的积累，更为重要的是观念的建构。学生化学基本观念的形成需要两方面的相互结合。一方面，从形成基本观念所需要的素材来看，必须有合适的、能有效形成化学基本观念的核心概念以及能有效形成@些概念的相关化学知识；另一方面，从基本观念形成的过程来看，必须为学生创设有利于基本观念形成的探究活动。学生化学基本观念的形成主要来源于以下三方面：一方面来自于学生对化学学科知识的反思概括，主要形成化学知识类的基本观念，如元素观、微粒观、物质转化观、平衡观等；另一方面来自于学生对化学探究过程、学习方法的反思，主要形成化学方法类的基本观念，如实验观、分类观、定量观等；第三方面来自于学生对化学学科在社会生活中价值的认识和反思，主要形成化学情意类的基本观念，如化学价值观。这三方面相互促进、相互影响，从而构成化学基本观念这一有机整体。

具体性知识是支撑观念建构的工具和载体。教学和学习的目标是在具体性知识基础上通过不断概括提炼出观念或观念性知识，建构起学科的观念体系。教学内容的选择以观念为核心，选择能形成和体现这些观念的具体性知识内容。观念的建构需要学生在有意义的、真实的、具有挑战性的学习环境中，以积极主动的态度，参与具有驱动性的问题讨论和活动，独立地或与同学、教师合作去探究并发现知识之间的联系以及隐藏在事实背后的重要思想和观点，最终建构起自己的观念体系。

合成氨工业的最终目的是为了人类的生存，科学家们经过一个多世纪的不懈探索最终实现了“向空气要氮肥”。这一过程倾注了化学家的智慧，体现了化学家的思想、观点和方法，这些思想方法的集合构成了化学学科思想。化学教学中需要在引导学生学习化学知识的基础上，从传授事实、掌握知识转变为发展观念。从实验室到工业化，围绕动态平衡观和辩证观等核心观念统筹热力学和动力学理论知识进行生产条件的选择和优化，进而形成解决此类问题的相对稳定的“大观念”，最终形成一幅关于合成氨研究的全景图，以便学生从科学的视角有效地处理日常生活中遇到的问题。

3 基于观念建构的“合成氨工业”教学设计

笔者整合有关资料和多个优秀教案，并查阅大量化学史料及化工文献，还原“真实”的合成氨研究历史，创设真实问题情境，让学生充分了解化学科学发展的主要线索，理解基本的化学概念和原理，认识化学现象的本质，理解化学变化的基本规律，形成有关化学科学的基本观念。

3.1 合成氨反应的可行性探究

[情境] 1898年英国物理学家克鲁克斯“先天下之忧而忧”，率先发出“向空气要氮肥”的号召。

[问题]空气中富含现成的氮气和氧气，而氢气需要人工制备，为什么科学家不选择氮气和氧气，而非得选择氮气和氢气去合成氨呢？常温下，氮气与氢气有可能合成氨气吗？

笔者提供学生两个反应在一定温度下的平衡常数，并由此展开讨论。

[建构]首先，从元素的视角看物质世界是化学学科特有的思想方法。通过“元素观”的建构，使学生主动地认识含氮元素的各种物质（如氢化物――单质――氧化物），以元素为核心建立起一种工业合成新物质的认识框架。其次元素化合物最核心的问题就是转化，只有当学生掌握了转化关系，才能解决制备、检验、工业设计等一系列的问题。通过“向空气要氮肥”这一问题的讨论，帮助学生建构物质转化观念，使学生进一步体会到化学反应是化学研究的一个中心问题，通过化学反应不仅能够认识物质，而且还能合成物质，解决了资源匮乏的矛盾，彰显了物质合成的社会价值。“化学平衡常数”虽然在沪教版高三拓展型课程教材中，但在本节课中作为素材以信息形式引入，主要目的是让学生能借助化学平衡常数认识到“不同的化学反应限度不同，可以利用平衡常数进行定量表征和比较”，对化学反应的限度的认识由定性水平上升到定量水平。

[教学效果]表1引发了学生的激烈争论，有的学生根据经验，认为常温下氮气、氢气不能合成氨气，原因是微观上合成氨的反应活化能太高，常温下难以启动；有的学生认为常温下氮气和氢气反应的平衡常数很大，有可能合成氨气。两种观点其实并不矛盾，前者是判断化学反应的方向问题，是从热力学角度根据反应的始态和终态判断反应有没有发生的可能性。正因为合成氨有可能发生，才促使科学家想方设法去解决反应的快慢和程度问题。如何尽快启动反应，是动力学研究的问题，可以采取升温（如表2）、加压等措施。表1和表2引导学生能够宏观辨识物质的形态及变化，并且从物质的微观层面探析其组成、结构和性质的联系，也能从内因和外因、量变与质变等方面较全面地分析物质的化学变化。