指向“科学态度与社会责任”的单元复习教学

孙换男 吕琳 袁林

摘要： 以“尿素的合成与合理使用”为情境主线，以“感受尿素合成的新方法”到“感知尿素之功”及“感知尿素之过”再到“感悟尿素的环保价值”四个逐层递进的教学环节，展开“含氮化合物的合理使用”单元复习，让学生感受化学知识的价值和化学对人类生产生活做出的巨大贡献，形成合理使用化学品的意识和绿色化学观念，以此促进学生“科学态度与社会责任”学科核心素养的发展。

关键词： 高中化学； 科学态度与社会责任； 学科核心素养； 单元复习； 含氮化合物的合理使用

文章编号： 1005-6629（2024）02-0047-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

“科学态度与社会责任”是化学学科核心素养的重要组成部分，是化学学科整体育人功能和价值的具体表现。然而，以高中化学教材为载体抽提出来的“科学态度与社会责任”这一核心素养属于人文范畴，承载这一维度的知识载体一般不构成知识重点，部分教师对该素养的培养往往流于形式，在开展学习评价时也未将该素养落到实处［1］。认识的不足、培育的缺位导致学生“科学态度与社会责任”素养未能充分发展。有些教师虽关注到“科学态度与社会责任”素养的培养，但在实际教学中又将此与知识的学习、能力的培养割裂开来。

资料显示，目前人们对“含氮化合物的合理使用”这一单元的教学设计主要关注点是培养学生的问题解决能力、决策能力和元素化合物知识结构化的研究。也有部分学者关注到“科学态度与社会责任”素养的培养研究，如叶炜华在高三复习课中，以“工业合成NH4NO3”为情境任务，关注学生绿色化学理念的培养［2］，但其研究重点放在了情境的创设上。基于此，笔者以“含氮化合物的合理使用”单元复习教学为例，探索培养学生“科学态度与社会责任”核心素养的方法和途径。

2 基于“科学态度与社会责任”的单元复习教学设计

2.1 教学要求与教学内容分析

“含氮化合物的合理使用”是《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）必修课程主题2“常见的无机物及其应用”中的主要学习内容，学业要求中明确指出，学生要能够“了解氮及其化合物的重要性质，认识含氮化合物在生产生活中的应用和对生态环境的影响，能有意识地运用所学知识寻求相关证据参与社会性议题的讨论”［3］。教学建议中要求，“教师在教学中能紧密联系生产生活实际，创设丰富多样的真实问题情境，重视开展高水平的实验探究活动”［4］。可见，该内容的学习不仅可以培养学生的学科思维，更是“科学态度与社会责任”素养培养的重要载体。

“含氮化合物的合理使用”是苏教版高中化学必修第二册专题七第三单元的内容：铵盐的性质、常见氮肥及其使用和氮氧化物的无害化处理（共三课时）。传统的单元复习中教师往往围绕不同的含氮物质的性质和转化展开，较多关注学科知识网络的建构，而缺少真实情境问题的解决过程，导致学生被动、机械式地学习，获得的知识是零散的、不完整的［5］。本研究复习课则将单元内容重整，以“尿素的合成与合理使用”为情境线索展开教学，一方面促进学生将含氮化合物相关的零散知識结构化，帮助学生在真实情境问题的解决中深入理解和应用知识，另一方面让学生感受到尿素合成对农业生产所起的巨大促进作用，并通过尿素过量使用带来水体污染的实验和讨论，培养学生资源合理利用与环境保护的意识，养成严谨求实的科学态度。

2.2 学情分析

通过课前访谈发现，学生经过新授课的学习，已经初步掌握含氮物质的主要性质，认识到含氮物质在生活中的应用，但还未能主动关心并参与化学品合理使用等有关社会性议题的讨论，缺少辩证地看待含氮物质在生产、生活应用中带来双重影响的意识。

2.3 教学目标

（1） 通过对尿素合成与使用的讨论，掌握含氮化合物之间的相互转化，感受化学对农业生产、社会可持续发展带来的重要影响。

（2） 通过对含氮化合物合理使用的初步评估，分析含氮化合物之间的转化与环境问题之间的关系。通过“看见氨氮”“除去氨氮”等实验和讨论环节，提出处理环境污染物的合理建议。

（3） 通过尿素处理柴油汽车尾气原理的探讨，形成绿色环保意识，增强社会责任感。

2.4 教学设计思路

教学设计思路如图1所示。

3 教学实录

3.1 环节一：感受尿素合成的新方法

［情境引入］播放央视新闻短片《新疆玛纳斯县100余台植保无人机助力春耕生产》，从视频中了解到目前农村使用无人机代替人工进行大面积的田间施撒尿素的情况。

［教师提问］尿素对于农作物来说有哪些功效？

［学生回答］尿素能够促进植物的生长发育，使叶色浓绿，提高植物对营养物质的吸收。

［问题引导］尿素在工业上是如何合成的？

［学生回答］工业合成方法是二氧化碳和氨气在高温高压下合成。

［教师追问］这种方法的不足之处在哪里？

［学生回答］该方法的不足之处是能耗高。

［教师讲解］寻找一种低能耗、高产率的尿素生产工艺迫在眉睫。查阅文献发现，使用二维过渡金属硼化物做催化剂在常温下对氮气和二氧化碳同时催化偶联生成尿素已成为可能，这是一种绿色环保的合成方法。同时也为电化学法合成尿素奠定了基础，这是电化学合成尿素的机理（图2）［6］。

3.2 环节二：感知尿素之功

［教师讲述］描述尿素研制和发展的历程，展示使用尿素后粮食增产的数值，阐述化学对农业生产作出的巨大贡献。

［教师设问］尿素为何能使粮食增产？尿素进入土壤之后是如何发挥作用的？

［交流讨论］图3展示的是反应机理，其中第一步是尿素在脲酶的作用下水解生成氨基甲酸和氨气［7］，请大家从物质转化的角度描述②～④的反应过程。

［学生活动］②氨基甲酸与水反应生成二氧化碳和氨气；③氨气吸附土壤中的氢离子生成NH+4；④也可

在硝化细菌的作用下生成NO-3，最终被农作物吸收利用。

3.3 环节三：感知尿素之过

［任务1］从保存到使用尿素时有哪些注意事项？解决这些问题需要我们了解其性质。老师给大家准备了一瓶尿素肥料和一瓶尿素水溶液，大家可以结合表1，边观察边思考。

［学生活动］平时需干燥、密封、阴凉处保存。不能施完马上灌水，尿素是一种水溶性、易分解氮肥，使用时需要深施覆土，减少挥发。

［教师讲解］根据尿素的性质和作用机理可以看出，如果过量使用尿素，落肥点氮的浓度过高，转化的过程中会形成过量的氨，导致烧苗；产生过量的NO-3由土层扩散、输送到河流中，最终可能导致水体富营养化。

［任务2］如何去除多余的氮？

［教师展示］大家看这瓶污水样本，这里面含氮量是否超标、如何才能看见水中的“氮”呢？

［学生交流］通过试剂检测。

［教师讲解］我们可以借助检测鱼缸水质的氨氮检测试剂来检测麦田水沟污水中的氨氮含量。老师课前带领四位同学实地采集了麦田水沟污水水样，请大家根据提供的河水水样，分小组按实验要求进行检测。

［学生分组实验1］

取出水样，依次滴加1、 2、 3号指示剂各六滴，振荡后与标准比色卡比对。实验检测结果表明，田间小河沟水中的氨氮量超过10mg/L，水质是不达标的。

［教师讲解］那么，饮用水水源中的氨氮含量是否达标呢？一起看老师录制的徐州新沂市水源地——骆马湖水质检测的视频。

检测结果表明，骆马湖水中的氨氮含量大概在0～0.25mg/L，低于国家饮用水标准的0.5mg/L。作为饮用水来源是安全可靠的。当需要精确的读数时，可以利用离子传感器进行定量的检测。

［教师引导］当我们能够直观地“看见”水中的氨氮后，请进一步思考水中多余的氮如何去除？

［学生回答］借助生物法，使用硝化细菌除去水中的氨氮；借助化学法，通过加入一些试剂将其转化为沉淀或者气体除去。

［教师引导］微生物硝化细菌很容易受到环境的影响而降低自身的活性，使去除率下降。我们学习了化学知识和原理后，自然可以从学科视角利用化学方法去除氨氮。工业上常用的有沉淀法、吹脱法、折点氯化法、氧化法等。如果在实验室中模拟除去水中的NH+4，从铵盐性质的角度思考有什么方法？

［学生讨论］铵盐与碱反应产生氨气，可以通过加热加碱的方法去除NH+4。这种方法存在弊端，会造成二次污染。

［教师引导］由铵盐到氨气的转化是非氧化还原反应，能否从氧化还原的角度思考？先完善“价-类”二维图（图4），再讨论NH+4可以转换成什么物质除去。

［交流讨论］不能转化成氮氧化物，因氮氧化物有毒，会造成大气污染，形成酸雨。也不能转化成硝氮，氮元素仍在溶液中，会造成硝氮污染。应该选用氧化剂将它转化成无污染的氮气除去。

［教师提问］常见的氧化劑有哪些？选择的依据又是什么？

［交流讨论］酸性高锰酸钾、氧气、双氧水、次氯酸钠等。高锰酸钾会引入重金属离子，双氧水的性质不稳定、氧气不易溶于水。

［教师讲解］查阅文献发现工业上经常选用次氯酸钠作为氧化剂。请在实验室中用硫酸铵和次氯酸钠溶液的反应模拟除去废水中的NH+4。

［学生分组实验2］西林瓶中装有硫酸铵，缓慢地将注射器中的次氯酸钠推入西林瓶中，观察实验现象（图5）。

［学生汇报］产生气泡，针筒中收集到氮气。书写在碱性条件下反应的离子方程式。

2NH+4+3ClO-+2OH-N2↑+3Cl-+5H2O

［教师讲解］被除去的NH+4有多少呢？我们可以通过NH+4传感器来监测溶液中NH+4的浓度变化，以此更准确地评估NH+4的去除效率。通过观察曲线，可以准确判断溶液中NH+4浓度的变化趋势，如图6所示。

3.4 环节四：感悟尿素的环保价值

［观看视频］尿素不仅在农业上有使用价值，在环保领域也有用武之地，比如利用车用尿素可处理柴油汽车尾气中的氮氧化物。我们可通过视频来了解车用尿素的工作原理。

［教师讲解］尿素水溶液分解产生的NH3在SCR（选择性催化还原）催化作用下，NH3将柴油车尾气中的NOx选择性还原为N2的过程称为NH3-SCR脱硝。当n（NO）∶n（NO2）=1∶1时，会发生快速NH3-SCR脱硝反应。请写出该反应的化学方程式。

［学生板书］2NH3+NO+NO2SCR催化剂2N2+3H2O。

［教师阐述］同学们，自然界中含氮化合物在不断地相互转化，人类为了生存和发展也会创造条件，通过化学变化进行含氮化合物的转化，如将空气中的氮气转化为氨气，将氨气进一步转化为尿素等，通过这些转化，为人类的生活和生产创造所需要的物质。但在实施物质转化的过程中，我们不仅要考虑成本、生产效率等问题，还应考虑到对环境的影响，这是出于对自然界的感恩，更是出于对自身生存环境保护的责任。就像丁仲礼院士说的那样，“其实地球不需要人类拯救，我们需要拯救的是自己”。

［课堂总结］通过本节课的学习，同学们对于“含氮化合物的使用”有了哪些认识？

［师生互动］过度使用化肥会造成水体污染，要具有“绿色化学”的意识，合理使用含氮化合物，让化学为我们人类作出积极贡献；能运用所学的化学知识和方法解决生活中的简单问题；要用辩证的眼光看待物质，物质本身并无功与过之分，关键在于如何使用它……

［课后作业］经过上述学习，请同学们课后查阅资料，以小组为单位撰写以“在农业、工业和医疗等领域，如何看待氨的使用”为题的科技小论文。

［板书设计］见图7。

4 教学效果与反思

本节课在教学设计前不仅预设了学习目标，还依据新课标绘制了“科学态度与社会责任”素养的学习进阶，见图8。

通过课堂提问、交流讨论、实验方案设计、成果分享等活动，学生在解决一个个任务的过程中，不仅提升了问题解决的能力，而且体悟到化学品对人类生产生活作出的伟大贡献，从社会与环境等多个角度评价尿素的功与过。从学生在课堂学习中的表现可以看出，大部分学生达到了该学科素养二级水平，达到了预期的学业质量标准要求。有部分学生还能从环境保护、降低化学品负面影响等角度提出解决工业生产中产生废气的方案，学科素养水平达到了三级水平，超出预期的学习目标。由此可见，“科学态度与社会责任”的单元复习，需要以学科知识为基础，着眼于学生的知、情、意、行，创设真实的情境问题，在解决问题的过程中，提高学生的决策能力，强化社会责任意识。

诚然，本节课的教学实践还存在一些问题，如未曾带领学生进行实地检测骆马湖湖水的氨氮含量，学生的真切感受不够；对“多余氨氮的处理方案设计”等开放性议题的探讨维度不够开阔，未引导学生从成本核算、循环使用等多个角度进行思考，这有待于在今后的教学中加以改进。

5 结语

在元素及其化合物的复习课中，教师要有目的、有意识地培养学生“科学态度与社会责任”的学科核心素养，深入挖掘有利于“科学态度与社会责任”学科核心素养培养的情境素材，通过真实的问题情境和以讨论交流为特征的多种教学活动，提高学生化学品使用的风险评估意识，提高学生运用所学知识分析物质转化过程对健康、环境、社会可持续发展带来的多重影响的能力，从而促进“科学态度与社会责任”学科核心素养的落实。

（本课例曾获“徐州市优质课大赛”一等奖，小组评比第一名）

参考文献：

［1］王卫， 张忠孝. 基于核心素养“科学态度和社会责任”培养的教学设计——以人教版必修2“环境保护和绿色化学”为例［J］. 化学教学， 2019， （3）： 46～49.

［2］叶炜华. 用优质素材创设有价值的教学情境——以“工业合成NH4NO3”为例［J］. 中学化学教学参考， 2022， （11）： 15～20.

［3］［4］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 12～13.

［5］喻俊， 叶佩佩. 促进学生核心素养发展的单元教学设计实践探索［J］. 化学教学， 2020， （5）： 51～55.

［6］Xiaorong Z， Xiaocheng Z， Yu J， et al.. Electrochemical synthesis of urea on MBenes ［J］. Nature Communications， 2021， 12（1）： 1～9.

［7］肖紅. 乙草胺、尿素过量使用对黑土农田的生态毒理效应及机理研究［D］. 沈阳：中国科学院研究生院（沈阳应用生态研究所）硕士学位论文， 2009： 65～66.