基于證據(jù)推理促進(jìn)化學(xué)概念深度學(xué)習(xí)

楊文月

化學(xué)概念的深度學(xué)習(xí)是基于學(xué)生已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，通過基于證據(jù)的推理分析等學(xué)習(xí)活動(dòng)，進(jìn)行概念的提取、歸納和初步構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上理解與運(yùn)用，并批判性地接收和學(xué)習(xí)新知識(shí)，建立新舊知識(shí)問的聯(lián)系，進(jìn)行深度高階思維的學(xué)習(xí)。該文圍繞素養(yǎng)為本，以人教版《選擇性必修1化學(xué)反應(yīng)原理》“反應(yīng)熱”教學(xué)為例，聚焦以證據(jù)推理為抓手，以高質(zhì)量對(duì)話為依托，尋求促進(jìn)學(xué)生關(guān)于化學(xué)概念的深度學(xué)習(xí)的教學(xué)策略。

一、教學(xué)內(nèi)容分析

人教版《化學(xué)選擇性必修1》中，本章包括2節(jié)內(nèi)容：第一節(jié)“反應(yīng)熱”，介紹了反應(yīng)熱的概念、葉，和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定、焓變、熱化學(xué)方程式和燃燒熱等；第二節(jié)“反應(yīng)熱的計(jì)算”，介紹了蓋斯定律和反應(yīng)熱的計(jì)算。

“反應(yīng)熱”是化學(xué)學(xué)科核心概念，教材中存在許多概念與其構(gòu)成直接或者間接的聯(lián)系（如圖1所示）。

人教版教材中呈現(xiàn)圖1所示概念時(shí)思路清晰明了。體系與環(huán)境的引入首先幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)研究“反應(yīng)熱”的前提條件；接著通過測定中和反應(yīng)反應(yīng)熱，研究反應(yīng)熱的含義；最后從能量角度，引出內(nèi)能、焓，再通過限定恒溫恒壓的條件引出焓變，符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。反應(yīng)熱又是整個(gè)概念系統(tǒng)的核心，該章內(nèi)容具體編排如圖2所示，內(nèi)容之間的邏輯順序極為清晰。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.能通過認(rèn)識(shí)體系與環(huán)境的概念，掌握反應(yīng)熱的概念。

2.分析中和反應(yīng)反應(yīng)熱的測定原理，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算反應(yīng)熱，培養(yǎng)綜合能力與計(jì)算能力。

3.從體系內(nèi)能的視角出發(fā)，了解焓變與反應(yīng)熱的概念關(guān)系，培養(yǎng)對(duì)問題多角度分析的能力，

4.了解燃燒熱及熱化學(xué)方程式的書寫規(guī)則，熟練掌握以符號(hào)表征為核心的表達(dá)方式。

5.能夠分析發(fā)現(xiàn)反應(yīng)的能量關(guān)系，體會(huì)蓋斯定律的意義，在化學(xué)學(xué)習(xí)中滲透化學(xué)學(xué)科的價(jià)值

三、單元教學(xué)流程

依據(jù)“反應(yīng)熱”的相關(guān)概念的邏輯關(guān)系，以人教版新教材為基礎(chǔ)并結(jié)合學(xué)情，筆者設(shè)計(jì)的促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的單元教學(xué)流程如圖3所示。

四、核心概念教學(xué)過程

以下教學(xué)過程為3個(gè)課時(shí)，本文只展示課時(shí)1的部分師生對(duì)話。

課時(shí)1：

1.能量變化、體系與環(huán)境、反應(yīng)熱

[教師]（展示一盒自熱火鍋）自熱鍋發(fā)熱原理是什么？從能量角度，生產(chǎn)商需要考慮什么問題？從能量安全角度，使用者要考慮什么問題？

[學(xué)生]自熱鍋原理是生石灰與水反應(yīng)放熱？廠商需要考慮加熱包中生石灰的量、米飯的量、加熱的時(shí)間等。不能隨便丟棄加熱包，有著火的可能，且堿性強(qiáng)，污染環(huán)境。

[教師]人們利用化學(xué)反應(yīng)提供的能量，在實(shí)際生產(chǎn)生活中往往需要定量。剛才同學(xué)們說的保護(hù)環(huán)境是我們熟悉的“環(huán)境”。在定量研究化學(xué)反應(yīng)能量變化時(shí)，需要明確的2個(gè)概念——“體系與環(huán)境”中也有“環(huán)境”。如何理解這2個(gè)概念呢？（演示實(shí)驗(yàn)：鹽酸和氫氧化鈉溶液在試管中混合發(fā)生反應(yīng)，用手摸試管壁。）我們以鹽酸和氫氧化鈉溶液反應(yīng)為例，研究體系是什么？環(huán)境是什么？

[學(xué)生]體系包括鹽酸、氫氧化鈉溶液中的微粒，還有中和反應(yīng)本身以及反應(yīng)產(chǎn)生的微粒。環(huán)境包括體系之外所有的東西。

[教師]老師的手也算是環(huán)境的一部分，我剛剛用手觸摸試管壁，感受到外壁溫度升高，有同學(xué)可以解釋一下產(chǎn)生這種感覺的原因嗎？

[學(xué)生]因?yàn)樵摲磻?yīng)放熱，使體系溫度升高。老師的手作為環(huán)境，溫度較低，能量（熱量）由體系傳遞給環(huán)境。

[教師]假如我的手是溫度計(jì)，體系放出的熱全部被我感知到，那我能知道這部分能量是多少嗎？你能根據(jù)物理學(xué)知識(shí)解釋說明嗎？

[學(xué)生]根據(jù)Q=c×m×△T，△T取最高溫度與反應(yīng)前的溫度差。

[教師]等溫條件下（即反應(yīng)后體系溫度恢復(fù)至反應(yīng)前），化學(xué)反應(yīng)體系向環(huán)境釋放或者吸收的熱量，稱之為化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，簡稱反應(yīng)熱。給“反應(yīng)熱”下定義時(shí)，為什么規(guī)定始末態(tài)溫度相同？

[學(xué)生]只有規(guī)定體系的始末態(tài)溫度相同，才能保證反應(yīng)熱全部傳給環(huán)境，便于測量。

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生較為熟悉的生活情境引入，作為探索定量研究化學(xué)反應(yīng)能量變化的起點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，在體系與環(huán)境的概念教學(xué)中，將課本的圖片變成了眼前的實(shí)驗(yàn)。由學(xué)生熟悉的概念出發(fā)，進(jìn)行新概念的構(gòu)建。在引入反應(yīng)熱概念時(shí)，教師對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行假定，學(xué)生通過推理分析，真正理解“等溫”在反應(yīng)熱定義中的意義，也為接下來測量反應(yīng)熱的原理做鋪墊。

2.中和反應(yīng)反應(yīng)熱、內(nèi)能與焓、焓變

[教師]（展示實(shí)驗(yàn)儀器及用品）現(xiàn)在請同學(xué)們根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)用品，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案測定中和反應(yīng)的反應(yīng)熱。

請討論實(shí)驗(yàn)原理，細(xì)化實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，制定實(shí)驗(yàn)步驟。

[學(xué)生]討論，匯報(bào)：（1）根據(jù)物理公式Q=c×m×△T。（2）用水的比熱容近似處理c。（3）用量取體積的方法求得溶液質(zhì)量m。（4）用同1只溫度計(jì)分別測量反應(yīng)前后溶液的溫度變化，求算溫度差△T。

[教師]請同學(xué)們思考如下幾個(gè)問題：實(shí)驗(yàn)過程使用的量熱計(jì)有什么特點(diǎn)？實(shí)驗(yàn)操作注意什么？溫度傳感器記錄的數(shù)據(jù)圖（圖略），該讀取哪個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)？依據(jù)是什么？鹽酸與氫氧化鈉溶液中和反應(yīng)前后溫度發(fā)生變化，所計(jì)算的熱量還能稱為“反應(yīng)熱”嗎？

[學(xué)生]討論，匯報(bào)：（l）隔熱層和杯蓋主要作用是盡可能防止熱量散失。（2）要注意反應(yīng)時(shí)快速混合溶液，并用玻璃攪拌器攪拌。（3）記錄最高點(diǎn)的溫度，體系放出的熱量使溫度升高，溫度最高點(diǎn)代表體系中酸和堿完全中和時(shí)所放出的熱量：

[數(shù)據(jù)處理]學(xué)生根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算該中和反應(yīng)的反應(yīng)熱。

[教師]在這組實(shí)驗(yàn)中，你計(jì)算得到的中和反應(yīng)放出的熱量Q的大小與什么有關(guān)？如果有一個(gè)數(shù)據(jù)能夠代表中和反應(yīng)：

H+（aq）+OH -（ aq）=H2O（1）

生成lmol水，我們對(duì)于中和反應(yīng)反應(yīng)熱的定量研究可能會(huì)更為方便，清你進(jìn)行換算。

設(shè)計(jì)意圖：打破傳統(tǒng)教學(xué)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，讓學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)原理這個(gè)過程比學(xué)生按照課本步驟做實(shí)驗(yàn)，這種探究要有趣得多。并且可以加深學(xué)生對(duì)反應(yīng)熱概念的理解，促進(jìn)學(xué)生概念內(nèi)化，在討論論證過程中充分將思維外顯，形成完整的思維體系。實(shí)驗(yàn)過程中使用溫度傳感器能將數(shù)據(jù)外顯，學(xué)生更直觀地觀察到溫度的變化曲線，通過分析，確定最高點(diǎn)的意義。數(shù)據(jù)處理的最后，教師的問題推進(jìn)，加深了學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)計(jì)量關(guān)系與能量變化的理解，為學(xué)生之后學(xué)習(xí)熱化學(xué)方程式和歸納Q與AH的關(guān)系做鋪墊。

[教師]化學(xué)反應(yīng)為什么會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)熱？能量從何而來？內(nèi)能（U）是體系內(nèi)物質(zhì)各種能量的總和，根據(jù)水有三態(tài)，結(jié)合微觀角度討論物質(zhì)的內(nèi)能包含哪些具體能量？哪些因素會(huì)引起內(nèi)能的變化？

[學(xué)生]反應(yīng)前后體系內(nèi)能發(fā)生變化，就會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)熱。內(nèi)能受溫度、壓強(qiáng)、物質(zhì)的聚集狀態(tài)影響，包括分子動(dòng)能和勢能之和。

[教師]焓（H）是與內(nèi)能相關(guān)的物理量。在等壓等溫條件下的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)熱可視為焓變（△H）單位為kj/mol。焓和內(nèi)能都是狀態(tài)函數(shù)，狀態(tài)函數(shù)的變化規(guī)定為末狀態(tài)減去初狀態(tài)。請根據(jù)課本圖1-4，歸納△H的“正負(fù)”與吸熱或放熱反應(yīng)的關(guān)系。

[學(xué)生]△H>0，吸熱反應(yīng)；△H<0，放熱反應(yīng)。

[教師]還可以從體系的角度來認(rèn)識(shí)，體系放熱，焓減少。體系吸熱，焓增大。

[教師]展示課本圖1-5能量變化示意圖及相關(guān)數(shù)據(jù)。

[學(xué)生]化學(xué)反應(yīng)中能最變化的本質(zhì)，是化學(xué)鍵斷裂和形成時(shí)的能量變化。

設(shè)計(jì)意圖：內(nèi)能是物理學(xué)科的重要概念，是學(xué)生的已有概念，在此基礎(chǔ)上引出焓這個(gè)新的概念。強(qiáng)調(diào)“恒溫恒壓”條件下反應(yīng)熱可視為焓變，說明“反應(yīng)熱”與“焓變”并非同一概念，有助r避免學(xué)生產(chǎn)生“反應(yīng)熱即焓變”的迷思概念。結(jié)合圖示，并通過狀態(tài)函數(shù)的變化規(guī)定以及從體系出發(fā)，說明清楚△H>0或△H<0的規(guī)定，讓學(xué)生進(jìn)一步理解體系與環(huán)境的關(guān)系。

課時(shí)2：

3.熱化學(xué)方程式，燃燒熱

[教師]25℃時(shí)，101 kPa，1 mol H+和OH-反應(yīng)產(chǎn)生1mol液態(tài)H2O時(shí)，放出57. 3kJ的熱量。請用化學(xué)符號(hào)用語表示該反應(yīng)的物質(zhì)變化和能量變化情況。為什么熱化學(xué)方程式要標(biāo)明狀態(tài)、溫度、壓強(qiáng)等？請根據(jù)你之前測定中和反應(yīng)反應(yīng)熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，歸納Q和△H的關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：通過中和反應(yīng)熱化學(xué)方程式的表達(dá)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)用語是對(duì)自然規(guī)律的理解、尊重和表達(dá)。學(xué)生親身經(jīng)歷的實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)更有真實(shí)感，明白熱化學(xué)方程式中要標(biāo)明的內(nèi)容不是強(qiáng)制的規(guī)定，而是由于“焓”與內(nèi)能一樣都與物質(zhì)的種類、數(shù)量、聚集狀態(tài)、溫度、壓強(qiáng)有關(guān)，△H自然也會(huì)隨影響因素的改變而改變。

[教師]燃燒熱是一種反應(yīng)熱。幾種常見燃料的燃燒熱見表1。

[討論]根據(jù)燃燒熱的定義，以甲烷為例說明表述其燃燒熱需要注意哪些問題？寫出甲烷燃燒的熱化學(xué)方程式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步歸納書寫熱化學(xué)方程式的注意事項(xiàng)，

[討論]根據(jù)表1燃燒熱的數(shù)據(jù)，計(jì)算相同質(zhì)量的碳、氫氣、甲烷在25℃、101 kPa時(shí)完全燃燒放出的熱量。請你根據(jù)計(jì)算結(jié)果說明氫氣作為能源的優(yōu)點(diǎn)。請你判斷相同質(zhì)量的甲烷、乙烷、丙烷完全燃燒，熱值最大的是哪種？

設(shè)計(jì)意圖：熱化學(xué)方程式只是化學(xué)特有的符號(hào)語言，它背后的反應(yīng)熱才是人類真正關(guān)注的焦點(diǎn)。通過數(shù)據(jù)計(jì)算比較，學(xué)生切實(shí)體會(huì)到能源的發(fā)展在社會(huì)生活中的重要性。學(xué)生在數(shù)據(jù)計(jì)算的過程中，通過已知數(shù)據(jù)，再由計(jì)算結(jié)果運(yùn)用質(zhì)量守恒進(jìn)行推斷，能夠培養(yǎng)學(xué)生遷移運(yùn)用的思維能力。

課時(shí)3：

4.蓋斯定律

[教師]如果物質(zhì)都能夠完全燃燒，人類就可以有效使用地球上有限資源。然而，燃燒不充分是常見的。C不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生CO，測量這個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)熱是有難度的，很難做到在反應(yīng)中控制條件全部生產(chǎn)CO而不生產(chǎn)CO2。蓋斯定律是基于科學(xué)家大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納總結(jié)出的客觀規(guī)律，你能以我們熟悉的碳的燃燒為例（如圖4所示），從理論[二證明蓋斯定律嗎？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)深入理解“焓”作為狀態(tài)函數(shù)的特點(diǎn)。當(dāng)狀態(tài)確定，H確定，△H只與反應(yīng)的始末狀態(tài)有關(guān)，跟反應(yīng)途徑無關(guān)。圖4相比于人教版課本第15頁的圖，更利于學(xué)生從本質(zhì)上理解蓋斯定律。

[教師]某同學(xué)通過實(shí)驗(yàn)測量了放熱反應(yīng)

Fe（s）+CuSO4（aq）=Cu（s）+FeSO4（aq）的焓變△H。在用同樣方法測量反應(yīng)

Fe（s）+Fe2（SO4）3（aq） =3 FeSO4（ aq）

焓變的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)把鐵粉加入Fe2（ SO4）3溶液中，有氣體產(chǎn)生，用量熱計(jì)無法測定其反應(yīng)熱，為什么？如何獲得反應(yīng)

Fe（s）+Fe2（SO4）3（aq） =3 FeSO4（ aq）的焓變呢？請?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

設(shè)計(jì)意圖：蓋斯定律的最大價(jià)值在于可以利用實(shí)驗(yàn)測定的少量反應(yīng)熱數(shù)據(jù)，推算大量實(shí)驗(yàn)難以測定的其他焓變數(shù)據(jù)，從而知道其他反應(yīng)的反應(yīng)熱。此任務(wù)以實(shí)驗(yàn)為依托，制造沖突，有氣體產(chǎn)生，說明副反應(yīng)的存在。學(xué)生深切感受有無法測定的反應(yīng)熱，要設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)往銅粉中加入Fe2（ SO4）3溶液，測反應(yīng)

Cu（s）+Fe2（ SO4）3（aq）=CuSO4（ aq） +2FeSO4的反應(yīng)熱。需要學(xué)生學(xué)會(huì)綜合利用已有知識(shí)，熟練掌握遷移概念的本領(lǐng)，靈活運(yùn)用蓋斯定律解決實(shí)際問題。

五、化學(xué)概念深度學(xué)習(xí)的教學(xué)反思（略）

（收稿日期：2023 -10 - 17）