人工固氮技术

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1、第一单元走进化学工业课题2人工固氮技术合成氨教学目标：知识与技能：1. 掌握氮的固定的概念，了解工业合成氨对人类社会发展的意义。2. 利用化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。3. 了解合成氨的主要原理、原料、典型设备、流程和意义。过程与方法：1. 通过查阅资料了解工业合成氨的反应原理，并利用所学化学反应速率，化学平衡移动原理 分析和讨论合成氨适宜反应条件。2. 结合合成氨的基本生产过程及合成氨工业发展，理解实际生产中问题。情感态度与价值观：1. 能够说出环境污染的主要方面及防止污染的一些措施，增强环境意识，作环境保护的宣传 者、行动者。2. 树立合理利用自然资源、节约能源的观点，

2、激发学习工业化学的兴趣，培养创新精神。教材分析：本节教材的内容：本节教材是高中化学选修二第一章第二节人工固氮技术一合成氨 的内容，合成氨工业对化学工业、国防工业和我国实现农业现代化具有重要意义，是重要的 化学工业之一；同时，氨气、氢气合成氨反应也是一个学生熟悉的、典型的平衡体系。本节 主要通过合成氨的反应原理、原料气的制备和净化，主要生产过程及相应设备。在化学工业 中，需要化学与技术的结合，本节以此为研究对象有利于学生应用化学平衡理论和化学反应 速率理论尝试综合选择化工生产的适宜条件，从而体会化学热力学理论和化学动力学理论对 生产实践的指导作用。本节教材的地位及作用：本节学生已在化学必修课中，

3、学过NH3性质，有关氨的用途 也已学过，通过“化学反应的快慢和限度”的学习，已经了解了化学反应速率的相关知识并建 立了化学平衡的概念。在本课题学习中，面对合成氨的实际生产问题，通过对合成氨最佳条 件的探究，进一步理解化学反应速率和化学平衡移动原理是选择合成氨生产条件的主要依 据，同时也提供给学生一条综合运用化学原理和其他生产因素分析和解决实际问题的途径， 使他们已有的知识得到拓展和应用，并体会到化学理论对生产实践的指导作用。教学重点：合成氨的反应原理、合成氨生产的适宜条件。教学难点：合成氨生产适宜条件。教学方法:讨论探究、多媒体。课时安排：2课时 教学设计流程图:开始教学大屏幕展示引入思维导图

4、：合成氨原理及过程1. 学生查阅资料，展示自画的氨的用途2. 市场调查员简单介绍氨的用途3. 引入课题：人工固氮一合成氨创设情景：角色扮演教师：总导演学生：市场调查员一介绍氨的用途学生（小组分工）：合成氨厂厂长一厂总设计师（设计生产原理）一第一阶段工 程师一；第二阶段工程师一；第三阶段工程师工业上如何合成氨?学生：环境保护小组；学生扮演：外聘博士合成氨厂总设计师讲述与展示课件1. 生产氨的设计路线2. 氨的工业生产原理（黑板）课件结束z 环化小组讲述与展示1. 如何处理工业三废2. 强调环境保护的重要性随堂练习题课件归纳总结课后实践活动学生宣誓：保护环境教学过程：教师活动课前学生活动课前学生查

5、阅资料，了解氮的固定，人工合成氨的重要用途，合 成氨的原理，生产流程及相应的设备，做相应的板报和PPT。角色扮演：教师：总导演学生：市场调查员一介绍氨用途学生（小组分工）：氨厂厂长学生：硫酸厂总设计师一设计生产原理学生：第一阶段工程师一阐述氮气和氢气的制备； 学生：第二阶段工程师一阐述氮气和氢气的净化； 学生：第三阶段工程师一阐述氨合成的条件； 学生：环境保护小组一阐述工业三废的处理； 学生扮演：外聘博士一讲述氨合成塔使用原理。教师活动课程引入ppt展示在新疆与青海交界处有一山谷，人称魔鬼谷。每当人畜进 入后，经常电闪雷鸣，狂风暴雨，把人畜击毙。然而谷内却是牧草茂盛，四季常青。请同学 们一起思

6、考并解释原因。学生活动学生归纳N2 + O2= 2NO（放电）2NO + O2 = 2NO2 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO 空气中的氮转化为氮氧化物被植物吸收。在人们生活中也经常有“雷雨发庄稼”“春雨贵 如油”等说法。教师活动过渡大家都知道在地壳中氮的含量只有0.04%，而大气中氮气的体积分数为 78%。空中游离态氮气不能被庄稼吸收，必须将其转化为氮的化合物后才能被吸收。将游离 氮转化为化合态氮的方法叫氮的固定。请大家根据课前的预习，氮的固定有哪些方法？ 学生活动学生归纳主要的固氮反应有：生物固氮、自然固氮、化学固氮和人工模拟生物 固氮。ppt展示1、生物固氮：是一种主要的自

7、然固氮反应，如植物在根瘤菌作用下直接吸收空气 中的N2转化为氨等，进一步合成氮白质。2、自然固氮：如闪电产生的巨大电压，其电火花足可以击破氮分子的叁键，促使其与氧气 反应生成NO。进而生成NO2和HNO3等。3、化学固氮：合成氨反应；在放电条件下使氮气与氧气反应生成NO等；氮气与镁反应生 成氮化镁。4、人工模拟生物固氮：通过化学方法，制备出类似生物“固氮菌”的物质，使空气中的氮气 在常温常压下与水及二氧化碳等反应，转化为氨态氮或铵态氮，进而实现人工合成大量的蛋 白质等，最终实现工厂化生产蛋白质食品。信息技术支持利用Powerpoint展示图片教师活动过渡那么在化学上怎样才能有效利用廉价的自然资

8、源来生产含氮化合物？其 中合成氨是最有效且便于工业化的方法，这就涉及人工固氮技术一合成氨，为什么要合成氨 呢？今天我们以角色扮演的形式来学习合成氨。学生活动投影学生-角色市场调查员阐述氨的用途，利用板报展示氨的用途。设计意图通过氨对化工生产的重要性，激发学生对合成氨生产的兴趣。信息技术支持利用板报和Powerpoint展示图片教师活动设疑氨有那么多用途，工业上是如何生产的呢？请同学们根据查阅的资料小组 归纳总结合成氨的制备原理及生产过程。教师活动氨的用途如此之多，建立合成氨厂不仅可以帮助到我们的生活还会带来利润，现在我想建立合成氨厂，首先知道如何才能得到合成氨？设计意图培养学生自学能力，归纳总

9、结能力，个人与合作的能力。信息技术支持网上查阅资料：合成氨教师活动教师要关注学生的活动状态，与他们共同解决可能存在的问题和困惑。教师还可以提出以下思考问题引导学生学习活动（做成导学案学生课前及课堂使用）：创设情景穿越历史：介绍合成氨的发展一从实验室到工业化生产？（以下问题做成导学案 学生课前及课堂使用）：1. 根据氧化还原知识确定制备氨的反应原理是什么？2. 根据反应原理确定哪些原料可以合成氨？3. 如何净化气体中的杂质？4. 如何根据影响速率和平衡移动的因素来确定合成氨的反应条件？5. 如何合成氨和分离氨？6. 如何保护环境？学生活动学生讨论归纳展示并板书学生-总工程师代表团队讲述及板书：总

10、工程师讲述及画报展示：1.穿越历史：合成氨的历史：1900年，法国化学家勒夏特列通 过理论计算，认为氮气和氢气可以直接化合生成氨。在实验验证过程中发生了爆炸，他并没 有调查事故发生的原因，而是觉得这个实验有危险就放弃了。后来查明实验失败的原因是他 所用的混合气体中含有氧气。稍后，德国物理化学家能斯特通过理论计算，竟然认为合成氨是不能进行的。后来才发 现，他在计算时误用一个热力学数据，以致得到错误的结论。由于能斯特在物理化学领域的 权威性，人工合成氨的研究陷入低潮。德国化学家哈伯，哈伯没有盲从权威，而是依靠实验来检验，曾在1906年发明了氨的合成法，1908年又发明了合成氨的催化剂，为工业化生产

11、奠定了基础。而波施实现了合成 氨的工业化。催化剂.一.、2.确立用氢气和氨气合成氨的反应式是：N2+3H2、笊曰吉. 2NH3，属放热反应。高温高压催化剂板书：一、合成氨的反应原理：N +3H 2NHAH=-92.4KJ-mol-i22高温高压 3学生活动总工程师归纳根据硫酸的工业制备及我们查阅资料，合成氨的生产主要包括三 个步骤： 造气制备合成氨的气体原料 净化原料气净化和处理 合成与分离使原料进行化学反应合成氨并分离氨板书：二、合成氨的生产过程教师活动投影合成氨的工艺流程:信息技术支持利用用Powerpoint展示资料教师活动下面请我们请不同阶段的工程师分别进行介绍工业合成氨的生产过程：教

12、师活动设疑投影第一阶段如何制备合成氨的原料气，工业合成氨时N2取自于什么物 质?日2又来源于哪里？学生活动第一阶段工程师介绍（画报）：1. 氮气的制备：N2主要来源于空气（1）物理方法：将空气液化，蒸发分离出n2。由于相对分子质量越大，分子间作用力越大， 空气中所含气体的沸点n2vo2vco2,因此，高压下将空气液化后，经减压蒸发，最先得 到的是N2,然后还可以得到o2等。此法是目前工业上制取n2和o2的主要方法。（2）工业上所采用的化学方法：将空气中氧气与碳作用生成二氧化碳，用煤在空气中燃烧， 除去O2，吸收CO2（如用氨水吸收制NH4HCO3）后，得到N2。2. 氢气的制备：主要来源于水和

13、碳氢化合物，碳与水的作用或碳氢化合物与水的作用。方法一：将水蒸气通过赤热的煤（或焦炭）层，使水蒸气与碳发生反应生成一氧化碳和氢气。 方法二：石油、天然气、焦炉气（炼焦厂副产的气体）、炼厂气（石油炼制厂副产的气体） 等都含有大量的碳氢化合物，这些碳氢化合物在一定条件下，可以与氧气或水蒸气反应生成 一氧化碳、二氧化碳和氢气。学生活动试写出碳与水制氢气的化学方程式。制取氢气的途径化学反应原理电解水制取氢气通电2H20 2H2T+02T由煤或焦炭制取氢气高温C+H20虬+CO由天然气:或重油制取氢气,催化剂,CH4+H203H2+C0,催化剂,CH4+2H204H2+C02板书：1.造气制备合成氨的气

14、体原料教师活动设疑合成氨原料的关键是什么？学生活动厂长团队：氮气可以从空气中获得，如何获得大量廉价的氢气，实现最大剩余价 值？学生活动第一阶段工程师总结原料制备路线的选择，应综合考虑资源、工艺、能耗、成 本、环境等重要因素。氮气主要来自于空气，主要是氢气，由电解水制氢气，电能消耗大， 成本高，不适于制取大量的氢气，早期，主要以焦炭与水为原料生产水煤气以得到氢气，现 在，已经可以使用各种不同的固态可燃物（煤和焦炭等）、液态可燃物（石油中提炼的石脑 油和重油等）和气态可燃物（天然气、焦炉气等）作为制氢气的原料。设计意图培养学生理论联系实际的能力，用实践检验理论。教师活动设疑在制取原料气的过程中往往

15、会掺杂一些杂质，其中一些会使催化剂中毒， 因此必须除去，这一过程就称为原料气的净化。如何净化原料气？设计意图培养学生理论联系实际的能力，对工业的发展做出贡献。学生活动第二阶段工程师介绍：原料气的净化处理（画报）（1）原料气净化的原因：除去某些杂质，防止使合成氨所用的催化剂中毒。（2）用稀氨水吸收 H2S 杂质：NH3-H2O+H2S=NH4HS+H2O（3）使 CO 变成 C02 : CO+H2O=CO2+H2 （催化剂：Fe2O3 和 CuO）（4）用 K2C03 吸收 C02 : K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3（5）最后，原料气还需进行精制处理，如用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收

16、C0、C02、 02、H2S等少量有害气体。学生活动第二阶段工程师总结由于原料的不同，原料气的净化工艺和技术也不断改进。板书：2.净化 原料气净化和处理设计意图培养学生理论联系实际的能力，用实践检验理论。教师活动净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入氨合成塔合成和分离。使氨气和氢 气在高温高压和催化剂条件下合成氨，最后将合成后的混合气体液化分离出液态氨，并将剩 余的氨气与氢气循环送回合成塔中进行反应。板书：3.合成与分离使原料进行化学反应合成氨并分离氨教师活动设问作为工厂的厂长，你对工业生产主要考虑哪些问题？学生活动厂长团队：经济效益和社会效益，降低成本，提高产品的产量和质量，这就需要 考虑

17、原料的利用率高，如何增大化学反应限度；单位时间内产率高，增大化学反应速率。另 外还要考虑生产中的消耗能源、原料来源、设备条件、环境保护等因素。必须提高综合的经 济效益，理论探究与实际相结合。设计意图让学生明确化工生产所要关注的问题，为下面学习做好铺垫。教师活动设问如何加快速率提高产率呢？现在工厂合成氨气原理有何特点，应怎样选择 生产条件呢？依据什么？板书：适宜化工生产条件的选择学生活动学生讨论回答第三阶段工程师总结外界条件对反应速率和化学平衡的影响。评价并板书依据：外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响。教师活动设问请写出合成氨的化学方程式，并分析该反应特点。（教师指导学生分析、 总结，并且教

18、师对学生提出的见解进行评价。）思考如何选择合成氨的适宜条件？ 合成氨的反应有什么特点？ 如果我们是企业家，要提高合成氨的经济效益应采取什么措施？ 怎样改变条件加快合成氨的反应速率？ 怎样改变条件能提高氨在平衡混合物中的百分含量？信息技术支持利用Powerpoint展示学生活动学生讨论思考并尝试回答第三阶段工程师总结合成氨反应的特点：可逆反应； 正反应为气体体积缩小；正反应为放热反应等。学生活动厂长认为：根据合成氨的特点，应从化学反应速率和化学平衡两个角度来分析， 要充分考虑经济效益问题。一要使反应进行得更快，二要使产品的产量更多。学生活动第三阶段工程师总结使氨生产得快（从化学反应速率分析）使氨

19、生成得多（从化学平衡分析）浓度增大n2、h2的浓度增大n2、h2的浓度，减小nh3的浓度压强高压高压温度高温低温催化剂使用不影响投影讨论结果:表一信息技术支持利用Powerpoint展示教师活动讨论与思考根据资料讨论如下问题？（1）既然增大压强可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越 大越好呢？压强怎么定？（2）既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？温度 怎么确定？（3）催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？（2）显然，从化学反应速率和化学平衡两个方面考虑，对压强要求是一致的，而对温度的 要求是矛盾的。怎样

20、解决这个矛盾？学生活动学生共同讨论分析表2,通过数据分析理解合成氨中温度和压强的变化与氨含量 的变化情况。资料1 合成氨平衡时混合物中氨的含量（体积分数）温度/c压强/MPa0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.084.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4资料3资料2教师与学生活动小组讨论回答(1) 既然增大压强可提高反应速率，又可提高氨的产量，那么在合成氨工业中压强是否越 大越好呢？压强怎

21、么定？答案：合成氨反应是体积缩小的气体反应，增大压强既可以增大反应速率，又能提高平衡 混合物中氨的含量，所以理论上压强越大越好。但是压强越大，对设备的要求高、压缩h2和n2所需要的动力大，因此压强也不宜 过高。综合以上两点，实际生产中压强一般选择在10MPa30MPa之间。(2) 既然降低温度有利于平衡向生成氨的方向移动，那么生产中是否温度越低越好？温度 怎么确定？答案：因为正反应方向是放热的反应，所以降低温度有利于提高平衡混合物中氨的含量。 可是温度越低，反应速率越小，达到平衡所需要的时间越长，因此温度也不宜太低。 催化剂要在一定温度下效果最好。综合以上因素，实际生产中温度一般选择在4005

22、00C(主要考虑催化剂的活性) 左右。(3) 催化剂对化学平衡的移动没有影响，在合成氨工业中要不要使用催化剂，为什么？答案：成千上万倍地加快化学反应速率，缩短达平衡的时间，提高日产量。实际生产中选用铁为主体的多成分催化剂(铁触媒)，它在500C时活性较高。教师活动投影应注意催化剂的如下特点： 选择性：不同的反应选择不同的催化剂，如合成氨选择了铁触媒。每种催化剂都是对特定 的反应有催化作用，并非能改变任何化学反应的速率。 灵敏性：催化剂中混入杂质，常常会失去催化作用，称催化剂中毒”，因此反应气体进入反应器前必须净化。催化剂只有在活化温度以上才能起催化作用，如铁触媒活化温度为400500C，因此该

23、 温度为合成氨的适宜温度。学生活动第三阶段工程师总结完成表3投影表3。表3理论和实际生产条件的对比反应条件从化学反应速率理论讨论对化学反应速率的影响从化学平衡理论讨论对平衡混合物中NH3含量的 影响综合两方面理论选择合成氨的适宜条 件压强增大压强，有利于增大化学反应速率，越大越好增大压强，有利于提高平衡混 合物中NH3的含量，越大越 好压强增大，有利于氨的 合成，但需要的动力 大、对材料、设备等要 求高因此，工业上一般 采用1030Mpa的压强温度升高温度，有利于增大化学反应速率，越高越好升高温度，不利于提高平衡混 合物中nh3的含量，越低越 好选择适宜的温度，工业上一般采用400500C左右

24、的温度，这个温度催化剂的活性最大催化剂使用催化剂有利于增大化学反应速率没有影响工业上一般采用铁触媒，使反应能在较低的温度下较快地进行。设计意图培养学生理论联系实际的能力，用实践检验理论。信息技术支持利用Powerpoint展示板书：反应条件1）浓度：2）温度：400500 C；3）高压:10MPa30MPa；4）催化剂（加快反应速率）：铁教师活动讨论与思考如图，即使在500C和30MPa时，合成氨平衡混合物中NH3的体积分数也只有26.4%，转化率仍不够大，还可采取什么办法?0.11020306010020015.381.586.489.995.498.83002.252.064.271.08

25、4.292.64000.425.138.247.065.279.85000.110.619.126.442.257.56000.054.59.113.823.131.4学生活动保持一定的n2、h2浓度，减少氨气的浓度，可以提高合成氨的效率和产量。实 际生产中的处理方法：及时将气态氨冷却液化而分离出去；及时补充氮气和氢气，使其保持 一定的浓度。教师活动还可以在哪些方面做进一步的改进？学生活动第三阶段工程师总结我们除了从反应原理方面分析外，还要从材料和设备方面 分析才能确定合成氨工业的适宜条件，必须全面考虑问题，既注意外界条件对反应速率和化 学平衡影响的一致性，又要注意其矛盾性，同时兼顾催化剂的活

26、性对温度的限制。也就是理 论要联系实际。教师活动扩展催化剂的改进：多年来一直用磁铁矿催化剂，目前有采用钉为基础活性物 质的新型催化剂。教师活动设问净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入氨合成塔，氮气和氢气在合 成塔内如何反应？请我们外聘的博士给我们讲讲？学生活动博士讲述合成塔内部结构示意图：合成塔主要由接触室和热交换器两部分组成， 气体从塔顶部进入，在环隙中沿塔壁而下，经换热器壳程后到分气盒，分散到冷却管，气体被预 热到铁催化剂的活性温度（通常为400500p左右），再流经设有电加热器的中心管。从 上而下通过催化剂床层，氮气和氢气在此反应后，出催化剂筐，通过换热器管程降低温度， 出合成塔，热

27、交换器使合成氨和氨冷凝放出的热量来加热原料气体。教师活动过渡从合成塔出来的混合气体，其中氨气占总体积的15%，要把混合气体通过 冷凝器使氨液化，再导入液氨贮罐。教师活动过渡现在合成了我们所要的氨气，但随环境保护意识的增强以及相关的法律、 法规的严格实施，合成氨的生产过程中可能产生的固体、液体和气体废弃物如何处理？怎样 保护环境？学生活动环化小组展示：环境保护（1）废渣：主要来自造气阶段，特别是以煤为原料而产生的煤渣，用重油为原料产生的炭 黑等，可用作建材和肥料的原料。（2）废气：主要是H2S和CO2等有害气体，对H2S的处理，可用直接氧化法（选择性催 化氧化）、循环法（用溶剂吸收浓缩），CO2

28、也可用来生产尿素和碳铵等。（3）废液：主要是含氰化物和含氨的污水，处理含氰化物主要用有生化、加压水解、氧化 分解、化学沉淀、反吹回炉等方法。处理氨废水可用蒸馏的方法回收，也可用离子交换法治 理。总结工业制备氨流程:原理；原料制备，原料气的净化，氨的合成和分离，工业三废处理 板书设计：人工固氮技术一一合成氨一. 合成氨的反应原理二. 合成氨的基本生产过程造气净化合成：合成条件：1）浓度：2）温度：400500C；3）高压:10MPa30MPa；4）催化剂（加快反应速率）：铁三. 环境保护【课堂练习】1. 在合成氨时，可以提高H2转化率的措施是（C ）A. 延长反应时间8.充入过量H2。.充入过量

29、N2D.升高温度2. 下列有关合成氨工业的途述，可用勒沙特列原理来解释的是（B ）A、使用铁触媒，使N2和H2混合气体有利于合成氨B、高压比常压条件更有利于合成氨的反应C、5000C左右比室温更有利于合成氨的反应D、合成氨时采用循环操作，可提高原料的利用率3. 关于氨的合成工业的下列说法正确的是（B ）A. 从合成塔出来的气体，其中氨气一般占15%，所以生产氨的工业的效率都很低B. 由于NH3易液化，N2、H2可循环使用，则总的说来氨的产率很高C. 合成氨工业的反应温度控制在400500 C左右，目的是使平衡向正反应方向进行D. 合成氨工业采用10 MPa30MPa，是因该条件下催化剂的活性最

30、好4. 在合成氨工业中，为增加氨的日产量，下列变化过程中不能使平衡移动的是（B ）A. 不断将氨分离出来B. 使用催化剂C, 采用5000C左右的温度D, 采用1030MPa的压强5. 某温度时，在一体积为2L的密闭容器中，通入112gN2和24g的H2,此时容器内压强为 p大气压。在该温度和催化剂作用下，H2和N2反应达到平衡，测得平衡时压强为0.95p大 气压，下列说法不正确的是（D）A. 平衡时，N2物质的量是3.6 molB. 平衡时，H2的物质的量是10.8molC. 平衡时，N2的转化率10%D. NH3的体积百分含量是10%教学反思:在设计这一堂课的时候上，坚持以学生为主体，教师

31、为主导的原则，通过导学案的应 用让学生进行各种形式的自主学习，本节主要采取角色扮演的形式，充分发挥学生的自主性 和能动性。在课前学生通过网络资源及课本资料做了大量的调查和研究，对氨的用途及原理 有了初步的了解，课上从学生课前准备活动引入课题，使学生进入学习状态。紧接着让学生 根据调查的资料、围绕问题讨论交流，培养学生自学能力。然后教师针对学生的情况进行重 点难点点拨，让学生掌握氨的生产原理及流程、设备技术措施等。通过工业三废对环境的污 染，培养学生保护环境的责任感。原设计时，工业的三废希望在课堂上讲完，做习题及时巩 固这节的内容，最后留下思考问题，也为下一节课的内容做了很好的铺垫。在课堂准备上

32、，并没有像以往那样花很多的时间制作课件，各种多媒体设备全部用上， 而是充分利用了学生的自主活动和网络的有效信息搜索，充分地展现了课堂的内容，同时向 学生有效的传递了课堂的设计意图：让学生动起来，自主学习。由于这节课在设计上花了很 多心思，充分调动了学生，学生学得主动轻松，老师也从繁杂的课件制作中腾出更多时间和 心思进行课堂设计，在45分钟内高效的完成了本节课的教学要求。但是有些地方处理还是不太好，我在上这一节课的时候，各个讨论环节时间控制上没 有很好把握，导致课堂最后面精心设计的活动略显匆忙，学生有些意犹未尽，效果没有想象 中好。思考问题刚提出，下课铃声就响了，但也激发了学生课后讨论的积极性。