傅英懿 范曉媛

摘要：以“化學(xué)反應(yīng)與能量”為例，建構(gòu)完整的體系能量調(diào)控的模型，并向?qū)W生滲透證據(jù)推理與模型認(rèn)知，科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全方位發(fā)展。

關(guān)鍵詞：建構(gòu)模型;證據(jù)推理與模型認(rèn)知;科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任

文章編號(hào)：1008-0546（2020）06-0071-03 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.019

一、設(shè)計(jì)背景：

1.高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

學(xué)生的核心素養(yǎng)是學(xué)生群體生活必備的素養(yǎng)和技能，是集品德和知識(shí)于一體的素質(zhì)體現(xiàn)。北京師范大學(xué)林崇德教授指出：核心素養(yǎng)是關(guān)于學(xué)生知識(shí)、技能、情感、態(tài)度、價(jià)值觀等多方面要求的結(jié)合體;它指向過(guò)程，關(guān)注學(xué)生在其培養(yǎng)過(guò)程中的體悟，而非結(jié)果導(dǎo)向;同時(shí)，核心素養(yǎng)兼具穩(wěn)定性與開(kāi)放性、發(fā)展性，是一個(gè)伴隨終生可持續(xù)發(fā)展、與時(shí)俱進(jìn)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化過(guò)程，是個(gè)體能夠適應(yīng)未來(lái)社會(huì)、促進(jìn)終生學(xué)習(xí)、實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展的基本保障。高中化學(xué)核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”五個(gè)方面。這五項(xiàng)內(nèi)容的設(shè)定和描述，符合我國(guó)對(duì)于中學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展要求，體現(xiàn)出從化學(xué)角度看待、分析和解決化學(xué)問(wèn)題的能力和基礎(chǔ)，關(guān)注于化學(xué)學(xué)科知識(shí)技能的學(xué)習(xí)、過(guò)程分析和方法解決的集合訓(xùn)練、情感態(tài)度和價(jià)值取向等方面的教育，展現(xiàn)出化學(xué)學(xué)科獨(dú)特的魅力和品質(zhì)特性?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具體幫助我們提煉了應(yīng)以什么樣的化學(xué)視角研究物質(zhì)世界和看待化學(xué)變化，以什么樣的科學(xué)原則和方法來(lái)進(jìn)行化學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，如何看待和建立化學(xué)的價(jià)值。

2.新課程改革

現(xiàn)有人教版教材中化學(xué)反應(yīng)與能量主題揭示了化學(xué)反應(yīng)與能量變化之間的關(guān)系，建構(gòu)了化學(xué)反應(yīng)中能量變化的實(shí)質(zhì)、形式等一系列的知識(shí)體系。在新教材中對(duì)焓變、焓變與反應(yīng)熱的關(guān)系要求有所提高，增加內(nèi)能的概念。究其原因，學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)除了會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的反應(yīng)熱計(jì)算，還應(yīng)體會(huì)到化學(xué)反應(yīng)與能量這部分內(nèi)容的社會(huì)價(jià)值：不僅可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)獲得能量，還可以借助調(diào)控條件控制化學(xué)反應(yīng)的能量變化來(lái)滿足人們生產(chǎn)生活的需要。因此，本節(jié)課幫助學(xué)生建構(gòu)完整的體系能量的調(diào)控模型，借此希望學(xué)生可以有意識(shí)的多角度的調(diào)控能量，感受焓變的社會(huì)價(jià)值。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)：

化學(xué)反應(yīng)與能量是高中化學(xué)課程考核的核心知識(shí)之一，也是高考考查的內(nèi)容之一。學(xué)生對(duì)這一部分內(nèi)容主要存在兩個(gè)認(rèn)知障礙：（1）焓的定義，現(xiàn)行人教版教材將焓定義成與內(nèi)能有關(guān)的物理量，有什么關(guān)系？什么是內(nèi)能？（2）為什么要學(xué)習(xí)焓變？計(jì)算一個(gè)反應(yīng)的焓變有什么用處？如何突破這兩個(gè)障礙點(diǎn)呢？主要采用以下方法：

1.創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境引發(fā)認(rèn)知沖突，克服思路障礙，發(fā)展宏觀辨識(shí)與微觀探析

問(wèn)題情境指學(xué)生意識(shí)到的一種有目的卻不知如何達(dá)到這一目的的心理困境。這時(shí)學(xué)生就會(huì)急切地思考，借助各種知識(shí)，希望可以解決未知問(wèn)題。

[創(chuàng)設(shè)情境]遇到寒冷天氣，人們?nèi)∨姆椒ㄓ泻芏啵热鐭崴?、空調(diào)、電暖氣、燃燒反應(yīng)、搓手、多穿衣服等，獲得的能量從何而來(lái)呢？能不能從微觀角度分析能量的來(lái)源？

熱水袋、空調(diào)、燃燒反應(yīng)這三個(gè)例子學(xué)生并不陌生，但以往從來(lái)沒(méi)有討論過(guò)能量的微觀來(lái)源，不過(guò)借助已有的物理、化學(xué)相關(guān)知識(shí)學(xué)生可以進(jìn)行討論：熱水袋的能量來(lái)源是微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)，也就是微觀粒子的動(dòng)能?？照{(diào)制熱可以簡(jiǎn)化成制冷劑的液化，幫助學(xué)生分析狀態(tài)的改變導(dǎo)致分子間作用力改變，改變了微觀粒子的勢(shì)能，從而實(shí)現(xiàn)了能量的傳遞。燃燒反應(yīng)能量來(lái)源于鍵能，鍵能是原子間相互作用，也屬于微觀粒子勢(shì)能。借助問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，引出內(nèi)能的含義：物質(zhì)自身各種形式能量的總和，主要包括微觀粒子動(dòng)能和微觀粒子勢(shì)能。

設(shè)計(jì)意圖：以熱水袋、空調(diào)、燃燒反應(yīng)為例，創(chuàng)設(shè)與學(xué)習(xí)主題相關(guān)的真實(shí)情境，學(xué)生能夠親身參與討論，從而引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)這一情景分析，幫助學(xué)生理解物質(zhì)傳遞的能量是來(lái)自于物質(zhì)自身的動(dòng)能和勢(shì)能，完善學(xué)生原有的認(rèn)知，開(kāi)闊學(xué)生的思路，體現(xiàn)了學(xué)生從宏觀和微觀兩個(gè)視角研究物質(zhì)能量變化的能力，幫助學(xué)生對(duì)能量的理解從宏觀過(guò)渡到微觀，培養(yǎng)了學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的化學(xué)素養(yǎng)。

[提出問(wèn)題]學(xué)習(xí)的焓變和內(nèi)能有什么關(guān)系？

以學(xué)生常見(jiàn)的2H₂（g）+O₂（g）===2H₂O（1）反應(yīng)為例，詳細(xì)闡述體積功的含義，從而完善焓變除了包括內(nèi)能的變化量還有體積功。至此，突破了學(xué)生對(duì)于內(nèi)能和焓變的概念障礙。補(bǔ)充了教材上對(duì)于內(nèi)能定義的缺失，反應(yīng)熱來(lái)源是內(nèi)能的變化和體積功，幫助學(xué)生更好地理解焓和內(nèi)能的關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：作為一節(jié)化學(xué)反應(yīng)與能量的復(fù)習(xí)課，對(duì)于概念的教學(xué)并不是傳統(tǒng)的講授式，而是通過(guò)學(xué)生的討論，利用物理學(xué)科中的相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)概念的重塑，也深化了學(xué)生對(duì)焓變的理解。體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)于概念理解的螺旋上升形態(tài)。

2.建構(gòu)化學(xué)反應(yīng)與能量的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)

化學(xué)反應(yīng)與能量具有豐富的學(xué)科價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。它揭示了物質(zhì)與能量的關(guān)系，建構(gòu)了化學(xué)反應(yīng)與能量變化的實(shí)質(zhì)、原因等知識(shí)體系;它建構(gòu)化學(xué)反應(yīng)和能量的雙向關(guān)系：人們可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)獲取能量，可以調(diào)控能量來(lái)控制化學(xué)反應(yīng)，從而滿足人們的生產(chǎn)生活需求。因此學(xué)習(xí)焓變，也是為了建構(gòu)化學(xué)反應(yīng)與能量雙向關(guān)系而服務(wù)的。通過(guò)焓變，可以清楚地表征一個(gè)反應(yīng)的能量變化，幫助人們從反應(yīng)中獲取能量，那如何利用焓變來(lái)調(diào)控反應(yīng)的能量呢？

（1）以焓變?yōu)楹诵?，?gòu)建調(diào)控能量模型

[提出問(wèn)題]影響焓變的因素有哪些？

對(duì)于焓變這部分內(nèi)容學(xué)生最熟悉的是書(shū)寫熱化學(xué)方程式以及注意事項(xiàng)。因此以此作為切入點(diǎn)，幫助學(xué)生將零散的知識(shí)進(jìn)行整合，總結(jié)出影響因素有：溫度、狀態(tài)、壓強(qiáng)、化學(xué)鍵的種類和數(shù)量、體積功。因此調(diào)控能量變化的途徑就是這些影響因素。

設(shè)計(jì)意圖：總結(jié)歸納出影響焓變的因素，這些因素也就是人們?cè)谡{(diào)控反應(yīng)能量的角度，從而建構(gòu)了調(diào)控能量變化的模型，落實(shí)了證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

（2）利用真實(shí)情境，突破價(jià)值障礙，落實(shí)科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任

化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量是現(xiàn)代能量的主要來(lái)源之一，利用航天事業(yè)中火箭燃料的選擇等問(wèn)題發(fā)展學(xué)生對(duì)于化學(xué)反應(yīng)與能量這部分知識(shí)的價(jià)值認(rèn)知，不僅完善了學(xué)生的化學(xué)思想，也落實(shí)了核心素養(yǎng)中的科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任。具體實(shí)施主要包括以下三個(gè)部分：選擇燃料、分析助燃劑、調(diào)控推力。

[燃料選擇]氫氣和偏二甲肼是兩種航天燃料，依據(jù)數(shù)據(jù)你會(huì)如何選擇？

這一問(wèn)題的設(shè)置主要是讓學(xué)生充分感受人類在利用化學(xué)反應(yīng)獲取能量。但是對(duì)于火箭這種特殊的飛行器由于工作原理需要克服自身重力，因此燃料選擇需要考慮單位質(zhì)量的燃料燃燒放出的熱量，而不是1mol燃料。因此從熱值的角度說(shuō)氫氣這種燃料最好。但是除了要考慮熱值，還要從實(shí)際角度考慮環(huán)保、成本、技術(shù)等方面的問(wèn)題，使用氫氣會(huì)存在很大的技術(shù)困難，因此分析問(wèn)題除了要結(jié)合理論知識(shí)還要聯(lián)系具體實(shí)際。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)燃料選擇這一活動(dòng)讓學(xué)生感受改變鍵能中的數(shù)量和種類兩個(gè)角度對(duì)能量進(jìn)行調(diào)控。但同時(shí)還要考慮實(shí)際問(wèn)題，氫氣的密度非常小，同等質(zhì)量的燃料，H₂所占的體積就會(huì)很大，因此將其液化是必然趨勢(shì)。但是H₂沸點(diǎn)：-252.77℃，O₂沸點(diǎn)：-183℃、熔點(diǎn)-218.4℃，液化氫氣就會(huì)存在很多安全問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題，因此我國(guó)火箭常用燃料是偏二甲肼。

[分析助燃劑]火箭的真實(shí)情況中，偏二甲肼的助燃劑通常選用N₂O₄而不用O₂，為什么？

N₂O₄劇毒

密度：1443kg/m³

O₂密度：1.429kg/m³沸點(diǎn)：-183℃

設(shè)計(jì)意圖：給出資料，發(fā)散學(xué)生的思維，可以從熱值、助燃劑體積、環(huán)保、體積功等多個(gè)角度進(jìn)行分析。在這些因素中最先考慮的應(yīng)該是熱值問(wèn)題，因此工程師改變助燃劑，從而改變化學(xué)鍵的種類，實(shí)現(xiàn)了調(diào)控能量變化的目的。在燃料確定的前提下，調(diào)控能量只能從助燃劑的種類進(jìn)行調(diào)整，從而改變鍵能。讓學(xué)生感受利用模型可以對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析和解釋。

[調(diào)控推力]隨著我國(guó)航天技術(shù)的逐步發(fā)展，已經(jīng)研制出以液氫、液氧為推進(jìn)劑的環(huán)保、大推力長(zhǎng)征5號(hào)火箭。能不能設(shè)計(jì)在燃料質(zhì)量一定的前提下如何獲得更大的推力？

設(shè)計(jì)意圖：利用模型除了可以進(jìn)行問(wèn)題的分析和解釋，還可以提高學(xué)生的創(chuàng)造能力。要想獲得更大推力本質(zhì)上也是在調(diào)控能量，此時(shí)推進(jìn)劑的質(zhì)量確定，那調(diào)控的角度就只能是改變溫度、改變狀態(tài)等物理變化，還可以改變接觸面積從而增加單位時(shí)間內(nèi)燃料燃燒放出的熱量。因此在真實(shí)的情況中燃料先霧化再汽化，從而實(shí)現(xiàn)了獲取更大推力的目的。實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)于模型的應(yīng)用。同時(shí)長(zhǎng)征5號(hào)的研制成功是科學(xué)家經(jīng)過(guò)26年的不懈努力才實(shí)現(xiàn)的，也標(biāo)志著我國(guó)航天事業(yè)的新的里程碑，讓學(xué)生感受化學(xué)學(xué)科的價(jià)值體現(xiàn)，并落實(shí)了科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任。

三、教學(xué)反思

1.落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

本節(jié)課通過(guò)建構(gòu)體系能量調(diào)控的模型，不僅幫助學(xué)生深刻理解焓變和內(nèi)能之間的關(guān)系，還幫助學(xué)生學(xué)會(huì)利用建構(gòu)的模型分析解釋實(shí)際情境中的問(wèn)題，并學(xué)會(huì)用模型設(shè)計(jì)改變體系能量變化的途徑。如此設(shè)計(jì)有助于學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)與能量的社會(huì)價(jià)值，整堂課的設(shè)計(jì)思路為：建構(gòu)調(diào)控能量變化的模型→利用模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的問(wèn)題分析→利用模型進(jìn)行實(shí)際情境的設(shè)計(jì)，邏輯清晰，層次分明，落實(shí)了證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。以火箭燃料的選取作為背景，讓學(xué)生感受到火箭研制的艱辛，落實(shí)科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任。

2.學(xué)生的參與意識(shí)強(qiáng)，主題作用明顯

在整節(jié)課中以問(wèn)題作為驅(qū)動(dòng)，搭建有層次有梯度的問(wèn)題鏈，學(xué)生的參與程度很高，討論很熱烈，避免了傳統(tǒng)灌輸式授課。通過(guò)學(xué)生充分的討論，讓他們可以感悟出能量調(diào)控的重要性，感受到學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)與能量的重要性。

3.合理選取教學(xué)策略和教學(xué)材料

人教版選修四化學(xué)反應(yīng)與能量這部分內(nèi)容在高考中所占比重不大，又由于知識(shí)本身比較容易，所以往往容易被學(xué)生所忽視。本節(jié)課以航天燃料為素材，以問(wèn)題鏈作為驅(qū)動(dòng)，以建構(gòu)的模型為背景，帶領(lǐng)學(xué)生共同探索燃料選擇的奧秘，讓學(xué)生有一種既陌生又熟悉的感覺(jué)，增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知程度。

在高中化學(xué)教學(xué)中落實(shí)化學(xué)的核心素養(yǎng)與教學(xué)內(nèi)容和方法有著密切的聯(lián)系。在教學(xué)中，要充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，教師要引導(dǎo)學(xué)生將化學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生活中，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，從而發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。