丁 浩

（江蘇省梁豐高級(jí)中學(xué) 江蘇 張家港 215600）

基于“能量觀”的學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)
——以“化學(xué)反應(yīng)中的熱量變化”為例

丁 浩

（江蘇省梁豐高級(jí)中學(xué) 江蘇 張家港 215600）

“能量觀”是繼“物質(zhì)觀”后學(xué)生接觸到的又一重要化學(xué)學(xué)科觀念，化學(xué)反應(yīng)中微粒間化學(xué)鍵的變化是能量變化的根源，而能量守恒是定量判斷反應(yīng)熱的依據(jù)。文章以“化學(xué)反應(yīng)中的熱量變化”為例，嘗試通過(guò)科學(xué)探究學(xué)習(xí)學(xué)科概念，發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。

學(xué)習(xí)進(jìn)階；能量觀；核心素養(yǎng)；能量守恒

熱化學(xué)是熱力學(xué)第一定律運(yùn)用于化學(xué)反應(yīng)中熱量的定量計(jì)算的具體體現(xiàn)，高中階段可簡(jiǎn)單表述為研究化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)。

本文以蘇教版必修2專題2第二單元“化學(xué)反應(yīng)中的熱量變化”為例，嘗試從化學(xué)反應(yīng)中的“能量觀”角度，結(jié)合物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)以及變化與守恒等學(xué)科觀念，探討通過(guò)學(xué)科觀念學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的方法。

能量，高一學(xué)生認(rèn)識(shí)角度多是和熱量相關(guān)聯(lián)，認(rèn)識(shí)更多的是停留在初中化學(xué)的燃燒的基本條件（達(dá)到著火點(diǎn)）、燃燒是劇烈的發(fā)光發(fā)熱的氧化反應(yīng)、物理學(xué)科中的動(dòng)能和勢(shì)能。通過(guò)專題2學(xué)習(xí)，以化學(xué)能和熱能的相互轉(zhuǎn)化、化學(xué)能和電能的相互轉(zhuǎn)化為例，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)變化同時(shí)，伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，而且能量的轉(zhuǎn)化是多種形式的。

深層次看，化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出來(lái)的能量變化是和物質(zhì)結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，化學(xué)反應(yīng)是原子間的重新組合過(guò)程，涉及到化學(xué)鍵的斷裂和形成過(guò)程，斷裂化學(xué)鍵需要吸收能量，形成化學(xué)鍵要釋放能量，宏觀上表現(xiàn)的能量變化實(shí)際上是由這兩個(gè)過(guò)程的熱效應(yīng)相對(duì)大小決定，通過(guò)微觀變化理解宏觀現(xiàn)象，而通過(guò)宏觀現(xiàn)象能夠辨析微觀結(jié)構(gòu)上的差異，宏觀現(xiàn)象只是眾多微觀粒子性質(zhì)疊加和放大。從定量的角度分析能量變化的原因和表示方法，為學(xué)生開(kāi)啟了化學(xué)學(xué)科的另一重要學(xué)科觀念——能量守恒觀。

一、從學(xué)習(xí)進(jìn)階看，剖析概念學(xué)習(xí)層次

高中階段，能量轉(zhuǎn)化的教學(xué)內(nèi)容在必修2專題2和選修（化學(xué)反應(yīng)原理）都有涉及，轉(zhuǎn)化形式主要是化學(xué)能與熱能、電能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能之間的相互轉(zhuǎn)化。從概念的進(jìn)階看，“化學(xué)反應(yīng)中的熱量變化”具體涉及以下四個(gè)層次要求。

第一層次，能夠從宏觀角度，認(rèn)識(shí)到不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，能夠舉例說(shuō)明通過(guò)化學(xué)變化可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)能、熱能、電能、太陽(yáng)能之間的轉(zhuǎn)化。能夠從反應(yīng)的熱效應(yīng)判斷反應(yīng)物和生成物能量存在差異，這種差異通常可以表現(xiàn)反應(yīng)的吸熱或放熱。

第二層次，能夠從微觀粒子之間的作用力的變化，即化學(xué)鍵的形成和斷裂角度分析能量變化，理解化學(xué)反應(yīng)是物質(zhì)變化和能量變化的統(tǒng)一，進(jìn)而理解反應(yīng)的熱效應(yīng)（即焓變）以及使用鍵能定量計(jì)算熱效應(yīng)；同時(shí)為活化能概念做好鋪墊。

第三層次，知道內(nèi)能和焓是與體系狀態(tài)有關(guān)的物理量，了解內(nèi)能改變、焓變與反應(yīng)熱的關(guān)系；運(yùn)用反應(yīng)焓變和熵變判斷反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行以及自發(fā)進(jìn)行的外界條件；能夠根據(jù)實(shí)際需要，有目的地通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與其他能量的相互轉(zhuǎn)化。

第四層次，能量的守恒觀。物質(zhì)的絕對(duì)能量無(wú)法測(cè)得，但是伴隨反應(yīng)進(jìn)行能量的變化是可以測(cè)定的，能量守恒和質(zhì)量守恒一樣，是化學(xué)變化中的兩個(gè)重要的守恒，能夠運(yùn)用蓋斯定律進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算。

其中第三層次和第四層次涉及選修《化學(xué)反應(yīng)原理》的學(xué)習(xí)，必修階段主要完成第一、二層次學(xué)習(xí)。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，需要從單純的物質(zhì)轉(zhuǎn)化角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，拓展到能量轉(zhuǎn)化，形成多維度、多角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的觀念和能力。

由于能量難以直接根據(jù)某些性質(zhì)直接判斷、感知，而需要通過(guò)間接的熱效應(yīng)（比如溫度的變化、發(fā)光發(fā)熱等）來(lái)定性判斷，熱效應(yīng)可以通過(guò)一定量的某物質(zhì)之間反應(yīng)的溫度變化定量測(cè)定，還可以結(jié)合具體的化學(xué)鍵能進(jìn)行定量計(jì)算。

三、從學(xué)科觀念看，合理設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)

從教材結(jié)構(gòu)上看，本單元把學(xué)生從僅僅關(guān)注化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的性質(zhì)和變化逐漸引導(dǎo)到能量的變化以及能量的轉(zhuǎn)化，并從微觀粒子的化學(xué)鍵變化解釋能量變化的原因，為下階段化學(xué)能和熱能、電能的轉(zhuǎn)化做好準(zhǔn)備。

教材引言部分，以“在化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為生成物的同時(shí)，必然發(fā)生能量的變化”開(kāi)始，引導(dǎo)學(xué)生的視野投向化學(xué)反應(yīng)中除物質(zhì)變化之外的另一個(gè)領(lǐng)域——“能量變化”。必修二專題2與第二單元分別以“化學(xué)反應(yīng)和能量轉(zhuǎn)化”、“化學(xué)反應(yīng)中的熱量”為標(biāo)題，自然引出連續(xù)的、縱向的、遞進(jìn)的四個(gè)層次問(wèn)題：

（1）化學(xué)反應(yīng)與能量變化是什么關(guān)系？（從關(guān)注物質(zhì)變化到能量變化）

（2）化學(xué)反應(yīng)中的熱量和能量的關(guān)系？（能量形式的多樣性）

（3）化學(xué)變化中能量（熱量）從哪里來(lái)？（化學(xué)鍵，守恒思想核心知識(shí)）

（4）怎樣表示化學(xué)變化中的熱量變化？（熱化學(xué)方程式的表達(dá)方式和含義）

清楚了教學(xué)目標(biāo)和涉及的學(xué)科核心知識(shí)，圍繞以上問(wèn)題，厘清本節(jié)課的教學(xué)脈絡(luò)：

環(huán)節(jié)一，展現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的多種形式引入課題——能量能夠相互轉(zhuǎn)化。

環(huán)節(jié)二，從能量轉(zhuǎn)換方式看，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和熱能的轉(zhuǎn)換，結(jié)合能量圖中反應(yīng)物總能量和生成物總能量的相對(duì)大小判斷反應(yīng)為放熱和吸熱反應(yīng)。

環(huán)節(jié)三，從微觀角度分析化學(xué)鍵變化，化學(xué)鍵斷裂和形成時(shí)分別需要吸收和釋放能量，由兩者相對(duì)量的大小定量分析引起熱量變化，運(yùn)用化學(xué)鍵定量分析和表示化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)。

環(huán)節(jié)四，初步認(rèn)識(shí)熱化學(xué)方程式，了解熱化學(xué)方程式和化學(xué)方程式的區(qū)別和含義。

圍繞這四個(gè)問(wèn)題層層遞進(jìn)，即以“問(wèn)題為本”，采取學(xué)生自主學(xué)習(xí)和小組合作學(xué)習(xí)相結(jié)合，學(xué)生通過(guò)生活中能量變化的實(shí)例重現(xiàn)多種形式的能量，聯(lián)系具體的化學(xué)反應(yīng)感知化學(xué)反應(yīng)和能量（特別是熱量）的相關(guān)性，結(jié)合小組實(shí)驗(yàn)、觀察、思考、小組討論等形式領(lǐng)會(huì)反應(yīng)熱的內(nèi)涵、外延，達(dá)到概念的了解、理解、深化和運(yùn)用。

三、從科學(xué)探究看，活用各種探究樣本

教材提供的探究樣本，具有典型性，在具體的教學(xué)實(shí)踐中，可以依據(jù)實(shí)際情況對(duì)樣本進(jìn)行修改使之更具科學(xué)性和可操作性。

教材提供活動(dòng)與探究：在100mL小燒杯中加入約20g經(jīng)研磨的氫氧化鋇晶體［Ba（OH）2·8H2O］，然后再加入約10g NH4Cl晶體，用玻璃棒攪拌，使之充分混合。用手觸摸燒杯外壁，反應(yīng)混合物的溫度有什么變化？

由于該反應(yīng)速率較快，生成的氨氣容易逸出，在教學(xué)實(shí)踐中把反應(yīng)裝置改成“塑料薄膜袋”，向塑料薄膜袋中加入氫氧化鋇晶體［Ba（OH）2·8H2O］和NH4Cl晶體，排出袋內(nèi)空氣，扎緊袋口，反復(fù)揉塑料袋中的混合物，使之充分反應(yīng)。

經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后，可以防止生成的氨氣的逸出，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注化學(xué)品使用對(duì)人類安全和環(huán)境的影響，培養(yǎng)綠色化學(xué)思想，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)比較、權(quán)衡，形成合理的決策能力；還可以觀察到塑料袋略有鼓起，打開(kāi)塑料袋有刺激性氣味，說(shuō)明生成了氨氣；而且材料薄膜袋容易變形，可以反復(fù)揉捏，充分混合反應(yīng)物，塑料薄膜袋傳遞熱量快，學(xué)生觸摸材料袋可以更直觀感受到溫度下降。

實(shí)際生活中，類似的“熱敷袋”、“冰敷袋”已經(jīng)走進(jìn)人們的生活，結(jié)合探究活動(dòng)，課堂上教師以資料的形式引入了生活中常用的冰敷袋，讓學(xué)生對(duì)熱量變化有更深切的體會(huì)。

資料1——冰敷袋構(gòu)成

（1）外包裝（結(jié)實(shí)）、富有彈性，抗壓性很好，容易變形；

（2）冰敷袋內(nèi)容：氯化銨固體和水，水儲(chǔ)存在最里面的包裝膜中，與氯化銨隔離；

（3）當(dāng)擠壓、揉搓或用硬物敲打時(shí)，內(nèi)層的隔膜很容易破裂；

（4）氯化銨被存放在外層。當(dāng)內(nèi)層膜破裂時(shí)，鹽與水混合。鹽溶解在水中時(shí)，會(huì)吸收熱量。

從氫氧化鋇晶體和銨鹽反應(yīng)，到生活中的冰敷袋、熱敷袋，學(xué)生能夠感受到化學(xué)與生活的聯(lián)系是如此緊密，從而關(guān)注到隨著反應(yīng)發(fā)生的熱量變化，從熱量變化判斷反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而激發(fā)對(duì)化學(xué)反應(yīng)熱產(chǎn)生強(qiáng)烈的好奇心，喚醒和激發(fā)學(xué)生對(duì)探究物質(zhì)及其規(guī)律的強(qiáng)烈愿望，更多地關(guān)注化學(xué)知識(shí)的運(yùn)用，并能主動(dòng)地學(xué)習(xí)和探究。

圖1 冰敷袋和使用方法

基于以上考慮，可以增加課后探究“利用生活中常用物品自制冰袋或熱袋”，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際生活問(wèn)題，綜合運(yùn)用物理，化學(xué)知識(shí)，有效實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和能量的儲(chǔ)存和釋放，增強(qiáng)探究興趣，發(fā)展創(chuàng)新能力，更清晰地達(dá)成物質(zhì)觀和能量觀的統(tǒng)一。

四、從科學(xué)思維看，設(shè)置綜合探究活動(dòng)

科學(xué)思維是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，在教學(xué)設(shè)計(jì)中必須依據(jù)學(xué)生的思維層次和培養(yǎng)水平層次加以合理展開(kāi)。作為一門自然學(xué)科，除學(xué)科知識(shí)外，化學(xué)學(xué)科在發(fā)展過(guò)程中還形成了較為系統(tǒng)的學(xué)科思維方法，掌握科學(xué)的思維方法也是化學(xué)課程的重要功能，針對(duì)學(xué)生新接受的“能量觀”，結(jié)合以往的學(xué)科觀念，設(shè)計(jì)了以下的綜合探究。

探究案例 H2在O2中燃燒生成水，同時(shí)釋放能量，請(qǐng)分別從水的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和能量的角度分析為什么水不能作為燃料，對(duì)外供能？

以上探討主要目的是引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用化學(xué)知識(shí)，多角度、深層次地分析生活中的現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生分析與概括，實(shí)證與推理，分類與表征的能力。

從結(jié)構(gòu)上看，氫元素化合價(jià)為+1價(jià)，是最高價(jià)，不能再失去電子，不能和氧氣反應(yīng)；從性質(zhì)上看，水不具有可燃性，不能在氧氣中燃燒放出能量；從能量角度看，依據(jù)能量守恒定律，氫氣、氧氣化合生成水所釋放的能量，與水分解成單子所吸收的能量相等，即：水分解為氫氣和氧氣吸收的能量，與氧氣和氫氣反應(yīng)生成等量水時(shí)釋放的能量相等，不能對(duì)外供能（見(jiàn)圖2）。

圖2 H2O—H2、O2—H2O能量變化圖

五、結(jié)論

能量觀和物質(zhì)觀是變化的兩大主題，本節(jié)課通過(guò)分析反應(yīng)熱的學(xué)習(xí)進(jìn)階，結(jié)合學(xué)生的思維層次，合理設(shè)置問(wèn)題探究，引導(dǎo)學(xué)生由表及里，從微觀結(jié)構(gòu)角度探究宏觀現(xiàn)象，隨著學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生能夠逐漸體會(huì)到從現(xiàn)象上看是反應(yīng)的發(fā)生導(dǎo)致了熱效應(yīng)，但實(shí)際上熱效應(yīng)和熵變卻也是反應(yīng)能否發(fā)生的決定因素。綜合運(yùn)用學(xué)科知識(shí)和觀念，不僅從宏觀上通過(guò)反應(yīng)現(xiàn)象定性判斷能量的差異，更是從微觀的角度定量分析了反應(yīng)熱產(chǎn)生的緣由，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科觀念、科學(xué)思維和科學(xué)探究等核心素養(yǎng)。

1008-0546（2017）10-0032-03

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.011