基于“元素观”的教学设计——以“氮肥的生产和使用”为例

小编这么拼化学教育期刊

基于“元素观”的教学设计——以“氮肥的生产和使用”为例

陈宏兆1 蔡青1 杨玉琴2

（1 江苏省盐城中学 江苏盐城 224005）

（2 盐城师范学院化学化工学院 江苏盐城 224051）

摘要

元素观”视角的教学设计将元素化合物知识的教学重心从事实性知识的识记转向对更为根本的化学观念及其认识思路与方法的理解。“氮肥的生产和使用”一课以4个环环相扣的“含氮元素的物质之间的转化”探究任务为线索，凸显了基于“元素观”的教学设计，有助于学生在深层次的认知参与和积极的情感体验中完成知识的建构和化学观念的形成。

关键词

元素观；氮肥的生产和使用；教学设计

元素化合物知识属于事实性知识或陈述性知识，是构成中学化学知识的基础。实际教学中，教师一般引导学生按组成、结构、性质、制备和用途的线性思路来学习此类知识。这种模式下，虽然学生能在短期内习得某些具体的一些元素化合物知识，但由于缺乏对元素化合物知识内在联系及其所蕴含的学科观念与方法的理解，难以形成系统认识，很容易产生遗忘，且学生无法形成自主研究元素化合物的一般思路和方法，导致所学知识拓展性和迁移性功能较弱[1]。

4基于“元素观”的教学活动设计

4.1

环节1：创设情境，引发认知冲突

【情境创设】（1）植物所需的营养元素；（2）植物缺氮后果；（3）空气中气体含量图。

【提出问题】空气中含有79%的氮气，那么植物能否直接从空气中吸收氮元素呢？

【学生活动】植物能吸收的氮是化合态的，绝大多数植物不能直接从空气中吸收氮元素，只有极少数根瘤菌植物能将游离态的氮转化为可吸收的化合态的氮。

【提出问题】那么如何将空气中的游离态的氮转化为植物所需的化合态的氮？

设计意图：此教学环节基于学生已有认知和生活经验，从空气中含有大量的氮元素和植物需要氮元素，而植物却不能直接吸收的矛盾中引发认知冲突，自然过渡到本节课的第1个学习任务：寻找将游离态的氮转化为化合态的氮的可能路径。

4.2

环节2：探寻游离态的氮转化为化合态的氮的可能路径（学习任务1）

【教师提问】从氮元素价态变化这一角度分析这一过程，可能的路径有哪些？

【学生活动】从氮元素价态变化这一角度分析可知这是一个氧化还原反应过程，可能的路径有2种：氮元素化合价升高，被氧化；氮元素化合价降低，被还原。

【教师追问】教材中提到“雷雨发庄稼”，在这一过程中氮元素化合价是如何变化的？物质间是如何转化的？

【学生活动】从已有认知结构中得出“雷雨发庄稼”是N2→NO→NO2→HNO3→硝酸盐的物质转化过程，是一个包含氮元素化合价升高被氧化的过程，是自然界中实现的固氮过程。

【提出问题】雷声闪电的天气毕竟很少，因此自然固氮远远不能满足农作物生长的需要，这就需要人工固氮。刚才分析“雷雨发庄稼”这一过程，发现含氮元素化合价会升高，那么游离态的氮化合价可以降低吗？可能的产物又是什么？

【学生活动】氮元素还有可能从0价降低为-3价，可能的产物为NH3。

设计意图：在此环节中，让学生以氮元素为核心，抓住氮元素的不同价态间的转化，结合已有的氧化还原反应理论进行演绎推理，不仅唤起学生已有认知结构中关于氮氧化物的产生及转化的相关知识，而且从认知冲突中引出本节课的学习重点之一——从N2到NH3的转化，不仅充分发挥了理论知识对元素化合物学习的指导作用，而且让学生新知的学习在原有的认知结构中找到固定点。

【历史回溯】化学史上，科学家也经历了和我们一样的理性思考过程，但从理论分析的可能性到实践中的可行性却经历了漫长的历史过程。

19世纪下半叶，德国化学家能斯特提出，氮气和氢气在高压下可以合成氨；1900年，法国化学家勒夏特列第1个进行高压合成氨的实验，失败；1909年，德国化学家哈伯在实验室中高温、高压、催化剂条件下成功合成了氨；1913年，实现了氨生产的工业化；1912-1919年，德国化学家波斯经过1万多次实验，筛选出合成氨反应的最适合催化剂；由于合成氨工艺在解决人类粮食危机上的巨大贡献，哈伯和波斯分获1918年和1932年诺贝尔化学奖。

设计意图：在此环节中，师生共同回溯合成氨历史，不仅验证从理论上推理氮元素转化路径的合理性，也让学生认识到从理论到实验再到工业化生产都需要科学家坚持不懈的努力，认识到化学与技术、社会的相互关系，认识到条件控制对物质转化的重要性。

【教师活动】展示1瓶氨气。

【提出问题】通过几代科学家的努力，实现了氮元素从游离态到化合态的转化，那么生产出来的氨气能否直接用作氮肥呢？如果要有效用作氮肥，可能的路径又是什么？

【学生活动】通过观察，得出氨气在一般状况下是无色的、密度比空气小的气体，故不能直接用作氮肥。可能的路径是将氨气转化为液态：将氨气转化为液态氨或者将氨气溶于水。

设计意图：此环节让学生在观察归纳氨气的物理性质的基础上，分析氨气并不能直接用作氮肥，从而衍生出问题，过渡到本节课的第2个学习任务：寻找将氨气转化为液态氮肥的可能途径。

4.3

环节3：探寻氨气转化为液态氮肥的可能路径（学习任务2）

【数据展示】氨气沸点：-33.5 ℃。

【学生活动】根据数据分析，液氨易汽化，所以不宜用作氮肥，但利用其汽化时吸收大量的热，工业上可作制冷剂。

【提出问题】氨气能溶于水吗？你能设计一个实验证明吗？

【学生活动】提出证明氨气能溶于水的实验方案（如在盛满氨气的塑料瓶中滴入少量的水等），并利用教师提供的仪器和药品等进行分组实验（可以是学生自主设计的实验，也可以是教师设计的微型喷泉实验等）。

【分析归纳】氨气极易溶于水，溶于水后的溶液显碱性，书写相应的化学方程式和电离方程式，分析这一转化过程是相同价态氮元素的不同物质之间的转化，属于非氧化还原反应。

设计意图：此环节仍然紧扣物质的转化这一线索，让学生经历了理论分析→实验验证→归纳小结的探究过程，问题的提出和解决都在学生的积极的思维活动和实验活动中完成，将氨气的性质——沸点低、极易溶于水、与水反应后的溶液呈碱性等的学习融合于研究物质的转化过程中。

【师生活动】展示1瓶浓氨水，用手轻扇，闻气味。

【问题思考】你认为氨水作为氮肥有哪些利弊呢？

【学生活动】虽然氨水中的铵根离子易被吸收，但是氨水易挥发，氮元素的利用效率低，且氨水贮存、运输都不方便。

【学习过渡】氨水作为氮肥使用时由于存在着上述问题早已退出了市场。现在市场上普遍使用的是固态氮肥，PPT呈现一些常用氮肥。这些氮肥又是如何转化而来的呢？

设计意图：通过分析氨水用作氮肥的不足，意识到进一步转化的必要性，自然过渡到本节课的第3个学习任务：寻找将氨气转化为固态氮肥的可能途径。

4.4

环节4：探寻氨气转化为固态氮肥的可能路径（学习任务3）

【分析思考】以氮元素为核心，分析NH4Cl、(NH4)2SO4、NH4NO3等固态氮肥的组成，抓住氮元素的化合价变化情况，思考从氨气转化为这些固态氮肥的可能路径是什么？如何证明？

【师生活动】分析这些固态氮肥都由铵根和酸根所组成，在铵根中氮元素的化合价与氨气中氮元素的化合价相同，都为-3价。可能由氨气与相应的酸反应转化而来，可设计实验验证氨气能否与盐酸、硫酸等反应。

【演示实验】“空瓶生烟”等。

【得出结论】通过实验证明了氨气的确可以与酸反应生成固态氮肥，书写相应的化学反应方程式。

设计意图：以氮元素为核心，让学生从组成上去分析，抓住氮元素的价态变化情况，推理从氨气到固态氮肥的转化途径，再通过实验验证猜想的合理性，不仅学习了氨气可与酸化合的性质，同时强化了演绎推理、实验归纳等科学方法的应用。

【学生活动】打开碳酸氢铵试剂瓶塞，在瓶口用手扇动

【提出问题】为什么在盛放碳酸氢铵的试剂瓶口能闻到氨气的气味？

设计意图：从实验现象出发，分析固态铵盐可能的性质及其转化，从而过渡到第4个学习任务：探寻由铵盐性质所引起的转化。

4.5

环节5：探寻铵盐使用过程中的可能转化（学习任务4）

【师生活动】从盛放碳酸氢铵的试剂瓶口能闻到氨气的气味这一现象分析，铵盐可能不稳定，易分解放出氨气。

【学生实验】加热氯化铵固体。

【得出结论】铵盐不稳定，受热易分解。

【知识分析】从NH4+→NH3的转化实质上是H+被夺去的过程，通过加热可实现这一转化。

【提出问题】还有什么途径可以夺去NH4+中的H+？

【学生活动】NH4+中的H+还有可能被OH-夺去，即铵盐可能与碱发生化学反应。

【实验验证】加热少量氯化铵与氢氧化钙的混合物，并检验反应产生的气体。

【得出结论】铵盐在碱性条件下可以转化为氨气。

【提出问题】通过刚才的实验我们知道了铵盐在一定条件下可能发生一些转化，根据这些转化，你能否制作一个使用铵态氮肥的小贴士？

【学生活动】从铵盐受热易分解及与碱反应放出氨气等性质分析，铵盐使用时应保存在阴凉处，避免与碱性肥料混合施用等。

设计意图：此教学环节或从实验现象出发，或从理论分析开始，以氮元素为核心，逐步引出铵盐的化学性质以及由此引起的物质转化，通过让学生制作化肥使用小贴士的方式，不仅让学生活学活用，也让学生体验到学习的成就感。

4.6

环节6：整合、反思与拓展

【提出问题】（1）请同学们总结本节课的研究思路和方法；（2）“氮肥的生产和使用”实质上是什么过程，体现了什么化学反应原理？（3）从今天所学的物质转化过程中能否小结出氨气、氨水及铵盐的化学性质？（4）今天所学的固态氮肥主要是铵态氮肥，而氮肥还有硝态氮肥以及尿素等，那么又如何实现从氨气到硝态氮肥或尿素的转化呢？请同学们课后探究。

设计意图：在课堂小结阶段，通过以上问题不仅引导学生小结研究问题的思路，帮助学生认识化学学科的思维方法和问题解决路径，还让学生认识到氮肥的生产和使用实质上是含氮元素的物质的转化过程，即将无法利用的游离的氮转化为可以利用的化合态的氮，再转化为更好利用的氮的过程，其中发生了2种转化：氮元素化合价发生变化的转化，如从氮气到氨气；氮元素化合价不发生转化的过程，如从氨气到氨水或铵盐。由于本节课以研究“转化”作为本节课的线索，所以在结束时让学生利用转化反思小结物质的性质，使学生对性质的认识更加理性。而通过第4个问题则形成了拓展延伸教学内容的引子，使得本节课意犹未尽。

参考 献

[1] 朱玉军.中国教育学刊,2013(11):70-74

[2] 姜言霞，王磊，支瑶.课程·教材·教法，2012，32(9):106-112

[3] 何彩霞.化学教学，2013(9):27-29

[4] 梁永平.化学教育，2007，28(11):10-15

[5] 何彩霞.化学教育，2013，34(4):36-39

[6] 叶澜.教育研究，2002(5)：5-16

[7] 倪娟，杨玉琴. 化学教育，2012，33(12):3-5

陈宏兆, 蔡青, 杨玉琴. 基于“元素观”的教学设计——以“氮肥的生产和使用”为例[J]. 化学教育, 2017, 38(11): 38-42