归纳与整理教学教案设计

教学基本信息

利用化学原理提升学生解决实际问题

课题

——以高三复习课“水体中氨氮的去除”为例

是否属于

地方课程或校本课程

学科

化学

学段：高中

教学设计参与人员

设计者

实施者

指导者

课件制作者

指导思想与理论依据

新课标指出：能有意识运用所学的知识或寻求相关证据参与社会性议题的讨论，在面临与化学有关的综合问题时，能够运用化学核心素养做出合理的分析、推断和科学决策；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；从含硫、氮物质的性质及转化的视角分析调查水体中重金属污染及富营养化的危害与防治。

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，如何将这些知识迁移到解决陌生、真实情景下的实际问题？需要教师引领学生将真实情景下的实际问题转化成化学问题，形成利用化学学科思想、方法解决实际问题的思路。通过真实问题的分析逐渐培养学生多层次、多角度的收集证据，和基于证据进行科学分析和合理推理的能力；并且能正确的表达与解释证据与结论之间的关系，以及利用化学原理对物质的性质及物质的转化提出可能的假设并进行佐证。在解决实际问题的过程中不断提升学生接受、吸收、整合化学信息、以及基于证据分析问题的证据推理能力。

姓名

戚娜

戚娜

王哲

戚娜

单位

大兴区兴华中学

大兴区兴华中学

大兴区进修学校

大兴区兴华中学

联系方式

13810307230 13810307230 18618453669 13810307230 否

年级

高三

1

教学背景分析

（1）知识内容结构

人教版《化学与生活》第四章

“爱护水资源”，其中植物营养污染涉及到的核心元素是N、P，教学设计的实际问题为“水体中氨氮的去除”，相关物质包含：硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮等，其知识内容结构如图1。水与生命和人类生活息息相关，治理水污染是化学等学科知识和方法在解决生活实际问题中具体应用，拓展迁移、学以致用，具有重要的教学价值：

①巩固知识，提炼解决问题的思路和方法

本教学内容解决的实际问题是“水体中氨氮的去除”。以重要的非金属元素N为核心元素，首先将实际问题转化为化学问题，以生物法、氧化法、吹脱法、沉淀法四种去除水体中NH4+方法为主线，应用氧化还原、化学平衡等原理知识，巩固了N元素及其形成的重要物质的转化及转化过程中条件的选择与控制，提炼出解决实际问题的基本思路和方法。

②论据推理，提高学生的证据意识和推理能力

从文献、大学教材中查阅大量工业实际、课题研究资料，佐证去除水体中NH4+的认识与猜测，例如实现转化的方法、控制条件等，提升学生的证据意识，引导学生运用能依据证据从不同视角分析问题，依据物质及其反应的不同特征寻找充分的证据，从而体会证据与结论之间的关系，以达到发展学生化学学科核心素养的目的。

水污染的种类

水污染中的主要元素

Hg Cr Cd Pb 主要去除方法

化学法、生物法、物理法

混凝法

中和法

沉淀法

氧化法

1.重金属污染

水

污

染

2.植物营养物质污染

N元素

(NH4+）

P元素

氧化剂、电化学

微生物

OH

△

-N2 NO3-

NH3

（磷肥、洗涤剂）

实际问题

化学问题

图1 “水污染”知识内容结构

物质性质、转化

2

(2) 学生情况：

从知识的构成来看，通过高三一轮复习，学生已对元素化合物及陌生方程式的书写以及电化学、化学反应速率和平衡移动等基础知识有了比较全面的认识，但将这些知识迁移、应用到实际问题方面有待完善，知识的网络建构有待完善。因此解决譬如“去除水体中的NH4+”为代表的生产生活中所涉及的实际问题，通过问题驱动和多层次的探究，构建知识体系、完善化学思维模式，力图实现化学学科知识到综合能力的跨越和提升。

教学目标

1、通过对NH4+的转化相关问题分析，完善提出和解决问题的一般思路和方法。

2、通过对文献中图表和数据的分析，提升利用化学原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

重点和难点

分析问题的视角和方法，以及将化学知识迁移解决实际问题的能力和方法

3 环节四

环节三

环节二

教学流程示意图

环节 教师活动 学生活动 设计意图

提出实际问题：水环节一

认识氨氮在水体中的的危害

从真实情境中提炼化学问题

体中氨氮的去除

介绍解决实际问题几种方法：生物法、

氧化法、吹脱发、

沉淀法以及应用到的化学反应原理

了解几种不同方法，并从化学反应原理的角度进行深入理解

提升学生应用化学反应原理解决实际问题能力，从资料中提取有用信息

总结影响速率和限总结提升解决实际问题的思路和方法

度的条件及途径，完善解决问题的思路

形成由解决具体问题到一般性问题的思路从真实情境中实际应用：养殖场氨氮废水处理方法

分析可能用到的方法，学以致用

来，到真实情景中去，增强社会责任感

具体教学实施过程

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

介绍养鱼常识，激发学习的兴趣

了解水体污染中氮循环系统；为后续生物法除氨氮做铺垫

从真实情境中提炼出化学问题，并引导学生认识到元素化合物的二维角度在物质转化过程中的指导作用

环

节

一

提

出

实

际

问

题

环

节

二

解

决

实

问

题

【引入】俗话说，“养鱼先养水，水好鱼则好”

，“水”应该怎么养？

【解释】水体中的“氮循环”系统

【回答】晒余氯

【观看图片】找寻相关信息

【聆听】

聆听老师讲述鱼缸中的氮循

环系统，引发思考

【过渡】含氮物质随意排放，会引起水华和赤潮，今天我们聚焦水体中NH4+的去除方法

【任务一】尽可能多的写出能去除水【思考交流，小组讨论】

+体中NH4的方法。

【依据学生回答写副板书】

【回答】

学生1：加碱并加热释放出NH3

学生2：利用微生物转化NH4+

学生3：加氧化剂使NH4+转化

成N2

学生4：电化学法

【提问】这几个化学反应，分别是从【思考并回答】

什么角度将NH4+转化？

化合价、物质类别

【讲述】工业上常用的方法正是应用

这些化学反应去除废水中的NH4+,他

们分别叫吹脱法、化学氧化法、生物【聆听并思考】

法等

【聆听】

聆听，并进入实际问题的解决4

情景

【资料卡片】生物法：废水中的氨氮

在各种微生物的作用下，通过硝化和【观看并思考】

反硝化等一系列反应，最终形成氮气。

【图片展示】工业上常用生物法、电化学方法联合除去氨氮：

【提问】依据图示信息，说出此图中去除NH4+的思路、原理是什么？

【任务二】依图示，用化学用语简述+NH4去除的原理

【任务三】除O2外，请选择合适的氧化剂，将NH4+氧化为N2呢？

【引导】根据实验目的，请大家来优化这些氧化剂,哪些更合理？

【布置实验】次氯酸根与铵根离子的反应

【看图思考】

【回答】

生1：NH4+在好氧微生物的作用下转变成NO3-，NO3-又得电子变为氮气

【填写学案】

【思考并回答】常见的氧化剂：KMnO4（H+）、O2、Cl2、O3

、K2Cr2O7、NaClO、浓H2SO4、浓、稀HNO3等

【思考并回答】

生1：KMnO4（H+）、K2Cr2O7会引入重金属离子

生2：浓H2SO4不现实、HNO3又引入氮元素

【聆听并思考】

【学生实验】

培养学生接受、吸收、整合化学信息的能力

设置问题，引导学生讨论原因，提出解决方案。

建立真实问题与化学知识之间的联系，培养学生应用化学知识解决实际问题的能力

通过实验探究过程，体验研究化学反应是思路，形成严谨的科学精神

5

【提出问题】

1、实验中观察到什么现象了呢？

2、你预测气体是谁呢？怎么验证？

3、有没有可能是其他的气体？

【演示实验】用湿润的红色石蕊试纸检验是否有NH3

【子问题】根据实验写出反应的离子方程式

【子问题】根据信息，优化预测的方程式：

在25℃，反应时间30min时，氯与氨氮的量比为1 : 3.5的条件下，考察pH值对次氯酸钠氧化脱除氨氮的影响。

【回答问题】

学生1：有无色气体产生

学生2：可以排除NO、NO2

学生3：可能有NH3和氮气，可以通过湿润的红色石蕊试纸检验是否有NH3

【观看】

观看教师演示实验，观察到湿润的红色石蕊试纸没有变色

【书写离子方程式】

生1：

提高学生从图表、文献资料中提取出信息的能力

初步学会运用变量控制的方法研究化学反应。

体会酸碱性对物质氧还性的影响

使学生认生2：

【任务四】根据图示信息，分析pH>9时，氨氮去除率下降较多的可能原因

【资料卡片】

HClO +H+ +2e= Cl- + H2O

E=1.48V ClO-+H2O+2e= Cl- + 2OH-

E=0.89V E值越小，氧化性越弱

【小结】溶液的酸碱性会在很大程度上影响物质的氧化性和还原性

【总结】去除NH4+最常用的氧化剂是NaClO以及Cl2

【小结】解决实际问题的一般思路是依据合理的化学反应进行假设，然后进行实验验证，最后一步是具体的化学工艺。

6 识化学

反应速率和化学平衡对化学反应的影响，能运用化学反应原理分析影响化学变化的

【依图示优化反应方程式】

【思考交流，回答问题】

生1：可能是碱性条件下，次氯酸钠的氧化性减弱

【思考并回答】

【过渡】以上用到的方法都是将NH4+转变为N2，直接排放到空气中，而在吹脱法中，转化成的NH3是否可以用来回收利用呢？

用什么物质来吸收？

【讲解】工业上通常用稀盐酸回收NH3得到NH4Cl，可作为工业制纯碱的母液

【PPT展示】

生1：可以

生1：水

【聆听】

【思考，并填写学案】

因素

【任务五】用化学平衡原理解释通空气

【小结】在化学工艺中要考虑速率和产率、是否绿色等问题，影响速率的因素有：温度、浓度、压强、催化剂等，影响产率其实也就是转化率，涉及到化学平衡的问题，这里涉及到化学平衡、电离平衡等等，依据这些化学原理，在化学工艺中需要控制合适的条件

【PPT展示资料】

学会从文献、图表资料中提取有用的信息，增强自信心

将对实际

问题的分

析落实到

问题的解【聆听】

答层面，聆听老师总结

规范学生

的书面表

达

【思考并将答案写在学案上】

1、根据以上信息，分析出磷酸铵镁（MAP）微溶于冷水，易MAP沉淀法工艺流程中最优溶于热水和稀酸，遇碱发生分解。

的反应条件是什么？

MAP沉淀法的基本原理就是通过向学生1：25℃，pH约为10 氨氮废水中投加Mg2+和PO43-，使之2、分析反应温度对氨氮去除与NH4+生成难溶于水的磷酸铵镁沉率的影响结果，并说明可能的淀，将氨氮从废水中去除。

原因。

Mg2+

+ PO43- + NH4++ 6H2O = 学生2：该反应可能是放热反MgNH4PO4·6H2O

在优化工艺的条件下，反应时间20min，分别在不同温度下对NH4Cl应，温度较高平衡正向移动

学生3：是磷酸铵镁（MAP）微溶于冷水，易溶于热水

模拟废水进行不同的实验，结果如图学生4：前半段去除率上升是1所示。

7 因为温度影响速率

在优化工艺的条件下，25℃，时间20min，调节不同的pH分别进行实验，如图2所示

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

学生5：

MgNH4PO4·6H2O(s) ⇌Mg(aq)+PO4(aq)+NH4(aq)2+3-++ 6H2O

，随着OH-浓度增加，

OH-和NH4+结合成NH3· H2O，OH-和Mg2+结合成Mg(OH)2,使平衡正向移动

【聆听并领悟】

【小结】在沉淀法中同样要优化工艺，不但要考虑影响反应速率的因素，还要考虑影响溶解平衡的因素

环

节

三

总

结

提

升

【小结】

解决实际问题的一般思路和方法：

【思考并回答】

【聆听并领悟】

逐步形成并完善思路：如何应用化学反应原理解决实际问题

增强了学生将化学成果应用于生产、生活的意识

8

问：养殖场氨氮废水超标，如何解

环

节

四

实

际

应

用

决？学生进行思考

[师] 展示相关资料——养殖场氨氮废水处理工艺流程图，请同学并找出采用相关的方法

【总结】只要我们利用好化学武器进行防控，无论鱼缸中的小的氮循环还是江河湖海中的大的氮循环，都能得到改善，使我们的生存环境更美好

板书设计

【思考并回答】

生1：浓度较大时用吹脱法

生2：还可用沉淀法

生3：浓度较小用生物法、氧化法

学以致用、利用化学原理解决实际问题，并将化学成果应用于生产和生活中

【主板书】：

9

【副板书】：

学习效果评价设计

一、纸笔测试

【知识与技能评价】

1、学以致用：写出去除水体中NO3-的方法

2、（2015海淀期末）氮元素在海洋中的循环，是整个海洋生态系统的基础和关键。海洋中无机氮的循环过程可用下右图表示。

（1）海洋中的氮循环起始于氮的固定，其中属于固氮作用的一步是

（填序号）。

（2）下列关于海洋氮循环的说法正确的是

（填字母序号）。

a. 海洋中存在游离态的氮

b. 海洋中的氮循环起始于氮的氧化

c. 海洋中的反硝化作用一定有氧气的参与

d. 向海洋排放含NO3-的废水会影响海洋中NH4+的含量

（3）有氧时，在硝化细菌作用下，NH4+可实现过程④的转化，将过程④的离子方程式补充完整：

NH4+ +

5 O2 ======

2 NO2- +

H+ +

+

________

10

（4）有人研究了温度对海洋硝化细菌去除氨氮效果的影响，下表为对10 L人工海水样本监测数据：

20

25

30

40

1008

1008

1008

1008

温度/℃

样本氨氮含量/mg

处理24 h

838

757

798

977

处理48 h

788

468

600

910

氨氮含量/mg

氨氮含量/mg

硝化细菌去除氨氮的最佳反应温度是

，在最佳反应温度时，48 h内去除氨氮反应的平均速率是

mg·L-1·h-1。

（5）为了避免含氮废水对海洋氮循环系统的影响，需经处理后排放。右图是间接氧化工业废水中氨氮（NH4+）的示意图。

①

结合电极反应式简述间接氧化法去除氨氮的原理：

。

②

若生成H2和N2的物质的量之比为3:1，则处理后废水的pH将

（填“增大”、“不变”或“减小”），请简述理由

。

二、调查问卷

1．这节课你最大的收获是什么？

2．本节课最让你喜欢的环节是什么？

3．你还存在的疑问或你还想提出的问题是什么？

11

教学反思

经过深入的思考，我在以下两方面感受颇深：

1、实际问题的解决有助于学生能力提升和素养形成。运用化学反应原理解决实际问题，有效地发展学生了变化观念与平衡思想；教学中巧妙运用大量文献资料进行佐证，从文献中抽提出化学问题，并将其进行加工、整合，学生从中建立观点、结论和证据之间的逻辑关系，提升了证据意识。

2、将实际问题提炼为化学问题有助于学生思路转变。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，更重要的是他们能更为深刻的理解解决实际问题的一般思路和方法，有效培养了学生的知识应用意识和解决问题的能力，将学生的思想从解题转变成主动解决问题。

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。学习结束后，教师再次对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还用文献资料，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。也有同学提到目前水污染很多，有的商家拒绝，是造价太高吗？可否从化学角度节约成本呢？我也鼓励他们积极查找资料，寻找方法解决实际问题。将课上的知识带到课下，我想这也是我们每个教育工作者最愿意看到的成效。

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