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摘要：以“合成氨”反应为载体开展主题式教学，设计并实施了“了解反应的限度”“理解反应的限度”和“突破反应的限度”三个教学环节，拓展了学生对化学反应的认识角度，促进了学生学科能力及素养的发展。
关键词：主题式教学;化学反应的限度;合成氨
文章编号：1008-0546（2019）11-0068-03
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2019.11.018
一、研究背景
1.主题式教学设计
主题式教学设计是以主题为轴，用真实情境表达教学主题，用教学主题体现教学目标和教学要求，用教学目标和教学要求刺激和满足学生的认知和非认知发展需求的一种整体性教学设计[1]。在教学中，教师可以围绕某一主题进行相关学科知识的整合，引导学生进行主体性的学习和探究，使学生的认知发生有效迁移，提高学生解决问题和主动探究的能力，真正实现“以生为本”的教学理念。
2.教材与学情分析
（1）教材分析
“化学平衡”是高中化学概念原理的核心内容，涉及高一、高二、高三3个年段的进阶教学，包含新授课和复习课两种课型。“化学反应的限度”是“化学平衡”的初阶（其教学要求见表1），是高一学生认识化学反应的重要角度，学生通过这部分内容的学习能够初步掌握调控反应的方法，为今后深入学习化学平衡的移动、平衡常数等内容打下基础。铵作为氮肥使用，但由于产量少，价格贵，远远解决不了人口激增、粮食短缺的社会问题。于是科学家们将目光转向空气，以极大的热情投入到将氮气转化为氨再生产氮肥的研究中。但是研究初期，在当时的理论基础和实验条件下，研究工作却陷入困境。科学家们发现用氮气和氢气合成氨气，反应很慢，产量极少，根本达不到工业化生产的要求。
[教师活动]合成氨反应究竟是一类怎样的反应，科学家们能否解决难题，实现合成氨的工业化生产呢？
[学生活动]①取1滴管O.1mol/L的KI溶液于试管中，向其中加入2滴O.1mol/L的FeCl3溶液，充分振荡;②继续向上述溶液中加入约等体积的CC14，充分振荡后静置;③在上层清液中滴加1滴KSCN溶液。
[学生表现]观察实验现象：①中溶液变黄;②分层，下层紫红色;③溶液变成血红色。
思考后得出结论：Fe3 不能完全转化为Fe2 。
[设计意图]通过实验，让学生亲身感受有这样一类反应：在同一反应条件下，既可以向正反应方向进行，同时又可以向逆反应方向进行，反应有一定的限度，反应物不能完全转化为生成物，这类反应就是可逆反应。
[教师活动]你还能列举哪些可逆反应？
[学生活动]踊跃上黑板书写其他可逆反应，气氛热烈。其中一位学生写了合成氨反应。
[教师活动]合成氨反应也是可逆反应，氮气和氢气在合成氨气的同时，氨气也在分解，而科学家们在研究初期，正是由于对这个反应的特点缺乏了解，研究才会陷入困境，所以我们还需要更加深入地研究这个反应。
环节二：理解反应的限度
[情境2] 450℃时，往一个2L的密闭容器中充入1molN2和2.6molH2，反应过程中对NH3的浓度进行检测，得到的数据如表2所示：
[教师活动]①氨气的浓度呈现怎样的变化规律？
②假设氮气和氢气完全反应，理论上能获得氨气多少mol？
③实际最多获得氨气多少mol？
④氮气和氢气的浓度又会有怎样的变化？
[学生活动]在教师的逐步引导下，学生积极思考，细心演算。计算结果如表3所示。
[学生表现]①能根据图表数据说出氨气的浓度变化规律：先递增后保持不变。
②小部分同学未注意到氮气和氢气的物质的量之比不是1：3，出现计算错误。
③能理解“最多”的含义：0.20mol/L为氨气浓度的最大值，并运用公式计算得出正确结果。
④小部分同学应用“三段式”计算还不熟练，在規定时间内无法完成。
[设计意图]通过对数据的比较、分析、处理，深入挖掘“可逆反应”的概念价值，培养学生的证据意识。
[教师活动]请以时间（t）为横坐标，浓度（c）为纵坐标，画出各物质浓度变化曲线图。
[学生活动]动笔绘图，信心满满。
[学生表现]能根据氮气、氢气、氨气浓度变化画出浓度（c）-时间（t）图。
[设计意图]通过绘图，让学生建立化学平衡的认知模型，更容易地理解化学平衡的特征。
[教师活动]当反应物和生成物的浓度不再变化，可逆反应就达到了最大限度，此时反应是否就停止了呢？
[学生活动]有的说反应停止了，有的说没有停止。
[学生表现]以学生的认知水平，无法理解化学平衡是一种动态平衡，所以教师继续引导。
[教师活动]我们还可以绘制氨气的生成速率（正反应速率）与分解速率（逆反应速率）随时间变化的速率（v）一时间（t）图（学生绘图见图2）。当正反应速率和逆反应速率相交时，表示正反应速率与逆反应速率相等且不为0，此时反应物和生成物的浓度不再变化，可逆反应达到最大限度，即化学平衡状态，所以化学平衡是动态平衡。
[学生活动]观看喷泉池持续喷水，而水面没有上升的视频加深理解。
[教师活动]合成氨反应的工业化之路之所以困难重重，与这个反应是可逆反应，到达平衡状态产物就不会增加有关。如果要大量生产氨气，你是希望这个反应保持平衡状态还是打破平衡状态？往哪个方向移动才能获得更多的氨气？
[学生表现]想法一致：必须打破化学平衡状态，往正反应方向移动才能获得更多的氨气。 [设计意图]化学平衡状态的五大特征：“逆”“等”“动”“定”“变”，前四个特征已经呈现出来，如何展现“变”（即改变外界条件化学平衡发生移动）这一特征？如果认为这是高二、高三的教学任务而直接采用告知学生的传统方式，就背离了新课程改革的初衷，所以教师的教学方式也要“变”。
环节三：突破反应的限度
[情境3]19世纪下半叶，物理化学的巨大进展使人们认识到：合成氨反应是可逆的。法国化学家勒夏特列为合成氨奠定了理论基础，他是第一个试图在高压条件下合成氨的科学家，但是由于氮氢混合气中混入氧气引起爆炸，使他放弃了实验。德国物理化学的权威能斯特，选择铂粉、锰作催化剂，在685℃，50atm下得到0.96%（在平衡混合气中所占体积分数）的氨。德国化学家哈伯与能斯特几乎同时尝试合成氨。1907年，哈伯选择锇作催化剂，在550℃，150-250atm下得到8.25%的氨。
[教师活动]哈伯与能斯特的实验方法有何相似之处？哈伯为什么能获得更多氨气？给你哪些启示？
[学生活动]踊跃回答，气氛热烈。
[学生表现]①能说出相似之处：使用催化剂、高温、高压。
②哈伯使用的催化剂与能斯特不同，还降低了温度，增大了压强。
③勒夏特列因为害怕而错过合成氨反应的重大发现，有些可惜，但成功总是留给能坚持到底的人。
[设计意图]虽然学生没有学习过勒夏特列原理，不清楚催化剂是不会影响平衡移动的，但是从情境素材的对比中，学生能得出降温、加压有利于合成氨反应正向移动，能初步解释化工生产中反应条件的选择问题，提升了学生的成就感，也在今后选修化学的学生心中埋下了一颗好奇的种子。
[情境4]1909年，哈伯又提出“循环操作”的工艺技术，进一步提高合成氨的产率。同年，德国BASF公司买下了合成氨的专利权。随后，化学家兼工程师博施带领他的团队攻坚克难，经历了6500多次的催化剂筛选实验，发明了耐高温高压的双层反应釜，终于在1913年9月9日，建成了第一座合成氨工厂，开创了工业合成氨的时代。哈伯和博施分别获得1918年和1931年诺贝尔化学奖。
[学生活动]全班鼓掌。
[设计意图]化学科学的发展是人类智慧的结晶，是一代又一代化学人不畏艰险、百折不回、勇于实践创新的结果，化学学科带给学生的不仅是知识的进化和思维的启发，更是一种力量的支撑、精神的鞭笞和创造的信念。
三、教学反思
主题式教学的开展对教师的要求较高，教师要有更开阔的视野、更长远的考量，不能仅局限在眼前知识的讲解，更应着眼于如何提升学生核心素养以适应未来发展的多样化需求上。所以在进行教学设计的时候，教师要能打破不同单元、不同年段、不同学科之间的壁垒，将相关内容进行梳理、整合，通过创设情境、实验探究、证据推理等环节，提升学生的思维品质。
“化学平衡”内容贯穿高巾三个年段，“合成氨反应”在必修模块的“氨气的制备”“化学反应的限度”，选修模块的“化学平衡的移动”中多次出现，是极具有学科价值的一个经典反应，本节课围绕“合成氨反应”开展教学，既是主题式教学的一次尝试，更是对科学家们的致敬。
为了及时掌握学生对于化学平衡状态的理解程度，本堂课最后设置了一个反馈环节：在一定条件下，恒温恒容密闭容器巾进行可逆反应：N2 3H2催化剂2NH3，下列能说明该反应已经达到化学平衡状态的是____。
A.单位时间内生成n mol N2同时生成3n mol H2
B.单位时间内生成n mol N2同时消耗3n mol H2
C.容器巾N2、H2、NH3的濃度之比为1：3：2
D.容器巾N2、H2、NH3的浓度保持不变
C选项通常是学生易选的一个错误选项，虽然通过习题强化能提高应试技巧，但是本堂课通过环节二的铺垫，教师引导学生运用数据素材开展了概括关联、比较说明等活动，所以绝大多数学生没有“踩雷”，学习效果显著。
参考文献
[1]袁顶国，朱德全.论主题式教学设计的内涵、外延与特征[J].课程·教材·教法，2006，26（ 12）：19-23
关键词：主题式教学;化学反应的限度;合成氨
文章编号：1008-0546（2019）11-0068-03
中图分类号：G632.41
文献标识码：B
doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2019.11.018
一、研究背景
1.主题式教学设计
主题式教学设计是以主题为轴，用真实情境表达教学主题，用教学主题体现教学目标和教学要求，用教学目标和教学要求刺激和满足学生的认知和非认知发展需求的一种整体性教学设计[1]。在教学中，教师可以围绕某一主题进行相关学科知识的整合，引导学生进行主体性的学习和探究，使学生的认知发生有效迁移，提高学生解决问题和主动探究的能力，真正实现“以生为本”的教学理念。
2.教材与学情分析
（1）教材分析
“化学平衡”是高中化学概念原理的核心内容，涉及高一、高二、高三3个年段的进阶教学，包含新授课和复习课两种课型。“化学反应的限度”是“化学平衡”的初阶（其教学要求见表1），是高一学生认识化学反应的重要角度，学生通过这部分内容的学习能够初步掌握调控反应的方法，为今后深入学习化学平衡的移动、平衡常数等内容打下基础。铵作为氮肥使用，但由于产量少，价格贵，远远解决不了人口激增、粮食短缺的社会问题。于是科学家们将目光转向空气，以极大的热情投入到将氮气转化为氨再生产氮肥的研究中。但是研究初期，在当时的理论基础和实验条件下，研究工作却陷入困境。科学家们发现用氮气和氢气合成氨气，反应很慢，产量极少，根本达不到工业化生产的要求。
[教师活动]合成氨反应究竟是一类怎样的反应，科学家们能否解决难题，实现合成氨的工业化生产呢？
[学生活动]①取1滴管O.1mol/L的KI溶液于试管中，向其中加入2滴O.1mol/L的FeCl3溶液，充分振荡;②继续向上述溶液中加入约等体积的CC14，充分振荡后静置;③在上层清液中滴加1滴KSCN溶液。
[学生表现]观察实验现象：①中溶液变黄;②分层，下层紫红色;③溶液变成血红色。
思考后得出结论：Fe3 不能完全转化为Fe2 。
[设计意图]通过实验，让学生亲身感受有这样一类反应：在同一反应条件下，既可以向正反应方向进行，同时又可以向逆反应方向进行，反应有一定的限度，反应物不能完全转化为生成物，这类反应就是可逆反应。
[教师活动]你还能列举哪些可逆反应？
[学生活动]踊跃上黑板书写其他可逆反应，气氛热烈。其中一位学生写了合成氨反应。
[教师活动]合成氨反应也是可逆反应，氮气和氢气在合成氨气的同时，氨气也在分解，而科学家们在研究初期，正是由于对这个反应的特点缺乏了解，研究才会陷入困境，所以我们还需要更加深入地研究这个反应。
环节二：理解反应的限度
[情境2] 450℃时，往一个2L的密闭容器中充入1molN2和2.6molH2，反应过程中对NH3的浓度进行检测，得到的数据如表2所示：
[教师活动]①氨气的浓度呈现怎样的变化规律？
②假设氮气和氢气完全反应，理论上能获得氨气多少mol？
③实际最多获得氨气多少mol？
④氮气和氢气的浓度又会有怎样的变化？
[学生活动]在教师的逐步引导下，学生积极思考，细心演算。计算结果如表3所示。
[学生表现]①能根据图表数据说出氨气的浓度变化规律：先递增后保持不变。
②小部分同学未注意到氮气和氢气的物质的量之比不是1：3，出现计算错误。
③能理解“最多”的含义：0.20mol/L为氨气浓度的最大值，并运用公式计算得出正确结果。
④小部分同学应用“三段式”计算还不熟练，在規定时间内无法完成。
[设计意图]通过对数据的比较、分析、处理，深入挖掘“可逆反应”的概念价值，培养学生的证据意识。
[教师活动]请以时间（t）为横坐标，浓度（c）为纵坐标，画出各物质浓度变化曲线图。
[学生活动]动笔绘图，信心满满。
[学生表现]能根据氮气、氢气、氨气浓度变化画出浓度（c）-时间（t）图。
[设计意图]通过绘图，让学生建立化学平衡的认知模型，更容易地理解化学平衡的特征。
[教师活动]当反应物和生成物的浓度不再变化，可逆反应就达到了最大限度，此时反应是否就停止了呢？
[学生活动]有的说反应停止了，有的说没有停止。
[学生表现]以学生的认知水平，无法理解化学平衡是一种动态平衡，所以教师继续引导。
[教师活动]我们还可以绘制氨气的生成速率（正反应速率）与分解速率（逆反应速率）随时间变化的速率（v）一时间（t）图（学生绘图见图2）。当正反应速率和逆反应速率相交时，表示正反应速率与逆反应速率相等且不为0，此时反应物和生成物的浓度不再变化，可逆反应达到最大限度，即化学平衡状态，所以化学平衡是动态平衡。
[学生活动]观看喷泉池持续喷水，而水面没有上升的视频加深理解。
[教师活动]合成氨反应的工业化之路之所以困难重重，与这个反应是可逆反应，到达平衡状态产物就不会增加有关。如果要大量生产氨气，你是希望这个反应保持平衡状态还是打破平衡状态？往哪个方向移动才能获得更多的氨气？
[学生表现]想法一致：必须打破化学平衡状态，往正反应方向移动才能获得更多的氨气。 [设计意图]化学平衡状态的五大特征：“逆”“等”“动”“定”“变”，前四个特征已经呈现出来，如何展现“变”（即改变外界条件化学平衡发生移动）这一特征？如果认为这是高二、高三的教学任务而直接采用告知学生的传统方式，就背离了新课程改革的初衷，所以教师的教学方式也要“变”。
环节三：突破反应的限度
[情境3]19世纪下半叶，物理化学的巨大进展使人们认识到：合成氨反应是可逆的。法国化学家勒夏特列为合成氨奠定了理论基础，他是第一个试图在高压条件下合成氨的科学家，但是由于氮氢混合气中混入氧气引起爆炸，使他放弃了实验。德国物理化学的权威能斯特，选择铂粉、锰作催化剂，在685℃，50atm下得到0.96%（在平衡混合气中所占体积分数）的氨。德国化学家哈伯与能斯特几乎同时尝试合成氨。1907年，哈伯选择锇作催化剂，在550℃，150-250atm下得到8.25%的氨。
[教师活动]哈伯与能斯特的实验方法有何相似之处？哈伯为什么能获得更多氨气？给你哪些启示？
[学生活动]踊跃回答，气氛热烈。
[学生表现]①能说出相似之处：使用催化剂、高温、高压。
②哈伯使用的催化剂与能斯特不同，还降低了温度，增大了压强。
③勒夏特列因为害怕而错过合成氨反应的重大发现，有些可惜，但成功总是留给能坚持到底的人。
[设计意图]虽然学生没有学习过勒夏特列原理，不清楚催化剂是不会影响平衡移动的，但是从情境素材的对比中，学生能得出降温、加压有利于合成氨反应正向移动，能初步解释化工生产中反应条件的选择问题，提升了学生的成就感，也在今后选修化学的学生心中埋下了一颗好奇的种子。
[情境4]1909年，哈伯又提出“循环操作”的工艺技术，进一步提高合成氨的产率。同年，德国BASF公司买下了合成氨的专利权。随后，化学家兼工程师博施带领他的团队攻坚克难，经历了6500多次的催化剂筛选实验，发明了耐高温高压的双层反应釜，终于在1913年9月9日，建成了第一座合成氨工厂，开创了工业合成氨的时代。哈伯和博施分别获得1918年和1931年诺贝尔化学奖。
[学生活动]全班鼓掌。
[设计意图]化学科学的发展是人类智慧的结晶，是一代又一代化学人不畏艰险、百折不回、勇于实践创新的结果，化学学科带给学生的不仅是知识的进化和思维的启发，更是一种力量的支撑、精神的鞭笞和创造的信念。
三、教学反思
主题式教学的开展对教师的要求较高，教师要有更开阔的视野、更长远的考量，不能仅局限在眼前知识的讲解，更应着眼于如何提升学生核心素养以适应未来发展的多样化需求上。所以在进行教学设计的时候，教师要能打破不同单元、不同年段、不同学科之间的壁垒，将相关内容进行梳理、整合，通过创设情境、实验探究、证据推理等环节，提升学生的思维品质。
“化学平衡”内容贯穿高巾三个年段，“合成氨反应”在必修模块的“氨气的制备”“化学反应的限度”，选修模块的“化学平衡的移动”中多次出现，是极具有学科价值的一个经典反应，本节课围绕“合成氨反应”开展教学，既是主题式教学的一次尝试，更是对科学家们的致敬。
为了及时掌握学生对于化学平衡状态的理解程度，本堂课最后设置了一个反馈环节：在一定条件下，恒温恒容密闭容器巾进行可逆反应：N2 3H2催化剂2NH3，下列能说明该反应已经达到化学平衡状态的是____。
A.单位时间内生成n mol N2同时生成3n mol H2
B.单位时间内生成n mol N2同时消耗3n mol H2
C.容器巾N2、H2、NH3的濃度之比为1：3：2
D.容器巾N2、H2、NH3的浓度保持不变
C选项通常是学生易选的一个错误选项，虽然通过习题强化能提高应试技巧，但是本堂课通过环节二的铺垫，教师引导学生运用数据素材开展了概括关联、比较说明等活动，所以绝大多数学生没有“踩雷”，学习效果显著。
参考文献
[1]袁顶国，朱德全.论主题式教学设计的内涵、外延与特征[J].课程·教材·教法，2006，26（ 12）：19-23