摘要：以“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”教學(xué)為例，通過重組調(diào)整硫代硫酸鈉與硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，開發(fā)CO2氣體壓強(qiáng)影響溴百里香酚藍(lán)溶液變色快慢的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，利用魯米諾反應(yīng)發(fā)出熒光增強(qiáng)H2O2的催化分解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的效果，來探究溫度與濃度、氣體壓強(qiáng)、催化劑諸因素對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。在教學(xué)中靈活處理教材，調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，促使學(xué)生的化學(xué)學(xué)科能力得到提升，核心素養(yǎng)得到發(fā)展。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；反應(yīng)速率；溴百里香酚藍(lán)；魯米諾熒光反應(yīng)

文章編號：1008-0546（2021）10-0056-04中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.013

*本文系浙江省2020年度教研規(guī)劃課題“基于深度學(xué)習(xí)理念的高中化學(xué)微主題式教學(xué)的實(shí)踐研究”階段性成果，課題編號：G2020136。

一、問題的提出

蘇教版選修教材《化學(xué)反應(yīng)原理》采用碳酸氫鈉與鹽酸、酸性高錳酸鉀氧化草酸、過氧化氫催化分解三個(gè)反應(yīng)[1]，來研究濃度、溫度、催化劑對反應(yīng)速率的影響，而壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響只是給出理論解釋，未施以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。這些實(shí)驗(yàn)都是學(xué)生比較熟悉的反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也是明顯直觀，但這也造成了實(shí)驗(yàn)本身的性質(zhì)由探究性轉(zhuǎn)化為了驗(yàn)證性，不利于學(xué)生探究意識與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。在教學(xué)中，我們倡導(dǎo)要“用教材教，而不是教教材”，要靈活應(yīng)用教材實(shí)驗(yàn)，科學(xué)調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，合理開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象效果，提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，提升學(xué)生化學(xué)的學(xué)科能力，側(cè)重發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

二、設(shè)計(jì)策略與流程

化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅是研究和學(xué)習(xí)物質(zhì)變化的基本方法，同時(shí)也是探究化學(xué)規(guī)律和化學(xué)理論的重要手段。2017版《課程標(biāo)準(zhǔn)》也建議：“教學(xué)中應(yīng)注重運(yùn)用實(shí)驗(yàn)事實(shí)、數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變偏差認(rèn)識”[2]。因此“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”一課的教學(xué)設(shè)計(jì)，立求在核心素養(yǎng)導(dǎo)向下，立足于在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，以實(shí)驗(yàn)探究為項(xiàng)目主題，調(diào)整教材中的已有實(shí)驗(yàn)，結(jié)合新開發(fā)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)原實(shí)驗(yàn)的視覺效果，通過學(xué)生參與設(shè)計(jì)，主動(dòng)操作，親身體驗(yàn)，享受科學(xué)探究的過程，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維，使其成為知識的主動(dòng)建構(gòu)者，設(shè)計(jì)融合“教、學(xué)、評一體化”的“情境線”“活動(dòng)線”“知識線”和“素養(yǎng)線”的教學(xué)流程（見圖1）。以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，讓學(xué)生在多個(gè)實(shí)驗(yàn)的探究過程中汲取化學(xué)核心知識，體驗(yàn)和感悟科學(xué)研究的樂趣與艱辛，側(cè)重促進(jìn)學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)發(fā)展，同時(shí)在“微觀探析、科學(xué)態(tài)度”等核心素養(yǎng)方面也得到較好發(fā)展。

本教學(xué)設(shè)計(jì)通過重組調(diào)整硫代硫酸鈉與硫酸反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)形式，開發(fā)CO2壓強(qiáng)變化影響B(tài)TB（溴百里香酚藍(lán)）試劑變色快慢的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，利用魯米諾熒光反應(yīng)增強(qiáng)H2O2催化分解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的效果，并輔以“碰撞理論”解釋影響化學(xué)反應(yīng)速率的各個(gè)因素。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中更好地認(rèn)識這些化學(xué)規(guī)律和理論，獲得認(rèn)識上和思維上的雙重發(fā)展。

三、教學(xué)過程與意圖

1.項(xiàng)目一：重組實(shí)驗(yàn)、把控反應(yīng)——濃度與溫度的影響

【課前準(zhǔn)備】

1個(gè)裝有10mL 0.1mol·L-1的Na2S2O3溶液的50mL錐形瓶；

1個(gè)裝入10mL 0.1mol·L-1的H2SO4溶液的中號試管；

1張正中間畫有一個(gè)合適大小“田”字的16開白紙。

【演示實(shí)驗(yàn)】把錐形瓶置于白紙的“田”字上方，將試管中的溶液倒入到錐形瓶中，輕輕振蕩后置于白紙上，觀察實(shí)驗(yàn)過程中逐漸產(chǎn)生的淡黃色物質(zhì)，記錄完全覆蓋“田”字所需的精確時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)記錄：202X年X月X日，本地室內(nèi)溫度X℃，本反應(yīng)所需時(shí)間為X分X秒。

【講解】同學(xué)們，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是我們教材《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》專題4中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，它是研究化學(xué)反應(yīng)速率的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

【PPT展示】《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》：專題4課題1硫代硫酸鈉與酸反應(yīng)速率的影響因素

【講解】我們知道，對于特定的反應(yīng)，除了反應(yīng)物的性質(zhì)外，反應(yīng)物的濃度，體系的溫度、壓強(qiáng)和催化劑等都會對化學(xué)反應(yīng)速率有影響。下面大家通過分組，一起來個(gè)探究實(shí)驗(yàn)比賽。大家先根據(jù)剛才的演示實(shí)驗(yàn)，討論設(shè)計(jì)本小組的實(shí)驗(yàn)方案，三個(gè)試劑的總量為20mL，列出欲用的反應(yīng)物的用量（即濃度）與采用反應(yīng)的溫度，來盡量控制反應(yīng)完全覆蓋“田”字時(shí)間為2分鐘，哪一組最接近2分鐘就勝出。

【學(xué)生活動(dòng)】小組內(nèi)討論，設(shè)計(jì)方案，并按設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。交流匯報(bào)各小組的具體方案，然后同時(shí)開始操作實(shí)驗(yàn)。各組記錄如表1所示。

【小結(jié)】X小組采用XmL的0.1mol·L-1Na2S2O3溶液與XmL的0.1mol·L-1H2SO4溶液，調(diào)和XmL的蒸餾水，在X℃下進(jìn)行反應(yīng)，時(shí)間為X分X秒，最接近2分鐘的一組。其他小組也來交流一下，沒有接近2分鐘的具體原因。

【學(xué)生活動(dòng)】交流分析小組實(shí)驗(yàn)時(shí)間不為2分鐘的原因。

【講解】經(jīng)過大家的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，反應(yīng)物的濃度越大，反應(yīng)體系的溫度越高，反應(yīng)所需的時(shí)間就越短，即反應(yīng)的速率就越快。為什么增大反應(yīng)物的濃度，升高反應(yīng)體系的溫度可以加快化學(xué)反應(yīng)的速率呢，下面我們用“碰撞理論”從微觀上來探析一下原因。

【學(xué)生活動(dòng)】閱讀并領(lǐng)會教材“碰撞理論”內(nèi)容。

【小結(jié)】我們可以從單位體積內(nèi)的“有效碰撞次數(shù)”和“活化分子數(shù)”兩方面來解釋濃度、溫度影響反應(yīng)速率的原因，同時(shí)還可以從“活化分子百分?jǐn)?shù)”來解釋兩因素影響化學(xué)速率的不同點(diǎn)（如表2）。

設(shè)計(jì)意圖：實(shí)驗(yàn)探究的創(chuàng)新不僅是設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，也可以是通過對原有教材實(shí)驗(yàn)方案的調(diào)整和重組。要求學(xué)生通過小組討論、方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、交流分析，把控反應(yīng)在限定時(shí)間內(nèi)完成，這樣的教材實(shí)驗(yàn)方案重排，調(diào)動(dòng)了學(xué)生自覺地應(yīng)用和感悟化學(xué)理論，充分地認(rèn)識濃度與溫度這兩個(gè)外界條件對反應(yīng)速率的影響，內(nèi)化了知識。輔以討論“碰撞理論”來解釋速率變化的本質(zhì)原因，不僅發(fā)展了學(xué)生“科學(xué)探究”的核心素養(yǎng)，還發(fā)展了“微觀探析”的核心素養(yǎng)。

2.項(xiàng)目二：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、本質(zhì)探究——壓強(qiáng)的影響

【PPT展示】指示劑：溴百里香酚藍(lán)

【實(shí)物展示】如圖2。

【講解】溴百里香酚藍(lán)是生物學(xué)中研究微生物呼吸作用的指示劑，它的變色范圍為pH值6.0～7.6，正好接近碳酸的酸度范圍，它在堿性時(shí)呈藍(lán)色，酸性時(shí)呈黃色，過渡態(tài)時(shí)呈綠色（見圖2）。我們利用這個(gè)指示劑，間接顯示不同的CO2壓強(qiáng)下與水反應(yīng)生成的碳酸含量（濃度）[3]。

【PPT展示】CO2（g）+H2O（l）H2CO3（aq）

【提問】我們可以通過什么來判斷這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行的快慢呢？

【作答】通過指示劑顏色從藍(lán)色經(jīng)過綠色變化到黃色所需的時(shí)間長短來判斷反應(yīng)的快慢，所需要時(shí)間越短，反應(yīng)的速率越快。

【講解】pH減小使指示劑變成黃色，說明溶液中的碳酸濃度上升到了一個(gè)特定的值，如果所需的時(shí)間越短，說明碳酸產(chǎn)生的速率越快。下面我們給出下列儀器，請同學(xué)們利用這個(gè)原理來設(shè)計(jì)CO2氣體壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響實(shí)驗(yàn)。

【PPT展示】實(shí)驗(yàn)儀器：燒瓶，注射器

實(shí)驗(yàn)藥品：溴百里香酚藍(lán)試劑，CO2氣體

【交流并作答】將不同量的CO2氣體注射到裝有溴百里香酚藍(lán)試劑的燒瓶中，觀察顏色變化的快慢。

【講解】不同量的CO2進(jìn)入到同一容積的燒瓶中，產(chǎn)生的壓強(qiáng)就會不同。我們控制合理的反應(yīng)物的用量，來看一下不同CO2氣體壓強(qiáng)下的哪一個(gè)顏色會變化得更快一些。

【學(xué)生活動(dòng)】操作實(shí)驗(yàn)，對比顏色變化快慢。

【講解】經(jīng)過大家的對比發(fā)現(xiàn)，CO2氣體的壓強(qiáng)越大，顏色變化就越快，即反應(yīng)的速率就越快。為什么增大CO2氣體壓強(qiáng)可以加快化學(xué)反應(yīng)的速率呢。

【學(xué)生活動(dòng)】閱讀教材內(nèi)容，領(lǐng)會壓強(qiáng)變化的本質(zhì)原因。

【小結(jié)】我們發(fā)現(xiàn)其實(shí)壓強(qiáng)變化實(shí)質(zhì)是改變了單位體積內(nèi)的分子數(shù)，其本質(zhì)是改變了反應(yīng)物的濃度。我們從“碰撞理論”角度上來探析一下壓強(qiáng)與濃度變化的微觀差異。我們再來探析一下如果是充入稀有氣體使壓強(qiáng)增大，會不會使反應(yīng)速率加快。如表3。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)新課堂演示實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)教材實(shí)驗(yàn)空缺，使得原來只有抽象理論的內(nèi)容顯現(xiàn)為直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這樣的設(shè)計(jì)不僅增加了化學(xué)理論的說服力，而且還發(fā)展了學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。同時(shí)采用生物學(xué)研究中的微生物呼吸作用專用指示劑，實(shí)現(xiàn)了學(xué)科之間的知識互補(bǔ)，使學(xué)生跨學(xué)科研究的“科學(xué)態(tài)度”核心素養(yǎng)得到發(fā)展。

3.項(xiàng)目三：絢麗熒光、探求原理——催化劑的影響

【課前準(zhǔn)備】配制魯米諾試劑（取一個(gè)1L的燒杯，將4.0g的無水碳酸鈉置于燒杯中，加入500mL蒸餾水用磁力攪拌器加速溶解，稱取0.2g魯米諾粉末于燒杯中，繼續(xù)攪拌溶解，再稱取24.0g碳酸氫鈉，0.5g碳酸氫銨，20滴濃氨水，逐次加入到燒杯中，用磁力攪拌數(shù)分鐘，待粉末全部溶解后加入蒸餾水稀釋至1000mL，繼續(xù)攪拌均勻，然后裝入試劑瓶中備用[4]），配制1：40的H2O2稀釋溶液。

【PPT展示】魯米諾又名發(fā)光氨，在堿性條件下遇H2O2分解釋放的氧氣會發(fā)出藍(lán)色熒光。

【演示實(shí)驗(yàn)】在錐形瓶中加入50毫升的魯米諾試劑，再倒入50毫升的H2O2稀釋液。

【學(xué)生活動(dòng)】觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【講解】沒有看到強(qiáng)烈的熒光，是因?yàn)镠2O2的分解反應(yīng)是一個(gè)慢反應(yīng)。我們加入一些硫酸銅溶液試試。

【演示實(shí)驗(yàn)】在錐形瓶中滴入幾滴硫酸銅稀溶液，振蕩搖勻錐形瓶立即產(chǎn)生強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光，持續(xù)數(shù)分鐘左右（如圖3）。

【提問】加入的硫酸銅起到了什么作用？

【作答】催化劑作用，加快H2O2分解產(chǎn)生氧氣。

【講解】催化劑可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，抑制劑可以減緩化學(xué)反應(yīng)速率。下面我們從能量和微觀的雙重角度來探析一下使用催化劑是如何加快反應(yīng)速率的。

【學(xué)生活動(dòng)】閱讀并交流“過渡態(tài)理論”“活化能”變化。

【講解】加入催化劑使反應(yīng)的“活化能”降低，我們再從“碰撞理論”來探析一下。板書見表4。

【提問】大家可能發(fā)現(xiàn)，從“碰撞理論”上來說，升高溫度與加入催化劑有相似的地方，那它們的區(qū)別在哪兒呢？

【作答】升高溫度是分子的能量增大，而加入催化劑是降低了“活化能”，并沒有增大分子的能量。

【講解】加入催化劑沒有增加分子的能量，它只是通過改變反應(yīng)途徑（反應(yīng)歷程），到達(dá)“過渡態(tài)”，然后再反應(yīng)，這樣子就降低了成為“活化分子”的標(biāo)準(zhǔn)，使得更多的分子成為“活化分子”，從而增加了有效碰撞，加快了反應(yīng)速率。

設(shè)計(jì)意圖：應(yīng)用魯米諾試劑的熒光反應(yīng)顯示H2O2分解反應(yīng)，拓展了化學(xué)知識廣度，延伸了H2O2分解的應(yīng)用，以此來代替原本的觀察氣泡速率，不僅增強(qiáng)了催化實(shí)驗(yàn)的視覺效果，增添了教材實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀性和趣味性，還使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中探索并領(lǐng)會實(shí)驗(yàn)所蘊(yùn)含的化學(xué)原理，提升了化學(xué)學(xué)科能力和發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

4.項(xiàng)目四：拓展廣度、全面考量——其他因素的影響

【視頻】電視劇《偽裝者》面粉工廠爆炸

【講解】化學(xué)反應(yīng)速率除了受到內(nèi)因——反應(yīng)物本身的性質(zhì)和常見外因——濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑的影響外，還有一些其他的外界影響因素也能改變反應(yīng)的速率，比如反應(yīng)物間的接觸面積。

上述視頻中，由于細(xì)小的面粉顆粒與空氣有了更大的接觸面積，遇明火即發(fā)生了爆炸，所以面粉廠是嚴(yán)禁煙火的。我們在接觸法制硫酸時(shí)，講到黃鐵礦要粉碎后進(jìn)入沸騰爐里焚燒，以及吸收塔內(nèi)要填充大量的瓷環(huán)，這也都是為了增大反應(yīng)的接觸面積。此外，某些反應(yīng)還會受到光、電磁波、超聲波等外界因素的影響。

在生產(chǎn)或生活中的反應(yīng)，往往是多個(gè)因素復(fù)合起來對某個(gè)反應(yīng)發(fā)揮影響作用。

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)合STS教育，拓展生活生產(chǎn)中的化學(xué)常識，全面考量反應(yīng)速率的影響因素，體會反應(yīng)速率影響因素的多樣性與復(fù)合性，幫助學(xué)生構(gòu)建更為科學(xué)、更為完善的知識體系，發(fā)展學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度”的核心素養(yǎng)。

四、課后反思與感悟

實(shí)驗(yàn)探究是化學(xué)研究最重要的方法，它是學(xué)生感性認(rèn)識抽象理論的最好途徑，針對反應(yīng)速率的影響因素內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知水平，調(diào)整重排實(shí)驗(yàn)，開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)效果，激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生在探究中自主學(xué)習(xí)、在探究中獲得知識、在探究中培養(yǎng)能力。

新一輪課程改革倡導(dǎo)“用教材教”，這就喚醒我們一線教師的教學(xué)活動(dòng)要從“目標(biāo)意識”轉(zhuǎn)向“資源意識”，課堂教學(xué)的科學(xué)性重在“實(shí)”[5]，教材中的實(shí)驗(yàn)素材并非唯一的教學(xué)資源，只是引導(dǎo)我們教學(xué)活動(dòng)的一個(gè)線索，在實(shí)際的教學(xué)中，我們可以根據(jù)學(xué)生的具體學(xué)情，靈活地調(diào)整重排、開發(fā)創(chuàng)新、改進(jìn)強(qiáng)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，提升學(xué)科能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]王祖浩.化學(xué)反應(yīng)原理（選修）[M].南京：江蘇教育出版社，2014：35-38

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民教育出版社，2018：19

[3]顧仲良，周學(xué)工.壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響實(shí)驗(yàn)探索——應(yīng)用溴百里香酚藍(lán)的色變[J].化學(xué)教與學(xué)，2020（4）：93-95，72

[4]魏冰.介紹一種發(fā)光的氨噴泉實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)教育，1992（1）：34-35

[5]張寧云.化學(xué)與藝術(shù)的跨科統(tǒng)整——“鐵化合物的相互轉(zhuǎn)化”STEAM設(shè)計(jì)[J].化學(xué)教與學(xué)，2019（12）：22-25