在实际问题解决中发展学生的化学学科核心素养——以高三复习课“水体中氨氮的去除”为例

北京 戚 娜 王 哲

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)要求学生能以酸雨的防治和废水处理为例体会化学对环境保护的作用，了解减少污染物的原理和方法，能用数据、图表、符号等描述实验证据并据此进行分析推理形成结论。高三学生经过高中两年的学习，元素化合物知识、氧化还原理论、化学平衡理论等知识储备相对丰富，但是将这些知识迁移到解决陌生、真实情景下的实际问题有较大的困难。学生利用化学学科思想和方法解决实际问题的思路还不成熟，由于化学知识和实际问题的解决方法不能有机地融合，学生很难在已有知识和实际问题解决方法中自由切换。为了更好地帮助学生摆脱困扰，教师在高三化学总复习阶段，选取真实的情境素材，进行提升学生实际问题解决的教学实践非常必要。

一、基于问题解决的知识分析及教学目标

1.知识内容结构

图1 “水污染及治理”知识内容结构

①以氨氮为载体，提炼解决问题的思路和方法

②依据论据推理，提高学生的证据意识和推理能力

③体会化学在改善人类生存环境、促进社会进步中的重要作用。

2.教学目标及教学重点难点

根据《课程标准》要求及教学内容确立以下教学目标和教学重点难点

②通过对文献中图表和数据的分析，提升利用平衡思想及证据推理解决实际问题的能力。

③在分析、推理、解决问题过程中，增强证据意识、科学精神与社会责任感。

二、“水体中氨氮的去除”课例设计与实践

(一)教学整体思路

图2 教学流程图

(二)主要教学过程分析

1.教学环节——提出问题

[师]养鱼先养水，水怎么养，最关键的是养好氮循环系统。可以利用硝化菌和闯缸鱼促进氮循环系统的形成，促进亚硝酸盐、氨氮的转化来减少危害。由小鱼缸放大到江河湖海，废水中氮元素的随意排放会引起赤潮、水华。由此提出本节课的实际问题：水体中氨氮的去除。

2.教学环节——解决问题

学生思考回答：

[生1]加碱将其转变为NH3

[生2]加氧化剂转变为N2

[生3]加入硝化菌和反硝化菌

[师]同学想到的这几种方法也是工业中常用的方法，如图3所示，去除氨氮常用的方法有生物法、氧化法、吹脱法。

图3 去除氨氮常用的方法

设计意图：引导学生运用化学视角和化学思维看待实际问题，将实际问题转化为具体的化学反应，并重视分析物质性质的两个视角：氧化还原角度、物质类别角度。同时也引出了本节课的主线——去除水体中的氨氮的几种不同的方法。

2.1 生物法简介

[师]展示资料Ⅰ：实际的废水处理工艺如图4中流程图所示，思考并讨论两个问题：

图4 生物法除氨氮的工艺流程图

问1：曝气池和缺氧池的作用分别是什么？

问2：曝气池是通入空气将水呈“沸腾”状态，原理是什么？

设计意图：结合工艺流程图分析各工艺环节的原理，以文献资料作为依据，通过分析影响反应速率的因素，培养学生的证据意识和变化观念。

2.2 氧化法处理废水中的氨氮

活动1：寻找合适的氧化剂

[生]思考后回答：若加入酸性高锰酸钾会引入重金属杂质离子，若加入HNO3则重新引入氮元素，若加入Na2O2会使水体碱性增强等，均与目标不符，经分析后最优的氧化剂是H2O2和NaClO。

活动2：实验验证NaClO溶液和(NH4)2SO4溶液的反应

[生1]有大量无色气体产生，该物质应该是N2。

[生2]有刺激性气味的气体，生成物中应该有Cl2。

[生3]气味可能是NaClO反应生成Cl2导致的。

[生4]NaClO溶液呈碱性，且反应放热，生成物中可能含NH3。

活动3：气体成分的检验

[师]如何确定气体的成分？

[生]用湿润的红色石蕊试纸检验气体中是否含有NH3，用湿润的淀粉-KI试纸检验其中是否含有Cl2。

教师演示实验：湿润的红色石蕊试纸检验气体，试纸未变蓝；湿润的淀粉-KI试纸未变蓝。

得出结论：无色气体的主要成分是N2

活动4：溶液的pH对氧化法去除氨氮的影响

学生根据实验结果写出氧化法去除氨氮的化学方程式：

在工业中如何调控pH，使其更好去除氨氮？

[师]展示文献资料Ⅰ：25℃，反应时间为30 min时，氯与氨氮的物质的量之比为1∶3.5的条件下，pH对氨氮脱除影响如图5所示。试分析pH较大时，去除率下降的可能原因？

图5 pH对氨氮去除率的影响

[生]可能是碱性增强，ClO-的氧化性减弱

[师]展示资料卡片：

E值越小，氧化性越弱

学生经过思考、讨论、得出正确结论

活动5：思路方法小结

[师]工业生产中要从化学反应的速率和限度的角度，对化学反应条件进行优化。在实际生产中，要考虑不同温度、反应时间、投料比、pH等对氨氮去除率的综合影响，选择最佳的反应条件。因此，解决实际问题的一般思路和方法可以归纳概括为实际问题→化学反应→实验验证→优化化学工艺(速率和限度)。

设计意图：该环节先引导学生选择、评价常见的氧化剂，再动手实验验证猜测，后对无色气体的成分进行分析。借助于学生实验和演示实验，运用文献和资料卡片，充分培养学生的证据推理能力和证据意识，归纳得出解决实际问题的一般思路和方法。

2.3 了解吹脱法

[师]展示文献资料Ⅱ：吹脱法的工艺流程图如图6所示。

图6 吹脱法去除氨氮的工艺流程图

提问：用化学平衡原理解释“吹脱塔”中通入空气的目的？

[师]展示图7、图8所示相关的文献资料并提问

图7 不同初始pH对剩余氨氮浓度及脱氮率的影响(温度为40℃，吹脱时间1 h，气液比为2500)

图8 不同温度对剩余氨氮浓度及脱氮率的影响(pH为11，气液比为2500，吹脱时间1 h)

(1)为什么随着pH大于11，氨氮去除率变化不大？

(2)为什么随着温度升高，氨氮去除率变大？

(3)工业上应该选择的温度范围是？

设计意图：该环节借助文献中的工艺流程最佳条件的选择问题，引导学生在关注化学反应速率和限度的同时，还要考虑动力、环境要求和设备要求，进一步提升学生分析问题、解决问题能力。

2.4 沉淀法简介

展示文献资料Ⅲ——鸟粪石的图片：鸟粪石(MgNH4PO4·6H2O)，一种优质肥料，面对鸟粪石图片你想到了什么化学问题？请课下完成学案中内容：

分析MAP沉淀法对水体中氨氮去除的影响因素

【资料卡片】磷酸铵镁(MAP)微溶于冷水，易溶于热水和稀酸，遇碱发生分解。

在优化工艺的条件下，反应时间20 min，分别在不同温度下对NH4Cl模拟废水进行不同的实验，结果如图9所示。

图9 温度对氨氮去除率的影响

在优化工艺的条件下，25℃，时间20 min，调节不同的pH分别进行实验，如图10所示。

图10 pH对氨氮去除率的影响

【问题】依据以上资料，试回答以下几个问题

1.根据以上信息，分析出MAP沉淀法工艺流程中最优的反应条件是什么？

2.分析反应温度对氨氮去除率的影响结果，并说明可能的原因。

3.依据溶解平衡的原理分析pH较大是氨氮去除率下降的原因。

设计意图：鸟粪石的介绍激发学生极大的兴趣，并通过独立解决实际问题以及准确表述得到的结论，进一步强化了学生对解决实际问题的思路和方法的认识。

3.教学环节——反思提升

通过以上氨氮废水处理方法的学习，你能否总结出解决化学相关的实际问题的一般思路呢？

设计意图：引导学生分析出解决实际问题的一般思路，生成如图11所示板书。不仅让学生掌握基本方法，而且能引发学生不断思考、总结，提升学生的思维能力和思维品质，突破本节课的重难点。

图11 解决实际问题的一般思路和方法

4.教学环节——方法应用

展示相关资料：如图12所示为养殖场氨氮废水处理工艺流程图，请同学找出采用的相关方法。

图12 养殖场废水处理工艺图

设计意图：学以致用，让学生真正掌握解决实际问题的方法并能自如运用。

三、教学效果分析与反思

学习结束后，笔者再次对30名学生进行访谈和问卷调查，有17名学生写到，本节课不仅复习了氨氮的知识，更重要的是学会了怎样解决实际的问题；21名学生在问卷中写到学会了解决实际问题时应该考虑哪些因素的影响；还有很多同学表示这节课学会了运用文献资料，学会如何用证据进行推理，通过学习增强了证据意识和解决问题的能力与信心。教育的终极任务就是提升人的素养，学科核心素养是学科本质观和学科教育价值观的反映。基于实际问题情境的化学教学，在认识化学知识的重要价值、培养求实严谨的科学态度、责任担当和创新意识、促进学生化学学科核心素养养成等方面具有重要意义。经过深入的思考和研究，笔者从以下几个方面论述基于实际问题情境的化学教学的重要功能价值。

①实际问题的解决让学生体会化学知识在生产生活中的重要价值

孔子说：“知之者不如好之者，好之者不如乐知者”。以化学知识为载体，设置情境、引出问题，让学生在对生活事例的探究中灵活运用所学知识解决实际问题，不仅提高学生的学习兴趣，拓展学生视野，更能体会化学知识在生产生活中的重要价值。

②实际问题的解决中形成思考问题的一般思路和方法，从而迁移应用

面对实际问题综合、复杂的情景，如何从中抽提出化学问题，这需要学生具备接收、吸收、整合信息的能力，能够入木三分、独具慧眼，剥开复杂的情景外衣，看到问题的本质；其次，在运用相关化学知识解决问题过程中，能够对真实的现象、数据呈现的图像、图表进行分析加工，能用准确的化学术语及文字等表达，并能做出合理解释。而学生的这些思维和能力需要在基于实际问题解决教学中进行训练才能形成。另外，通过实际问题的解决，丰富、完善分析问题思维方法，拓展问题解决的视角，逐渐形成解决问题的一般性方法而迁移应用。

③实际问题的解决有助于发展学生化学学科核心素养，提高责任担当。