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        培養(yǎng)學(xué)生“模型認知”能力的實驗教學(xué)

        2020-07-02 10:52:34華麗芬
        中小學(xué)實驗與裝備 2020年1期
        關(guān)鍵詞:模型認知碳酸鈣鹽酸

        華麗芬

        江蘇省前黃高級中學(xué)國際分校(213161)

        “模型認知”是高中化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一,其內(nèi)涵為通過分析、探究等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系,建立認知模型,并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象,揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。“化學(xué)反應(yīng)速率”是高中生認識化學(xué)反應(yīng)的重要角度,體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科核心概念中的“變化觀”。本文以蘇教版化學(xué)1“探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”為主題,基于“聯(lián)系生活提出問題-實驗探究建立模型-運用模型解決問題”的教學(xué)流程探討如何培養(yǎng)高中學(xué)生“模型認知”能力。

        1 教學(xué)過程

        1.1 聯(lián)系生活提出問題

        “化學(xué)反應(yīng)有快有慢”是學(xué)生已有的認知,如節(jié)日的煙花轉(zhuǎn)瞬即逝而鐘乳石的形成卻是一個漫長的過程;炎熱天氣食物容易腐敗而放入冰箱可以保存更長時間。那么“鐵生銹”是快反應(yīng)還是慢反應(yīng)?當老師提出這個問題后,學(xué)生眾說紛紜,有的認為是慢反應(yīng),理由是:①跟煙花相比很慢,②不銹鋼制品很難生銹;有的認為是快反應(yīng),理由是:①跟鐘乳石的形成相比很快,②廚房里的鐵鍋水漬沒有擦干隔天就會生銹。在看似矛盾的答案中,學(xué)生發(fā)現(xiàn)1個問題:化學(xué)反應(yīng)的快慢是相對的,不同研究對象、不同環(huán)境條件、不同觀察者看到的現(xiàn)象各不相同。那么如何更科學(xué)地進行反應(yīng)快慢的比較呢?

        1.2 實驗探究建立模型

        學(xué)生的實驗桌上有以下實驗用品:鎂條和鐵片(形狀大小相同),碳酸鈣(塊狀、粉末狀),二氧化錳粉末,鹽酸(0.5 mol/L,3 mol/L),H2O2溶液(2%),碳酸飲料(雪碧)。試管、針筒(20 mL)、藥匙、膠頭滴管、酒精燈、試管夾、火柴。面對如此眾多的實驗用品,有的學(xué)生一會兒拿了這個瓶子看看,一會兒又去拿另一個瓶子看看,不知如何下手。有的學(xué)生想都不想拿起試管就倒試劑,有的直接拿出火柴點燃了酒精燈……教師笑而不語,靜觀其變。兩分鐘后,有學(xué)生放下了手里的實驗用品,一邊在紙上寫寫畫畫,一邊還在跟同桌交流。教師請這位同學(xué)說說為什么不繼續(xù)做實驗?學(xué)生說:我用了0.5 mol/L的鹽酸和粉狀碳酸鈣反應(yīng),同桌用了3 mol/L的鹽酸和塊狀碳酸鈣反應(yīng),我們2支試管中產(chǎn)生氣泡一樣快。我覺得這樣比較沒有意義,所以就先停下來再想想怎么比較。

        學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣需要教師的悉心呵護,學(xué)生的實驗探究能力需要教師的方法引導(dǎo)。教師這樣引導(dǎo)學(xué)生:

        教師:你想研究哪個反應(yīng)的快慢?

        學(xué)生:鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)。

        教師:你想研究哪個因素?

        學(xué)生:濃度、溫度、接觸面積都可以吧。

        教師:能同時研究幾個因素嗎?

        學(xué)生:好像不行。

        教師:那你怎樣保證每次只研究1個因素?

        學(xué)生:(思考一會之后回答)我可以用等體積0.5 mol/L的鹽酸和3 mol/L的鹽酸同時跟等量的粉末狀碳酸鈣反應(yīng)然后看產(chǎn)生氣泡快慢。

        教師:其它因素怎么研究呢?

        學(xué)生:我還可以用0.5 mol/L的鹽酸分別和塊狀碳酸鈣、粉末狀碳酸鈣反應(yīng)看產(chǎn)生氣泡的快慢。

        教師:請繼續(xù)你的研究吧!

        模型認知是一種具有描述、分析、解釋、預(yù)測等功能的科學(xué)方法,學(xué)生在教師的逐步引導(dǎo)下建立了探究反應(yīng)規(guī)律的認知模型:首先確定研究對象,即要研究對哪個化學(xué)反應(yīng)的影響,是研究碳酸鈣與鹽酸的反應(yīng),還是雙氧水分解的反應(yīng),抑或是金屬與酸的反應(yīng)。其次確定自變量和因變量,即要研究哪個因素對化學(xué)反應(yīng)快慢的影響,是研究溫度影響,還是濃度、壓強、催化劑影響,抑或是接觸面積的影響。然后設(shè)計實驗操作改變單一自變量,即要設(shè)計實驗如何只改變1個條件,選擇溫度影響就要用到酒精燈(常溫與加熱條件),選擇濃度影響就要用到不同濃度的鹽酸(0.5 mol/L,3 mol/L),選擇壓強影響就要用到碳酸飲料與針筒(常壓與加壓條件),選擇催化劑影響就要用到二氧化錳粉末,選擇接觸面積影響就要用到不同形態(tài)的碳酸鈣(塊狀、粉末狀)。最后觀察實驗現(xiàn)象得出結(jié)論。學(xué)生利用“控制變量”思維模型進行實驗探究過程如圖1和表1所示。

        圖1 “控制變量”思維模型

        表1 探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素

        設(shè)計實驗方案探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素,使學(xué)生認識到物質(zhì)自身的性質(zhì)會影響化學(xué)反應(yīng)的快慢,通過改變外界條件(濃度、溫度、壓強、催化劑、接觸面積等)可以調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的快慢。幫助學(xué)生初步形成實驗探究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的思路方法,提高利用控制變量思想設(shè)計實施實驗的能力。

        2 運用模型解決問題

        問題1:工業(yè)上采用接觸法制取硫酸,下列工藝的設(shè)計分別利用或體現(xiàn)了哪些影響反應(yīng)速率的因素?

        ①沸騰爐中:將礦石粉碎后送入爐內(nèi);鼓入足量空氣沸騰焙燒;②接觸室中:反應(yīng)溫度為400~500 ℃,V2O5作催化劑;③吸收塔中:用98.3%濃硫酸噴淋吸收SO3。

        設(shè)計意圖:此題主要診斷學(xué)生是否掌握調(diào)控化學(xué)反應(yīng)快慢方法,同時讓學(xué)生認識到調(diào)控化學(xué)反應(yīng)快慢在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用,體會化學(xué)科學(xué)對社會發(fā)展的貢獻。

        問題2:某化學(xué)興趣小組欲測定KClO3溶液與NaHSO3溶液反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率。所用試劑為10 mL 0.1 mol/L KClO3溶液和10 mL 0.3 mol/L NaHSO3溶液(已知:ClO3-+3HSO3-=Cl-+3SO42-+3H+)。某同學(xué)分析實驗數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),反應(yīng)過程先快后慢。該組同學(xué)針對這一現(xiàn)象進一步通過測定c(Cl-)隨時間變化的曲線探究影響因素,具體如表2所示。

        表2 實驗過程

        ①I中實驗操作為____________;II中假設(shè)為____________。

        ②除I、II、III中的假設(shè)外,還可以提出的假設(shè)是____________。

        ③在已知方案I的假設(shè)不成立的情況下,某同學(xué)從控制變量的角度思考,認為方案III中實驗操作設(shè)計不嚴謹,請進行改進:____________。

        ④反應(yīng)后期,化學(xué)反應(yīng)速率減小的原因是____________。

        設(shè)計意圖:此題探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素,幫助學(xué)生初步形成了實驗探究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的思路方法,建立認知模型,此題主要診斷學(xué)生能否較為熟練地運用“控制變量”思維模型進行學(xué)習(xí)遷移、解決實際問題的能力。①方案I中反應(yīng)放熱,使溶液溫度升高,反應(yīng)加快,因此需要測量反應(yīng)過程中溶液溫度的變化,則實驗操作為插入溫度計;方案Ⅱ與方案I相比較加入了少量NaCl固體,所以方案Ⅱ中的假設(shè)為生成的Cl-加快了化學(xué)反應(yīng)。②由于反應(yīng)中還有SO42-生成,還可以假設(shè)生成的SO42-加快了化學(xué)反應(yīng)。③為防止Cl-對實驗的干擾,需要改進的措施是將1 mL水改為1 mL 0.2 mol/L NaCl溶液。④反應(yīng)進行到后期,由于反應(yīng)物濃度一直在減小,所以化學(xué)反應(yīng)速率也減小。

        3 研究感悟

        “化學(xué)反應(yīng)速率”的知識內(nèi)容在高中化學(xué)必修課程中的教學(xué)要求是學(xué)生認識化學(xué)反應(yīng)速率的概念,了解溫度、催化劑等因素對化學(xué)反應(yīng)的影響,所以在常規(guī)教學(xué)中,教師可能會將化學(xué)反應(yīng)速率的計算公式直接告訴學(xué)生,接著做幾個演示實驗,象征性地給學(xué)生看看,然后布置幾道題讓學(xué)生練習(xí)鞏固一下就結(jié)束了。本節(jié)課通過實驗探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素,將學(xué)生感性的、模糊的認識上升為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的知識,通過建立模型并運用模型讓學(xué)生體會控制變量的研究方法,促進了深度學(xué)習(xí),也進一步鍛煉了學(xué)生實驗設(shè)計與操作能力,發(fā)展了創(chuàng)造性思維與批判性思維。

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