以化工问题情境培养工程思维<br/>——以“合成氨工艺条件选择与优化”为例

以化工问题情境培养工程思维
——以“合成氨工艺条件选择与优化”为例

2021-04-28福建省龙岩第一中学364000邹国华

中小学实验与装备 2021年2期

福建省龙岩第一中学(364000) 邹国华

福建省长汀一中(366300) 童文昭

1 工程思维概述

化学学科是一门实用型学科，化学研究的最终价值在于运用。将化学知识运用于化工生产，通过工程活动“创造”出现实世界中的“人工物品”需要的思维方式属于工程思维，工程思维的主体是工程师、企业家和管理者，是在工程的设计、研究和实践中形成的思维，工程思维的核心是筹划性地运用各种知识解决工程实践问题。

国外在基础教育阶段培养工程思维的研究早于我国，美国在2013年颁布了《新一代科学教育标准》，并首次将科学与工程实践的内容整合进K-12教育，且明确提出了关于科学与工程实践的表现性期望、类型、内容以及具体的学习目标，随着美国K-12工程教育与全球STEM教育的发展，工程思维的培养逐渐走进基础教育阶段，我国也对此开始了研究实践。通过文献检索查阅，综合Shlomo Waks、Loveland Thomas、王美茹、赵美岚等国内外研究人员的研究成果，梳理出中学阶段化学教学可培养的工程思维要素：创造性思维、系统性思维、权衡性思维、价值性思维、双赢思维，具体涵义见表1。

2 以化工问题情境培养工程思维的教学

2.1 内涵

化工生产是人类运用化学知识和规律的典型，化工生产中面临的问题包含生产经济效应的评估、安全问题的评估、原料的选择、设备的设计、工艺条件的选择与优化、废气废料的回收与处理等方面的思维活动，这些思维活动包含于工程思维之中。

工程问题往往是“结构不良”或“无明确边界”的问题，面对这类问题需要综合运用学科知识创造性地解决问题；化学工程受到地域、气候、资金、人力资源等限制，也受到速率、限度等方面的影响，考虑问题要有全局意识，从整体出发，要预见可能的风险、危险及产品的可靠性，即要有系统性思维；如何合理匹配各要素，调和不同需求，如何平衡各种利益关系，需要有权衡性思维；化工生产目的是为社会生产出有价值的产品，同时获得经济效益，如何让生产的各方价值都最大化需要有价值性思维；生产中需要与其他企业、部门沟通合作以取得共同发展，同时，工业生产服务于人类社会，应践行绿色发展、谋求人与自然和谐发展，不能以牺牲环境为代价，需要双赢思维。教学中以化工情境为载体，挖掘出适合学生探究的工程问题，并创设相应的教学活动，引导学生运用工程思维进行问题解决，进而发展工程思维。

2.2 教学中工程问题解决路径

工程思维是在工程问题的解决过程中发展和提升的，学生在已有知识和技能的基础上，结合所收集的信息，探究问题解决、权衡方案、优化方案、检验设计的合理性等过程的体验，提升真实问题的解决能力，理解工艺设计的理性和方法。如何解决工程问题？笔者根据教学经验，结合占小红在《工程实践融入基础科学教育：内涵、目标与路径》中设计的工程问题解决路径(见图1)提出以下对策。工程问题的解决，首先让学生明确问题的背景和预期要达到的目标，即要明确工程问题。针对待解决的工程问题，教师让学生收集相关的资料、信息，也可以提供认识角度或信息提示，引导学生进行头脑风暴活动或者合作讨论，预先制定出方案或寻找问题的答案。必要时再加以提示，优化、完善预设的方案或答案，进而探讨方案合理性、答案完整性。若方案合理、答案完整，工程问题解决；若方案不合理或答案不完整，教师继续提供信息提示，学生继续优化方案、完善答案，直到方案合理或答案完善为止。笔者以“合成氨工艺条件选择与优化”为例介绍工程思维培育的探索实践。

图1 工程问题的解决路径

3 促进工程思维培养的教学实践

工业合成氨是综合运用速率、平衡等知识优化反应条件的典型案例，内含原料选择、工艺条件选择及优化、经济效应评估等一系列工程问题。选择合适角度切入工程思维要素，能成为发展学生工程思维的很好载体。目前，在工业合成氨教学中融入工程思维培养的教学研究成果暂未出现，本研究将在继承过往教学优点的基础上，深入挖掘生产流程、生产设备中的可用素材，设计工程问题，引导学生以工程思维为指导，以知识运用为核心，在系统思考、对比权衡、价值分析中解决复杂的工程问题，最终在学习和巩固学科知识的基础上，发展工程思维要素。

3.1 工程问题设计及拆解

对于化工生产而言，生产原理、工艺条件、生产流程、生产设备是必须考虑和解决的重要工程问题，本设计亦从这几点出发，设计了三个工程问题任务，为更好地引导学生进行分析讨论，笔者再将三个工程问题进行拆解，在工程问题的解决中培养相应的工程思维要素，具体设计目标如下。

(1)在以氮气为原料生产氮肥的方案设计活动中，运用热力学、化学平衡等知识，从成本、能耗、反应限度等角度探讨氮气氧化法和还原法两种生产氮肥途径的价值，分析二者的优劣，发展权衡性思维和价值性思维。

(2)运用速率、限度、平衡移动等知识系统探讨影响工业合成氨的影响因素，并对压强、催化剂、温度、投料比等影响因素展开严谨的探究活动，学习和巩固相关知识的同时，发展系统性、权衡性、价值性思维。

(3)在适当信息提示下，对工业合成氨生产流程和反应塔进行设计，体会化学知识的价值，感受创新、创造能力的价值，发展创造性、价值性思维，以及保护环境、人与自然和谐发展的双赢思维。

3.2 主要教学活动

3.2.1 工程问题1：氮肥的获取途径

明确工程问题：如何设计合成氨的生产路线？

教师：自然界中能以何种物质为原料来生产氮肥？并说说你的理由。

学生：氮气，因为空气中氮气约占78%，来源丰富，获取原料的成本低。

教师：以氮气为原料生产氮肥，即用氮气制备硝酸盐或铵盐氮肥，你可以设计出几种方案？

预设方案1：氧化法(N2→NO→NO2→HNO3→硝酸盐)。

预设方案2：还原法(N2→NH3→铵盐)。

教师：这两种方案工业生产价值如何？请结合所学知识和以下数据进行权衡分析。

学生：氮气氧化成NO属于吸热反应，需要吸收较高能量，生产成本较高，并且K很小，说明反应不容易进行；而氮气还原成氨气属放热反应，能耗较低，生产成本较低，且K很大，说明反应进行程度大，所以应选方案2为生产路线。

教师：分析很到位。工业上确实采用方案2来生产氮肥。

设计意图：通过学生自主选择氮气为原料，并设计合成氮肥的方案，以问题驱动的形式让学生通过成本、能耗、反应限度等角度的对比权衡，选择有价值的方案，分析过程中权衡性思维和价值性思维得到发展、提升。

3.2.2工程问题2：合成氨工艺条件的选择及优化

将工程问题2拆解成5个工程任务，任务1主要培养学生的系统性思维，任务2～5主要培养学生的权衡性思维和价值性思维。因任务2～5活动的设计方式大体相近，本文选取任务5进行具体介绍。

学生：影响合成氨反应的条件有压强、温度、催化剂、反应物浓度；选择生产条件应考虑速率、限度因素。

教师：除此之外，选择生产条件应考虑哪些因素？

提示：氨气是无色有强烈的刺激性气味的气体，能灼伤皮肤、眼睛、呼吸器官的粘膜，吸入过多，会引起肺肿胀，以至死亡；在生产经营活动中，应避免造成人员伤害和财产损失，保证从业人员的人身安全；化工生产目的是为社会生产出有价值的产品，同时获得经济效益。

学生：还需考虑成本、环保、安全风险等因素。

总结：是的，影响合成氨反应的条件有压强、温度、催化剂、反应物浓度；选择生产条件应考虑速率、限度、成本、环保、安全风险等因素。我们首先应该对生产中的影响因素和面临的问题有一个系统、全面的认识，然后再针对每个问题进行逐一攻克，这是解决工程问题的一般思路。

任务5：如何选择合成氨的氮气和氢气的投料比呢？

信息提示：原料投料比对平衡混合气中氨含量的影响见图2。

图2 原料投料比对平衡混合气中氨含量的影响

学生：以N2和H2的气体体积比为1∶3左右投入效果好。

教师:是的，此时混合气体中氨气含量高，那是否就以1∶3投料生产呢？

信息提示：①根据催化原理可知，氮气在催化剂表面吸附分解的速率慢，是控制总反应速率的关键步骤；②淘宝显示纯度99.999%的氮气和氢气价格分别为290元/瓶、400元/瓶(40 L/瓶)。

学生：因为氮气在催化剂表面反应速率慢，且价格低，所以投料时氮气应该稍微多一些。合成氨为可逆反应，增加反应中氮气的量可以提高氢气的转化率，降低生产成本，另外，氮气反应速率慢，多一些氮气也可提高反应速率，提高产量。

教师：是的，应加入多一些氮气，实践证明合适的投料比为1∶2.8。

设计意图：化工生产前，对生产需考虑的问题要有全局的把握，预设方案1的主要意图为引导学生从宏观上把握合成氨需要选择的工艺条件，并明确选择依据，让学生对生产工艺条件的选择及优化有整体的认识，培养学生的系统性思维。将工程问题进行拆解，通过问题驱动，引导学生运用速率、平衡、限度等知识，经过分析、推理、论证等探究活动，在成本、能耗、经济效应、安全风险等层面进行压强、温度、催化剂、投料比选择问题的对比权衡、价值分析，最终确定出合适的工艺条件。同时，学生的权衡性思维、价值性思维得以发展和提升。

3.2.3 工程问题3：合成氨流程、生产设备设计

合成氨流程和生产设备设计中，将工程问题拆解成两个任务，即探讨如何解决原料转化率低、氨气污染环境问题和如何解决碳素钢反应器龟裂爆炸问题。

任务1：如何解决原料转化率低、氨气污染环境问题。

信息提示：原料投料比为1∶2.8时，温度、压强对平衡混合气中氨含量的影响见图3。

图3 投料比为1∶2.8时，温度、压强对平衡混合气中氨含量的影响

教师：从图3可知，在400 ℃、500个标准大气压下，平衡体系中氨气的体积分数也才60.6%，要继续提高原料气的转化率，我们该怎么办？

学生：将产物中氨气分离出来，未反应完的氮气和氢气继续用于反应。

教师：这个设想如何在合成氨中具体实现？生产流程该如何设计？

学生：可以设计循环反应装置，将氨气及时分离，而将未反应完的氮气和氢气返回反应器中继续反应。

教师：如何防止氨气污染环境问题呢？

学生：生产的各个环节都要密封，防止氨气逸出，氨气从混合气体中液化分离后，直接密封装瓶。

教师：很好，你们的方案与科学家哈伯是一致的。单次反应，反应物转化率低，并不能实现工业规模生产，哈伯进行了大胆设计，采用封闭流程和循环操作工艺。这种方法为合成氨的规模生产做出了巨大贡献，也为其他化工生产提供了参考思路。

资料展示：合成氨流程设计简图见图4。

图4 合成氨流程设计

教师：图4的封闭流程和循环操作设计不仅解决了原料转化率低的问题，还能避免氨气逸出污染环境，这是多么伟大而有价值的设计啊。

任务2：如何解决碳素钢反应器龟裂爆炸问题。

信息提示：合成氨需要高压，碳素钢硬度、强度高，耐压性能好，但氢原子在高压的作用下会钻进受热膨胀后的碳素钢内部，并与碳元素发生反应，导致反应器内壁出现龟裂而爆炸；熟铁含碳量很低，可大幅降低氢原子渗透，但熟铁质地软，塑性好，延展性好，强度和硬度均较低，因此不耐高压。

教师：如何解决这个问题呢？

学生：可以用碳素钢制作反应塔的外壳，里面再添一层熟铁。

提示：是的，里层的熟铁可降低氢原子渗透，外层的碳素钢能耐高压，二者结合是解决这一工程问题的一个思路。但熟铁并不能完全阻止氢原子的渗透，长时间生产后，可能出现什么问题？

学生：熟铁和碳素钢外壳之间会有一些氢气，碳素钢外壳依然存在龟裂爆炸的风险。

教师：该如何进一步解决这一问题？

学生：想办法将渗透出的氢及时释放出来。

教师：很好的设想！可是如何在刚才设计的反应器中实现呢？

学生：可以在碳素钢外壳设计一些小孔，这样有氢逸出便能及时释放。

教师：设计得太好了，在碳素钢圆筒反应塔内加熟铁制成的内衬，这样的结构既能承受高压，又能大幅降低氢原子向碳素钢圆筒内壁渗透。加了内衬之后，如何及时排放渗透到内衬外侧的少量气体是关键问题。经过长时间探索，博施在碳素钢圆筒上钻一些小孔，将渗透在内衬外侧的少量氢气排放出来，这样设计的反应塔防爆效果非常好。不仅成本低，还有效地解决了反应塔爆炸问题。博施经过长时间研究和试验后，完美地解决了此问题。

总结：哈伯和博施两位科学巨匠，运用科学知识和科学思维，创造性地解决了合成氨中的难题，这些难题的攻克为合成氨的工业化生产奠定了重要基础，而合成氨的规模生产，为世界解决粮食生产问题作出了重要的贡献，哈伯和博施为合成氨规模生产做出了突出贡献而获得了诺贝尔奖。我们不仅要学习扎实的科学知识，还要学习科学巨匠直面问题、勇于挑战的精神和敢于打破常规的创新、创造能力。

设计意图：封闭流程和循环操作工艺提高了原料的利用率，降低了生产成本，还能防止氨气污染环境，这正是该工艺的优势与价值，引导学生培养价值性思维、双赢思维；通过合成氨中的流程设计和碳素钢加熟铁内衬双层反应塔设计活动，体会创新、创造能力的价值，并感受科学家伟大的创新、创造能力，培养学生的创造性思维。

4 工程思维培养的化学教学建议

结合探索实践，笔者认为，教学中培养工程思维应关注以下几点。

4.1 设计适当的工程问题

科学知识在工业领域的具体运用需要有工程思维的支配，工程思维的培养需要选择适当的工程问题情境。高中化学教材的编写关注化学与生产生活的联系，突出化学学科的实用价值，在必修课程和选择性必修“化学反应原理”模块中包含或者从中可挖掘的化工生产有：工业制硫酸、工业制硝酸、工业合成氨、高炉炼铁、石油的炼制、海水的综合利用(晒盐、提镁、提溴)、海产品(海带)提碘、煤的综合利用、电冶金、氯碱工业、侯氏制碱等。此外，选择性必修的另外两个模块、选修课程3个系列中还可挖掘其他的化工生产素材。这类素材资源丰富，通过数据库、书籍、网络等方式即可获取丰富的资料，在生产原理、原料的获取、工艺条件的选择与优化、产品的制备与纯化、绿色环保、装置设备等角度收集资料，经过筛选、加工设计合适的工程问题，融入对应的工程思维要素的培养。

4.2 构建宽松的课堂环境

在工程思维培养的教学中，要通过学生的协作、探讨来完成工程问题，工程问题对学生而言是陌生、复杂的，具有一定的难度，宽松、民主的课堂环境，有利于观点的表达和讨论，学生的回答是否全面、正确，并不是课堂关注的焦点，而运用工程思维要素进行推理、权衡的过程才是思维发展的重要环节，教师应正视个体差异和知识的局限性，鼓励学生畅所欲言。