基于化学史融合课程思政的课堂实践
2024-01-16吕晓君李惠云郝龙平
吕晓君 李惠云 郝龙平
摘要：基于化学史融合课程思政的教学实践中，以“合成氨”化学史为例，从合成氨的提出、合成氨的实验室研究、合成氨的工业化生产、合成氨的未来四个方面入手，深挖课程思政元素，有机融入课堂教学，旨在充分发挥高中化学课程的育人功能，帮助学生达成思政目标。综合运用问卷和深度访谈相结合的方式评价教学效果，为教师在教学中更好地落实课程思政提供借鉴。
关键词：中学化学；化学史；课程思政；合成氨
文章编号：10056629（2023）12004206
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
1 问题的提出
2022年11月，中共中央教育部在《关于进一步加强新时代中小学思政课建设的意见》中提出，要构建大思政体系，充分发挥思想政治课主阵地作用，深入挖掘其他学科蕴含的思政资源，将课程思政有机融入各类课程教学，深入实施跨学科育人［1］。课程思政指以构建全员、全程、全课程育人格局的形式将各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，把“立德树人”作为教育根本任务的一种综合教育理念［2］。课程思政旨在通过各门学科的课堂教学，潜移默化地渗透思想政治教育，发挥课堂教学的育人功能［3］。经调查发现［4］，有部分教育从业者认为，学生的思想政治教育应该由思政课教师或班主任承担，其他学科较少或不必强调思政教育；还有部分教师已经意识到课程思政的重要性，但在实际教学中不知从何入手，或以为课程思政教学以说教为主，难以引起学生共鸣，使得教学效果不佳；大部分教师认为，任何课程的教师都有思想政治教育的责任［5］。基于以上情形和问题，教师应该深挖各类课程中蕴含的思政教育资源，有机融入课堂，引起学生在情绪情感上的共鸣，打造高效课堂。这在一定程度上可有效推动高中课堂改革，实现学校课堂教学更深层次的教育目标，完成课程思政的育人目标。
高中化学课程思政素材的来源非常广泛，可以是实验素材、生活素材、生产素材、社会素材、科技素材、化学史素材等。人教版高中化学教材中提供了丰富的化学史素材。经统计，在人教版高中化学必修教材中，相关的化学史资源共有36
个［6］。“以史明理、以史为鉴”，科学史是最好的课程思政素材［7］。化学史不仅可以让学生了解科学家们研究问题、知识与原理的过程，还可以体会科学家探索过程的艰辛，学习科学家的科学精神。高中化学教师要充分利用教材提供的化学史资源，细挖关于教学内容的思政元素，并有机融入化学课程教学中，实现学科育人价值与专业知识技能的同向同行、协同效应［8］。
“合成氨—实验室研究与工业化生产”在人教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》第二章第四节中以“科学·技术·社会”栏目形式呈现。大部分一线教师在实际教学中只注重对课本正文知识的讲授，对合成氨发展历程的内容一带而过或者不提及，這导致化学教学更多的是“教书”，而忽视了“育人”。本课例以合成氨的提出、合成氨的实验室研究、合成氨的工业化生产、合成氨的未来四个方面为主线，设置问题情境，层层推进，增加学生对合成氨发展历程的体验性。课前，通过查阅大量资料丰富教学内容，并在教学过程中融入思政教育，充分发挥化学课堂教学的育人功能。
2 教学设计的前期分析
2.1 学习任务分析
教育部关于印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》中指出［9］，不同学科课程思政元素挖掘的重点不同，各学科可以围绕自己的学科特点，构建自己的课程思政内容体系。本文参考王思琦“基于核心素养培养的高中化学课程思政的教学实践研究”［10］一文，并添加具体要求，构建了新课标高中化学课程思政内容体系。具体见表1。
化学学科的育人价值能否体现，关键在于化学核心素养能否有效落实。高中化学学科核心素养包括宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识和科学态度与社会责任五个维度。
通过梳理发现，高中化学学科核心素养中的“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”与表1中课程思政元素存在重合和交叉的关系。由此可见，在化学课堂中实施课程思政可以强化学生学科核心素养的养成。因此，课程思政在化学教学中的融合有利于体现或提升学科育人价值。
课例“合成氨—实验室研究与工业化生产”以“合成氨的发展历程”为主线，在各个环节有机融入思政教学内容，包含的主要思政元素有：科学探究、科学态度、科学精神、辩证思维、绿色化学、服务人民、爱国主义等。
2.2 学习者分析
学生通过第1课时“化学反应的调控”的学习，已初步了解化学反应的方向与反应的焓变和熵变有关，知道温度、催化剂等外部条件能影响化学反应的速率，认识浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。但在综合分析化学反应原理对化工生产条件实施优化的能力上还有欠缺。
在课程思政方面，学生在小学、初中阶段已经学习了思政相关课程；高中新课程改革中选课实施走班制，选修政治课的学生将系统地学习思政知识，但不选政治课的学生有可能弱化政治科目的学习；另外，除思政课外，学生从其他学科获取的思政相关知识较少。
2.3 教学目标
（1）通过了解合成氨的研究背景，认识化学在人类进步中的作用，树立服务社会的意识；通过对数据的处理和分析，能利用化学平衡常数对化学变化做出解释或预测；能根据吉布斯自由能变ΔG来判断化学反应能否自发，构建判断反应方向的模型。
（2）通过对哈伯研究合成氨过程的学习，体会科学家严谨求实的科学态度和勇于质疑创新的科学精神，发展“科学探究与创新意识”的核心素养；通过对合成氨装置的评价，了解“循环法”能提高原料利用率，提升分析问题的能力。
（3）通过赏析博施在合成氨中的创新与发展，能分析实验室反应和工业生产的区别，树立节约成本、绿色化学的观念；通过阅读博施研究过程的相关数据，体会科学家的科学精神和探究意识，增强社会责任感。
（4）通过合成氨工业流程的优化，能评价生产方法的优劣，加深对化学平衡的理解，提升证据推理能力，发展“绿色化学”的观念；通过了解我国合成氨研究所取得的成就，深化爱国主义思想，树立民族自豪感和荣誉感。
3 教学流程
具体教学流程见图1。
4 课堂实录
4.1 合成氨的提出
［情景导入］英国历史学家卡尔指出：历史是今天的社会和昨天的社会之间的对话。只有借助于现在，我们才能理解过去；也只有借助于过去，我们才能充分理解现在。这节课，就让我们回到过去，与过去对话，去感受合成氨是如何从实验室走向工业生产的？说到科学研究，第一步是提出问题。
［教师设问］人们为什么要合成氨？合成氨是在怎样的背景下提出的？
［学生阐述］化学家克鲁克斯指出“向空气要面包”，由于人口的增加，土地变得狭窄了，长此下去，粮食不足的时代就会到来，解决的方法必须找到氮肥。
［学生讨论］以小组为单位讨论选择合成氮肥的方式。
［小组汇报］选择氧化法，因为N2和O2原料来源丰富。
［教师点评］很有道理，你是从原料来源考虑的。
［小組汇报］选择还原法固氮。因为从PPT上可以看出还原法固氮反应在25℃时平衡常数为4.1×106，而氧化法固氮K=5×10-31，从反应限度上看，还原固氮法进行的程度大。
［教师点评］也很有道理，你是从平衡常数这个角度分析的。老师给大家一个提示，能否根据PPT上所给数据，通过计算来判断这两个反应的自发性？
［学生阐述］通过计算，氧化法固氮的ΔG>0，该反应在25℃为非自发反应，还原法固氮ΔG<0，为自发反应，因此，选择还原法固氮是合理的。
设计意图：科学探究始于问题，利用化学史素材创设真实情境——“人类之问”，化学家克鲁克斯指出“向空气要面包”，引发学生思考：我们为什么要“向空气要面包”？凸显出化学在解决粮食危机中的贡献，使学生对化学的应用有了更深刻的认识，增强学生服务社会的责任意识。针对固氮反应的选择，教师引导学生从反应方向的角度对常温下合成氨反应的可能性进行探讨，构建判断反应方向的模型，提升学生的辩证思维能力。
4.2 合成氨的实验室研究
［教师引导］还原法固氮经理论计算可行，但还需要实验验证。历史上都有哪些科学家进行研究呢？
［学生阐述］德国的能斯特明确指出氮和氢在高压条件下是能够合成氨的，并提供了一些实验数据。
法国化学家勒夏特列第一个试图进行高压合成氨的实验，但由于氮氢混和气中混进了氧气，引起了爆炸，使他放弃了这一危险的实验。
哈伯并不盲从权威，而是依靠实验来探索，终于证实了能斯特的计算是错误的。哈伯以锲而不舍的精神，经过不断地实验和计算，终于在1909年取得了鼓舞人心的成果，这就是在500℃的高温、200个大气压和锇为催化剂的条件下，能得到产率约为8%的合成氨。全世界为之震惊。
［教师引导］让我们一起来看哈伯合成氨所用的实验装置。以小组为单位用一个简单的框图来表示哈伯合成氨的实验条件及流程，见图2。并且大家在绘完图后讨论以下三个问题：
（1）哈伯使用的条件是什么？
（2）如何从产物混合物中分离得到氨？
（3）哈伯是如何处理尾气的？
［小组汇报］（1）哈伯所用合成氨的条件为500℃，压强为20MPa，锇做催化剂。
（2）冷却可以分离得到氨。
（3）哈伯采用循环泵将未反应的氮气和氢气送回到反应容器中。
［教师总结］“循环”这个词对我们来说并不陌生，无论是在做题还是在其他化学反应中都有出现。20世纪初，从整个合成氨的发展史来看，哈伯提出循环新概念，对原料的利用率有重大意义。同时这个流程并不是煮了一锅端了一锅，而是连续进气、连续得到液氨，这是一个非常有趣且有意义的操作。
设计意图：当年哈伯对已有结论和权威的怀疑和批判，并不断创新是实验室合成氨成功的关键。将“科学家敢于质疑创新的科学精神”融入课堂教学，体现了科学理论是不断被发展和完善的，提升了学生科学创新意识。科学结论的产生基于科学实验证据，哈伯不盲从权威，依靠实验探索，体现了科学家严谨求实的科学态度，学生在学习和研究的过程中也要注重实验探究和严谨的逻辑推理，提升科学素养。通过欣赏哈伯处理尾气的方法——循环法，学生能从快慢、限度、原料利用率等角度分析化学反应，最终形成从多角度综合分析问题的基本思路，提升了分析问题的能力。
4.3 合成氨的工业化生产
［情景素材］哈伯合成氨装置取得了重大突破，他靠“循环”新概念和催化剂革新申请了专利，不久之后，他的专利被德国的一家公司购买。该公司还聘请博施作为项目的总负责人，自此哈伯和博施就一起踏上了合成氨的工业化道路。现在，我们的视角开始转入合成氨的工业化生产，我们将探讨在工业化进程中是如何进行原料选择、条件优化和流程设计的？请同学们阅读资料，找出科学发明转化为工业生产面临的技术问题有哪些？
［学生讨论］以小组为单位讨论以下问题：
（1）廉价原料气的获取方法；
（2）寻找高效、稳定的催化剂；
（3）开发适合高温、高压下的合成氨的设备。
［小组汇报］通过阅读材料可知，采用水煤气作为氢气的来源，氮气来源于空气。
［教师引导］大家可以试着写出水煤气制氢气的反应。产物除了氢气还有什么？
C+H2O====CO+H2
［教师设问］一氧化碳怎么除去？如果不除去CO将会有什么样的后果？
［学生阐述］CO是污染性气体，因此必须除去。
［教师引导］CO可以继续和水蒸气反应除去，它不仅是污染性气体，更重要的是它将会造成催化剂中毒。那CO2怎么除去？
［学生阐述］用氢氧化钠吸收。
［教师引导］氢氧化钠如果用作工业生产的吸收剂将造成很高的成本，不划算。因此选用碱性稍弱的K2CO3吸收。
［教师设问］锇、铀有什么样的缺点？博施研究出了什么催化剂？
［小组汇报］锇是稀土金属，比较昂贵，不适合工业生产用。铀有放射性，也不适合。1922年，博施进行了超过2500种配方的20000次实验，终于筛选出含铅、镁促进剂的铁催化剂。
［教师引导］可见科学研究并不是一帆风顺的，需要无数科学家锲而不舍、迎难而上，才能成功。希望同学们不管在学习中还是在日常生活中都应该学习科学家的这种精神。接下来，请同学们以小组为单位用一个简单的框图来表示合成氨的工业流程图，见图3。
［教师设问］第三个问题，哈伯实验室设备能用到工业生产上吗？
［小组汇报］不能。通过文献资料可知，在完成展示实验的第二天，哈伯的试验设备就成了一堆废铁！因为高温高压，低碳钢制成的反应器无法承受氢气的腐蚀。改用熟铁做衬里，熟铁虽没有强度，却不怕氢气的腐蚀。
设计意图：本环节以真实情境为载体，以问题串形式引导学生积极思考，能有效培养学生的问题意识以及应用所学知识解决问题的能力，促进学生思维品质的提升。通过分析原料制备过程中遇到的催化剂中毒及气体除杂等问题，启发学生分析实验室反应和工业生产的区别，促使学生从节约成本、绿色化学等角度，优化工业流程，增强学生将化学原理应用于生产、生活的意识。催化剂的优化是博施经过数万次实验后的选择，学生在赏析博施科学探究精神的过程中，体会科学研究的艰辛。科学研究是一个基于前人的研究成果不断开拓发展的过程［11］，博施对合成氨设备的改良正是基于哈伯等人的研究，通过继承、发展和创新所获得的。
4.4 合成氨的未来
［内容过渡］至此，合成氨的技术难题终于被解决。哈伯完成了合成氨的基础研发工作，博施实现了合成氨的工业化，二人因此获得了诺贝尔化学奖。合成氨从实验室研究到工业化生产，科学家们探索了100多年的时间。合成氨已经实现了工业化生产，那是否合成氨的研究到此结束了呢？接下来我们进入第四部分的学习——合成氨的未来。借助前人的研究可以给我们哪些启发呢？大家可以畅所欲言，发表自己的观点！
［小组汇报］低温有利于合成氨，接下来的研究应该着眼于低温催化剂的研究，比如25℃的催化剂，这样可以节约能源！
［教师点评］的确如此，我国物理化学研究所研究团队研制了一种新型催化剂，将合成氨的温度和压强降到了350℃、1MPa。这是我们的努力方向。
［小组汇报］研究的方向可以聚集在设备上，研究出更坚硬的设备，这样就能承受更大的压强，以及能承受物理核聚变反应等！
［小组汇报］氢气的来源需要消耗大量的化石燃料，造成碳排放，寻找合适的绿色替代方案才是应该研究的。
［教师总结］大家各抒己见，发表了自己的观点，说的都很有道理，前人的研究给了我们后续研究很大的启发！同学们今后可以从事合成氨方面的研究，贡献自己的一份力量。这节课我们对合成氨的发展历程进行了学习，了解到合成氨的研究经历了很多曲折，也让我们设身处地体验了合成氨的研究。
设计意图：合成氨的研究先后持续了一个世纪，从实验室到工业化，体现了科学家顽强不屈、敢于创新的科学精神。虽然合成氨已经实现了工业化生产，但合成氨的研究并未停止。本环节学生开展分组交流，进一步优化合成氨的工业流程，引导学生在科学探究中进行科学思维。在思维成果展示阶段，学生从低温催化剂研究、降低能耗、设备、原料来源等角度发表观点。低温催化剂研究是从化学反应速率和化学平衡两个角度对合成氨条件进行优化，低温可以提高氨产量（限度），催化剂可以加快反应速率（速率）。在学生提出方案的基础上展示我国科学家研究的新型催化剂已将合成氨的温度和压强降到了350℃和1MPa。学生在了解我国科研成果的同时，深化了爱国主义思想，增强了民族自豪感和荣誉感。降低能耗、改变原料来源是从“绿色化学”角度出发，使学生了解和重视合成氨工业与环境保护的关系，树立节约能源、保护环境的意识。
5 评价反思
为了解教学效果，本研究从参与程度、知识技能、思政素养水平三个方面设计了学生课后自评量表（见表2），以发现教学不足，及时改进。
课后学生可根据自身的真实感受评分，1代表非常不同意、2代表比较不同意、3代表中立、4代表比较同意、5代表非常同意。每个评价项目的得分为各题项的平均分，分数越高代表被测对象该项目越优秀。
結合学生自评量表及深度访谈可知，学生在课堂上既学习了化学知识，还学到了许多与生产、生活等有关的知识；沿着科学家探索的足迹认识合成氨的制备过程，迁移应用所学知识解决化工实际问题，更能加深对知识的理解与应用；体会科学家对合成氨工业化做出的突出贡献，深刻感受化学学科的价值。教师分析学生的反馈信息，认为本节课学生参与度高，学有所得，教学目标基本达成。新时代“大思政”背景下，在中学化学教学中融入课程思政，教师不仅要提高自身的思政素养，还要结合化学学科特点，深入挖掘教材中的思政元素，运用适当的教学策略开展思政教育，真正实现知识传授与价值引领的有机统一。
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