科技議題在跨學科實踐中的應用圖景與價值意蘊

邢力丹 丁偉

【摘 要】本文以電解硝酸鹽制備氨的科技議題為研究背景設計跨學科實踐，采用電化學手段實現氮元素不同價態的轉化，引入日常水質檢測試劑對電解產物進行定性測定，創新性地使用智能手機比色法對電解產物[NO-2]進行定量表征。借助氮元素“價-類”二維圖譜分析電解過程，能促進學生理解不同價態含氮物質間轉化的科學本質，發展數據分析論證等學科關鍵能力，養成跨學科思維和協作能力，提高科學探究和問題解決能力。

【關鍵詞】科技議題；跨學科實踐；電解

一、問題提出

隨著科技的發展，如何將硝酸鹽污染物轉化為可利用的氨成為可持續發展的核心科技議題。據此科技議題設計探究氮元素物質轉化的跨學科實踐，能培養學生的跨學科思維和協作能力，培養學生的社會責任感和可持續發展理念，具有重要教育價值。

跨學科教育能夠整合多個學科的知識和思維方法，突破學科壁壘，幫助學生形成全新的知識框架與思維模式，提高學生解決實際問題的能力。在化學學科氮元素的教學中，本文引入融合跨學科情境的創新實驗，設計以電解硝酸鹽制備氨為主題的跨學科實踐，學生從化學、物理、工程、生態、社會等多個角度進行探究，深入理解氮元素的性質和變化規律，體驗跨學科情境下的問題解決過程和創新思維方式。

二、跨學科實踐活動設計

（一）跨學科實踐模型

跨學科實踐主要是指基于學生的素養發展需求，圍繞某一研究主題，以本學科課程內容為主干，運用并整合其他學科的知識與方法開展綜合學習的一種活動方式?？鐚W科實踐作為一種綜合性學習活動，需要以學生為中心，圍繞某個學習主題展開，將各學科內容進行重整，使其成為一個新的復雜的學習內容結構整體，讓學生整體感受和理解知識的意義。［1］杜威認為，學科知識在組織過程中就已被方法化，方法并非游離于知識之外，在教學中要使學習活動本身作為一個直接的并且能被意識到的目的［2］。因此，在設計跨學科活動時，應將各學科方法融入其中，選擇與特定知識相契合的主題類型，并創設學生相對熟悉、便于實踐的具體情境。在實際情境中開展活動，學習或運用學科知識，也是一種學習，因此在實踐活動中要實現知識和方法、理論與實踐的有機結合。

科技議題是指與科學、技術密切相關，在領域中存在技術難點，需要尋找新方法取代原方法以解決真實問題的社會性議題?？萍甲h題源自前沿科學，具有實用性、復雜性，需整合多學科知識與各學科方法才能解決某一實際問題?？萍甲h題能夠搭建起學科知識與現實情境的橋梁［3］，而跨學科實踐的出發點恰好為解決綜合性問題，因此科技議題適合作為跨學科實踐的主題。將科技議題作為真實情境引出問題鏈，并圍繞問題鏈開展跨學科實踐活動，能使學生在實踐中獲得對知識的豐富體驗和深刻感悟，進而實現跨學科知識的構建與整合。

本研究構建的跨學科實踐模型如圖1所示。首先，將“硝酸鹽制氨”這一大科技議題作為真實情境，確定跨學科實踐活動主題為“氮元素物質轉化”，通過真實情境引入課堂內容，激發學生的學習興趣。

其次，對科技議題內容進行剖析，梳理出化學、物理、生物學等各學科涉及的知識及方法，將科技議題的情境問題拆分為多個子問題，按照由淺到深、由表及里、由具體到抽象的順序形成問題鏈，環環相扣，逐步深入，以問題為驅動，引導學生主動探究。

再次，借助問題鏈設計跨學科實踐活動，針對問題中的假設提出猜想并進行跨學科實踐。如以手機比色法和水質檢測盒兩個便捷快速的創新實驗為支撐，讓學生在解決問題的過程中逐步掌握知識和技能，形成自己的見解和態度，從而培養學生的批判性思維和合作意識，實現深度學習。

最后，以跨學科知識整合為模型核心，對跨學科實踐中涉及的學科知識本質進行總結，引導學生對所學知識進行整合，并將其創新運用至其他情境中。

（二）跨學科實踐內容分析

電解硝酸鹽制備氨是一種新型制氨方法，是未來經濟、環保和可持續的制氨方法之一。它利用電解池中的電流，將硝酸鹽溶液中的硝酸根離子還原為氨，無須高溫高壓及催化劑條件，較目前工業生產中的哈勃-博斯合成法更為綠色。

本文將電解硝酸鹽制備氨的科技議題研究轉化為跨學科實踐?？鐚W科實踐并不是簡單地將各門課程的內容結合起來，而是將教學活動中的學習任務和各種學科知識內容進行有效整合，基于真實問題驅動，建構系統的知識體系。本文以科技議題驅動化學、物理、生物學、數學等學科知識的整合應用，基于電解硝酸鹽中物質轉化、能量轉化以及工程轉化等內容設計“不同價態含氮物質轉化”跨學科實踐，跨學科情境內容結構如圖2所示，學科知識如表1所示。

表1 不同價態含氮物質轉化的跨學科實踐學科知識

[學科 內容 學科知識 生物學 自然界氮循環 自然界中含氮物質的轉化過程（固氮過程、氨化作用、硝化作用、反硝化作用及同化過程） 物理 化學能與電能 電解過程中的能量轉化為電能轉變為化學能、熱能等 實驗裝置 電極、導線、電壓等的選擇 化學 自然界氮循環 自然界氮循環轉化過程中氮元素價態的變化過程 定性鑒定、定量測定 硝酸鹽、亞硝酸鹽及氨的常見測定方法及原理；質量守恒定律 化學能與電能 電解是將電能轉變為化學能，涉及氧化還原反應、電極反應等不同類型的化學反應及現象 實驗裝置 電極的種類 條件選擇 最適電壓的確定，電解液種類、濃度的選擇 合成氨的發展 人工合成氨外界條件的選擇 數學 定量測定 利用測得的數據進行線性擬合；誤差分析 條件選擇 根據參比電極及電路電壓計算實際電壓 工程

技術 定量測定 RGB讀色，紫外分光光度技術 實驗裝置 電解裝置的選擇及搭建 條件選擇 實際電解電壓、溫度、溶液濃度等的選擇 硝酸鹽制氨 目前新興的硝酸鹽制氨研究 ]

（三）跨學科實踐核心素養培養目標

（1）認識自然界氮循環過程，從跨學科視角掌握氮元素及其化合物性質，構建氮元素“價-類”二維知識圖譜。

（2）設計電解硝酸鹽的實驗裝置，從工程技術及化學學科角度了解電解池裝置的組成，認識電極材料、電解溶液等對電解的影響，發展實驗探究能力。

（3）操作電解硝酸鈉溶液實驗，認識電解過程中的能量轉化；用“價-類”二維圖譜預測硝酸鹽的電解產物，從價態變化視角說明含氮化合物在電解過程中的轉化，學會將宏觀現象與微觀本質相聯系；從跨學科視角分析電解過程，樹立變化觀念。

（4）運用特征顯色反應對產物進行定性檢驗和定量表征，學會利用技術手段進行定量測定，并對數據進行線性擬合及繪制圖像，培養證據意識。

（5）體驗科學家的科學研究過程，形成科學精神與社會責任；了解新興的綠色合成氨技術，培養可持續發展理念。

（四）跨學科實踐活動創新設計

本跨學科實踐活動為2課時，依據學生核心素養培養目標及教材內容，結合學生的認知水平，以“電解硝酸鹽制備氨”科技議題作為跨學科真實問題情境，整合化學、物理、生物學、數學與工程技術等學科，創設類似科學家研究的情境體驗，學生從中掌握氮元素價態的轉化、氧化還原反應等科學知識，落實了核心素養?？鐚W科實踐活動思路詳見表2。

三、跨學科活動實施

（一）自然界氮循環

首先，基于電解硝酸鹽制氨這一科技議題，以真實情境為背景，從含氮物質及其轉化切入，要求學生認識自然界氮循環過程，從跨學科視角掌握氮元素性質。接著，圍繞多種含氮物質，引出“不同價態氮元素轉化分別是如何實現的？”這一問題。最后，在問題的驅動下，教師引導學生閱讀課本及查閱相關信息，共同構建氮元素“價-類”二維圖譜（見圖3），并通過實踐活動整合知識，得到以下幾種氮元素轉化的路徑：（1）在自然界中，一部分氮氣通過雷電作用被氧氣氧化，逐步形成硝酸鹽。（2）大多數氮氣在生物固氮酶的作用下被還原為氨，與水反應形成銨根離子后被植物吸收，并在土壤中細菌的作用下，經硝化作用轉化為硝酸根離子，氧氣不足時經反硝化作用生成氮氣。（3）在工業生產中，氮元素的主要轉化路徑為氨的合成和氨的催化氧化，前者由氮氣生成氨，后者氮元素被氧化變為一氧化氮，是工業制取硝酸的主要途徑。

（二）電解硝酸鹽及其產物的定性檢驗

本環節要求學生認識電解過程中的能量轉化，利用工程技術知識搭建電解池裝置，拓展對電解池的認知。重在引導學生根據氧化還原反應原理，結合氮元素“價-類”二維圖譜，推斷硝酸鹽電解產物，并利用水質分析盒對產物進行定性檢驗。本環節創新性地引入日常檢測盒，方法快速、便捷、高效，將宏觀現象與微觀本質相聯系，利于發展學生的實驗探究能力。

硝酸鹽在生產生活中應用廣泛，除了制化肥，也可用作食品添加劑［4］，但過量的硝酸鹽會對環境造成污染。電化學是一種常見的強有力的氧化還原手段，可以將硝酸鹽轉化為重要的化工原料——氨。本環節基于“如何實現電解硝酸鹽及其產物的定性檢驗”科技議題，引出問題鏈，驅動學生開展實踐探究活動。

問題1：電解池裝置由哪些部分組成？

教師指導學生在課前搜索和學習工程技術、化學及物理中與電解池相關的知識，課上通過搭建實驗裝置（圖4）的實踐活動，幫助學生了解電解池的組成，即電解池包含陰極、陽極及電解池溶液。本實驗中，陽極選用石墨惰性電極，不參與反應，陰極選擇處理過的銅電極，起催化作用［5］，電解液含有硝酸鈉。理論上電解池僅需兩個電極及導電溶液即可，但在實際電解中，電極周圍溶液濃度的差異會使得兩電極間的電壓不穩定，因此需要一個“中間人”——參比電極，本實驗中Ag/AgCl為參比電極。

問題2：電解池中離子如何變化？

通過結合氮元素“價-類”二維圖譜分析氮元素價態轉化的實踐活動，學生預測硝酸鹽在電解過程中氮元素價態只能降低，有可能生成不同價態的物質，即[NO-2]、NH3、N2或NOx。其中，氮氣非常穩定，在低電壓電解時可能很難大量生成。

問題3：如何對產物進行定性檢驗？

電解實驗后，利用不同的水質分析盒可快速鑒定產物（圖5），學生在此過程中能夠認識不同離子的特征顯色反應。學生結合實驗現象，分析得知硝酸鹽的電解產物有[NO-2]與NH3。

（三）電解硝酸鹽產物的定量測定

本環節要求學生學會利用技術手段，運用特征顯色反應對產物進行定量測定，并根據數據擬合標準工作曲線，培養學生的證據意識。

學生在理解常用的分光光度法定量測定原理的基礎上，開展利用智能手機比色法定量測定亞硝酸鹽含量的實踐活動。學生使用智能手機拍照，利用Photoshop軟件選取圖像點得到RGB值（見表3），使用圖像強度值Ⅰ擬合標準工作曲線（圖6）。這一環節的設計能培養學生的數據可視化能力。

以“如何明確電解過程中離子濃度隨時間的變化？”為問題驅動，通過設計探究實驗，利用實驗數據計算各時間點的離子濃度并繪制圖像（圖7）的實踐活動，學生能夠將宏觀現象與微觀變化聯系起來，認識到在電解過程中，[NO-3]主要轉化為NH3，部分[NO-3]轉化為[NO-2]并逐漸轉化為NH3，并利用質量守恒定律，計算溶液中的總氮含量，明確電解過程中氮氣并非主要產物，深入理解氮元素價態轉化的化學過程。

（四）科技議題展望

本環節要求學生將理論與實踐相聯系，回歸科技議題情境，從工程技術角度了解新興的綠色硝酸鹽制氨技術，提高學生的綜合應用能力，培養綠色化學觀念。

回歸“電解硝酸鹽制備氨”科技議題，由可再生能源驅動的電解硝酸鹽制備氨是綠色合成氨技術路線之一［5］，引出“如何將理論實驗在實驗室中實現，實驗室成果應如何運用至實際生產中？”的問題。通過了解電解硝酸鹽制備氨的工業應用和前景的實踐活動，學生認識到實驗理論成立后需先通過微小型實驗，再擴大實驗規模，若將其推廣至實際生產中，還應考慮經濟成本、環境成本等因素。這一環節培養了學生的可持續發展理念。

四、小結

筆者對參與跨學科實踐活動的學生（40人）就生物學、化學、物理、數學和工程技術等相關學科知識進行測驗，并對前后測成績使用配對T檢驗。結果顯示，學生對生物學（△M=0.18，p=0.38）和物理（△M=0.14，p=0.05）相關知識的掌握程度并無顯著性差異，而對化學（△M=0.91，p=0.01）、數學（△M=0.18，p=0.01）和工程技術（△M=0.74，p=0.004）等相關學科知識的掌握程度均存在顯著性差異，知識水平得到顯著提高。

本文以“電解硝酸鹽制備氨”科技議題為真實情境，設計問題鏈，引導學生逐步深入探究，設計利用日常生活中常見的便攜試劑盒實現NH3與[NO-2]的定性鑒定以及利用手機拍照比色法實現[NO-2]的快速定量測定等創新實驗，展開跨學科實踐活動，實現跨學科知識整合。結果顯示，以科技議題為真實情境，以知識整合為核心的跨學科實踐，能夠在一定程度上對學生的學科知識產生顯著影響。此外，本設計在實踐中引導學生自主探究解決問題，促使學生體驗科學探究的基本方法，培養了學生的問題解決及數據可視化能力，涵育了可持續發展、綠色化學等科技理念。

參考文獻：

［1］朱愛華. 跨學科主題學習的本質、特征及設計路向［J］. 教育研究與實驗，2023（5）：73-81.

［2］徐廣華. 跨學科主題學習的目標設計：基本要點、設計理路與呈現樣態［J］. 教育理論與實踐，2023（29）：13-17.

［3］朱彥榮，李瑩，董曉瑜，等. 前沿科技成果在電化學綜合實驗教學中的應用［J］. 廣東化工，2023（12）：228-230，236.

［4］喬金鎖，郭彥青，郭銀銀. 火腿腸中亞硝酸鹽的探究實驗設計［J］. 化學教育，2017（11）：64-66.

［5］WANG Z，BERBILLE A，FENG Y，et al. Contact-electro-catalysis for the degradation of organic pollutants using pristine dielectric powders［J］. Nature Communications，2022（1）：1-9.

（責任編輯：潘安）

【作者簡介】邢力丹，在讀碩士研究生；丁偉，副教授，碩士研究生導師，普通高中化學課程標準修訂專家組核心成員，主要研究方向為化學教育。

【基金項目】華東師范大學教育學部第八屆大學生科研基金項目“以大概念為核心的美國K-12跨學科教育實踐案例研究”（ECNUFOE2023KY181）