科技议题在跨学科实践中的应用图景与价值意蕴

【摘要】本文以电解硝酸盐制备氨的科技议题为研究背景设计跨学科实践，采用电化学手段实现氮元素不同价态的转化，引入日常水质检测试剂对电解产物进行定性测定，创新性地使用智能手机比色法对电解产物[NO-2]进行定量表征。借助氮元素“价-类”二维图谱分析电解过程，能促进学生理解不同价态含氮物质间转化的科学本质，发展数据分析论证等学科关键能力，养成跨学科思维和协作能力，提高科学探究和问题解决能力。【关键词】科技议题；跨学科实践；电解一、问题提出随着科技的发展，如何将硝酸盐污染物转化为可利用的氨成为可持续发展的核心科技议题。据此科技议题设计探究氮元素物质转化的跨学科实践，能培养学生的跨学科思维和协作能力，培养学生的社会责任感和可持续发展理念，具有重要教育价值。跨学科教育能够整合多个学科的知识和思维方法，突破学科壁垒，帮助学生形成全新的知识框架与思维模式，提高学生解决实际问题的能力。在化学学科氮元素的教学中，本文引入融合跨学科情境的创新实验，设计以电解硝酸盐制备氨为主题的跨学科实践，学生从化学、物理、工程、生态、社会等多个角度进行探究，深入理解氮元素的性质和变化规律，体验跨学科情境下的问题解决过程和创新思维方式。二、跨学科实践活动设计（一）跨学科实践模型跨学科实践主要是指基于学生的素养发展需求，圍绕某一研究主题，以本学科课程内容为主干，运用并整合其他学科的知识与方法开展综合学习的一种活动方式。跨学科实践作为一种综合性学习活动，需要以学生为中心，围绕某个学习主题展开，将各学科内容进行重整，使其成为一个新的复杂的学习内容结构整体，让学生整体感受和理解知识的意义。［1］杜威认为，学科知识在组织过程中就已被方法化，方法并非游离于知识之外，在教学中要使学习活动本身作为一个直接的并且能被意识到的目的［2］。因此，在设计跨学科活动时，应将各学科方法融入其中，选择与特定知识相契合的主题类型，并创设学生相对熟悉、便于实践的具体情境。在实际情境中开展活动，学习或运用学科知识，也是一种学习，因此在实践活动中要实现知识和方法、理论与实践的有机结合。科技议题是指与科学、技术密切相关，在领域中存在技术难点，需要寻找新方法取代原方法以解决真实问题的社会性议题。科技议题源自前沿科学，具有实用性、复杂性，需整合多学科知识与各学科方法才能解决某一实际问题。科技议题能够搭建起学科知识与现实情境的桥梁［3］，而跨学科实践的出发点恰好为解决综合性问题，因此科技议题适合作为跨学科实践的主题。将科技议题作为真实情境引出问题链，并围绕问题链开展跨学科实践活动，能使学生在实践中获得对知识的丰富体验和深刻感悟，进而实现跨学科知识的构建与整合。本研究构建的跨学科实践模型如图1所示。首先，将“硝酸盐制氨”这一大科技议题作为真实情境，确定跨学科实践活动主题为“氮元素物质转化”，通过真实情境引入课堂内容，激发学生的学习兴趣。其次，对科技议题内容进行剖析，梳理出化学、物理、生物学等各学科涉及的知识及方法，将科技议题的情境问题拆分为多个子问题，按照由浅到深、由表及里、由具体到抽象的顺序形成问题链，环环相扣，逐步深入，以问题为驱动，引导学生主动探究。再次，借助问题链设计跨学科实践活动，针对问题中的假设提出猜想并进行跨学科实践。如以手机比色法和水质检测盒两个便捷快速的创新实验为支撑，让学生在解决问题的过程中逐步掌握知识和技能，形成自己的见解和态度，从而培养学生的批判性思维和合作意识，实现深度学习。最后，以跨学科知识整合为模型核心，对跨学科实践中涉及的学科知识本质进行总结，引导学生对所学知识进行整合，并将其创新运用至其他情境中。（二）跨学科实践内容分析电解硝酸盐制备氨是一种新型制氨方法，是未来经济、环保和可持续的制氨方法之一。它利用电解池中的电流，将硝酸盐溶液中的硝酸根离子还原为氨，无须高温高压及催化剂条件，较目前工业生产中的哈勃-博斯合成法更为绿色。本文将电解硝酸盐制备氨的科技议题研究转化为跨学科实践。跨学科实践并不是简单地将各门课程的内容结合起来，而是将教学活动中的学习任务和各种学科知识内容进行有效整合，基于真实问题驱动，建构系统的知识体系。本文以科技议题驱动化学、物理、生物学、数学等学科知识的整合应用，基于电解硝酸盐中物质转化、能量转化以及工程转化等内容设计“不同价态含氮物质转化”跨学科实践，跨学科情境内容结构如图2所示，学科知识如表1所示。表1不同价态含氮物质转化的跨学科实践学科知识[学科内容学科知识生物学自然界氮循环自然界中含氮物质的转化过程（固氮过程、氨化作用、硝化作用、反硝化作用及同化过程）物理化学能与电能电解过程中的能量转化为电能转变为化学能、热能等实验装置电极、导线、电压等的选择化学自然界氮循环自然界氮循环转化过程中氮元素价态的变化过程定性鉴定、定量测定硝酸盐、亚硝酸盐及氨的常见测定方法及原理；质量守恒定律化学能与电能电解是将电能转变为化学能，涉及氧化还原反应、电极反应等不同类型的化学反应及现象实验装置电极的种类条件选择最适电压的确定，电解液种类、浓度的选择合成氨的发展人工合成氨外界条件的选择数学定量测定利用测得的数据进行线性拟合；误差分析条件选择根据参比电极及电路电压计算实际电压工程技术定量测定RGB读色，紫外分光光度技术实验装置电解装置的选择及搭建条件选择实际电解电压、温度、溶液浓度等的选择硝酸盐制氨目前新兴的硝酸盐制氨研究]（三）跨学科实践核心素养培养目标（1）认识自然界氮循环过程，从跨学科视角掌握氮元素及其化合物性质，构建氮元素“价-类”二维知识图谱。（2）设计电解硝酸盐的实验装置，从工程技术及化学学科角度了解电解池装置的组成，认识电极材料、电解溶液等对电解的影响，发展实验探究能力。（3）操作电解硝酸钠溶液实验，认识电解过程中的能量转化；用“价-类”二维图谱预测硝酸盐的电解产物，从价态变化视角说明含氮化合物在电解过程中的转化，学会将宏观现象与微观本质相联系；从跨学科视角分析电解过程，树立变化观念。（4）运用特征顯色反应对产物进行定性检验和定量表征，学会利用技术手段进行定量测定，并对数据进行线性拟合及绘制图像，培养证据意识。（5）体验科学家的科学研究过程，形成科学精神与社会责任；了解新兴的绿色合成氨技术，培养可持续发展理念。（四）跨学科实践活动创新设计本跨学科实践活动为2课时，依据学生核心素养培养目标及教材内容，结合学生的认知水平，以“电解硝酸盐制备氨”科技议题作为跨学科真实问题情境，整合化学、物理、生物学、数学与工程技术等学科，创设类似科学家研究的情境体验，学生从中掌握氮元素价态的转化、氧化还原反应等科学知识，落实了核心素养。跨学科实践活动思路详见表2。三、跨学科活动实施（一）自然界氮循环首先，基于电解硝酸盐制氨这一科技议题，以真实情境为背景，从含氮物质及其转化切入，要求学生认识自然界氮循环过程，从跨学科视角掌握氮元素性质。接着，围绕多种含氮物质，引出“不同价态氮元素转化分别是如何实现的？”这一问题。最后，在问题的驱动下，教师引导学生阅读课本及查阅相关信息，共同构建氮元素“价-类”二维图谱（见图3），并通过实践活动整合知识，得到以下几种氮元素转化的路径：（1）在自然界中，一部分氮气通过雷电作用被氧气氧化，逐步形成硝酸盐。（2）大多数氮气在生物固氮酶的作用下被还原为氨，与水反应形成铵根离子后被植物吸收，并在土壤中细菌的作用下，经硝化作用转化为硝酸根离子，氧气不足时经反硝化作用生成氮气。（3）在工业生产中，氮元素的主要转化路径为氨的合成和氨的催化氧化，前者由氮气生成氨，后者氮元素被氧化变为一氧化氮，是工业制取硝酸的主要途径。（二）电解硝酸盐及其产物的定性检验本环节要求学生认识电解过程中的能量转化，利用工程技术知识搭建电解池装置，拓展对电解池的认知。重在引导学生根据氧化还原反应原理，结合氮元素“价-类”二维图谱，推断硝酸盐电解产物，并利用水质分析盒对产物进行定性检验。本环节创新性地引入日常检测盒，方法快速、便捷、高效，将宏观现象与微观本质相联系，利于发展学生的实验探究能力。硝酸盐在生产生活中应用广泛，除了制化肥，也可用作食品添加剂［4］，但过量的硝酸盐会对环境造成污染。电化学是一种常见的强有力的氧化还原手段，可以将硝酸盐转化为重要的化工原料——氨。本环节基于“如何实现电解硝酸盐及其产物的定性检验”科技议题，引出问题链，驱动学生开展实践探究活动。问题1：电解池装置由哪些部分组成？教师指导学生在课前搜索和学习工程技术、化学及物理中与电解池相关的知识，课上通过搭建实验装置（图4）的实践活动，帮助学生了解电解池的组成，即电解池包含阴极、阳极及电解池溶液。本实验中，阳极选用石墨惰性电极，不参与反应，阴极选择处理过的铜电极，起催化作用［5］，电解液含有硝酸钠。理论上电解池仅需两个电极及导电溶液即可，但在实际电解中，电极周围溶液浓度的差异会使得两电极间的电压不稳定，因此需要一个“中间人”——参比电极，本实验中Ag/AgCl为参比电极。问题2：电解池中离子如何变化？通过结合氮元素“价-类”二维图谱分析氮元素价态转化的实践活动，学生预测硝酸盐在电解过程中氮元素价态只能降低，有可能生成不同价态的物质，即[NO-2]、NH3、N2或NOx。其中，氮气非常稳定，在低电压电解时可能很难大量生成。问题3：如何对产物进行定性检验？电解实验后，利用不同的水质分析盒可快速鉴定产物（图5），学生在此过程中能够认识不同离子的特征显色反应。学生结合实验现象，分析得知硝酸盐的电解产物有[NO-2]与NH3。（三）电解硝酸盐产物的定量测定本环节要求学生学会利用技术手段，运用特征显色反应对产物进行定量测定，并根据数据拟合标准工作曲线，培养学生的证据意识。学生在理解常用的分光光度法定量测定原理的基础上，开展利用智能手机比色法定量测定亚硝酸盐含量的实践活动。学生使用智能手机拍照，利用Photoshop软件选取图像点得到RGB值（见表3），使用图像强度值Ⅰ拟合标准工作曲线（图6）。这一环节的设计能培养学生的数据可视化能力。以“如何明确电解过程中离子浓度随时间的变化？”为问题驱动，通过设计探究实验，利用实验数据计算各时间点的离子浓度并绘制图像（图7）的实践活动，学生能够将宏观现象与微观变化联系起来，认识到在电解过程中，[NO-3]主要转化为NH3，部分[NO-3]转化为[NO-2]并逐渐转化为NH3，并利用质量守恒定律，计算溶液中的总氮含量，明确电解过程中氮气并非主要产物，深入理解氮元素价态转化的化学过程。（四）科技议题展望本环节要求学生将理论与实践相联系，回归科技议题情境，从工程技术角度了解新兴的绿色硝酸盐制氨技术，提高学生的综合应用能力，培养绿色化学观念。回归“电解硝酸盐制备氨”科技议题，由可再生能源驱动的电解硝酸盐制备氨是绿色合成氨技术路线之一［5］，引出“如何将理论实验在实验室中实现，实验室成果应如何运用至实际生产中？”的问题。通过了解电解硝酸盐制备氨的工业应用和前景的实践活动，学生认识到实验理论成立后需先通过微小型实验，再扩大实验规模，若将其推广至实际生产中，还应考虑经济成本、环境成本等因素。这一环节培养了学生的可持续发展理念。四、小结笔者对参与跨学科实践活动的学生（40人）就生物学、化学、物理、数学和工程技术等相关学科知识进行测验，并对前后测成绩使用配对T检验。结果显示，学生对生物学（△M=0.18，p=0.38）和物理（△M=0.14，p=0.05）相关知识的掌握程度并无显著性差异，而对化学（△M=0.91，p=0.01）、数学（△M=0.18，p=0.01）和工程技术（△M=0.74，p=0.004）等相关学科知识的掌握程度均存在显著性差异，知识水平得到显著提高。本