◎ 朱 康 張 恒

一、問題提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》明確提出，化學學科核心素養(yǎng)是學生必備的科學素養(yǎng)，是學生終身學習和發(fā)展的重要基礎，化學課程對于科學文化的傳承和高素質(zhì)人才的培養(yǎng)具有不可替代的作用。［1］化學概念是化學課程的重要組成部分，是學生構建高中化學知識體系的基礎，是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的重要途徑之一。如果學習者的認知結(jié)構中沒有形成清晰準確的化學概念，就不可能真正地掌握化學學科內(nèi)在的聯(lián)系和規(guī)律。

化學是一門以實驗為基礎的自然科學?；瘜W概念大多是在實驗的基礎上分析、總結(jié)出來的，實驗是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的重要手段之一。通過對實驗進行設計、觀察和分析，培養(yǎng)學生的探究能力和思維能力，從而加深學生對概念的認識和理解。認知發(fā)展先行者皮亞杰認為，能夠刺激認知發(fā)展的最有效的方法之一，是人為地制造認知失衡，即當個體的經(jīng)驗和期望不匹配時，不平衡的認知沖突就會出現(xiàn)。筆者以必修 “化學反應的快慢”為例，探索通過創(chuàng)新實驗設計，制造認知沖突，促進學生對化學反應速率概念的認知，發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)。

二、教學設計

（一）課標及學情分析

通過對比必修和選擇性必修課標內(nèi)容及學業(yè)要求，筆者發(fā)現(xiàn)兩者的要求有明顯的差異：必修階段突出控制變量方法在研究化學反應中的重要作用，通過探究實驗感受條件對化學反應速率的影響，逐步構建化學反應速率的概念；選擇性必修則要求能夠運用原理合理解釋化學反應速率變化的原因，體現(xiàn)概念認知發(fā)展的層次性。

學生在學習本節(jié)課之前，已經(jīng)初步了解化學反應有快有慢、部分條件對化學反應快慢的影響，也知道可以通過控制變量的方法設計實驗，探究影響化學反應快慢的因素，但學生對化學反應快慢的理解是感性的，缺乏科學性和嚴謹性。對影響化學反應速率的因素的認識是淺顯的、片面的。因此，要讓學生在已有知識的基礎上，學會定量判斷化學反應的快慢，設計實驗探究影響化學反應快慢的因素。

（二）設計思路

對比不同版本現(xiàn)行高中化學教材的欄目設置，我們發(fā)現(xiàn)許多共同之處，都是通過生產(chǎn)、生活或?qū)嶒瀸嵗惺芑瘜W反應有快有慢，均突出運用控制變量實驗方法的重要性，通過體驗活動，感受影響化學反應速率的因素，都側(cè)重溫度、催化劑在改變化學速率方面的影響。具體內(nèi)容見表1。

基于對課標、學情和教材的分析，本節(jié)課的設計遵循著由淺到深、由簡單到復雜、由定性到定量的一般規(guī)律。傳統(tǒng)的教學模式對于化學反應速率的定義往往是直接給出，缺乏過程性的學習，學生更多的是記憶而非理解，不符合學生的認知規(guī)律，也不利于發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。如何在學生已有一定了解的基礎上，激發(fā)學生興趣，引導學生探究，通過創(chuàng)新實驗設計，利用認知沖突，促進化學反應速率概念的形成，具體設計見表2。

表1 不同版本必修教材欄目對比

表2 實驗設計和認知沖突關系

三、教學過程

（一）紙片燃燒，感受化學反應的快慢

通過用帶火星的木條，引燃看似完全相同的普通紙片和硝化纖維，學生直觀感受到燃燒現(xiàn)象的巨大反差，引發(fā)對燃燒反應快慢背后原因的思考，為后續(xù)設計對照實驗，探索影響化學反應快慢的外因和最終揭示影響化學反應快慢的內(nèi)因埋下伏筆。

【設計意圖】在傳統(tǒng)概念教學中，教師更注重知識的傳授與講解，常用的教學方法是給出定義，通過習題進行辨析與理解，學生往往處于被動學習的狀態(tài)，缺乏學習興趣，課堂參與度低，難以落實核心素養(yǎng)。本節(jié)課利用普通的“紙片燃燒”實驗，讓學生直觀感受化學反應的快慢，產(chǎn)生認知沖突，激發(fā)學生的好奇心和求知欲。

（二）對照實驗，比較化學反應的快慢

以生活中的燃燒現(xiàn)象及具體化學反應作為研究對象，歸納哪些實驗現(xiàn)象可以判斷化學反應的快慢。教師設計并實施“比較MnO2、CuO和Fe2O3粉末對H2O2分解的催化效果”對照實驗，通過實驗方案細節(jié)的推敲，不斷提高細化認識程度，發(fā)展學生的認知水平，達到實驗預期目標的同時，對于難以準確比較的客觀事實，再次創(chuàng)設了深度思考的情境，符合技術發(fā)展促進人類認知能力提升的一般規(guī)律。

【設計意圖】在傳統(tǒng)教學中，由于課時、安全等諸多因素，對實驗的重視程度不足，而且驗證性實驗居多，但實驗是落實化學學科核心素養(yǎng)的一個重要工具，也是化學課程目標之一。本節(jié)課關注學生的已有知識，尊重學生的認知發(fā)展，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，引導學生設計實驗方案“比較不同催化劑對過氧化氫分解的催化效果”，并進行實驗，再通過實驗結(jié)果產(chǎn)生認知沖突，創(chuàng)設真實問題情境，啟發(fā)學生思考如何定量測定一個化學反應的快慢。

（三）定量實驗，構建化學反應速率概念

我們通過觀察，發(fā)現(xiàn)僅憑感官判斷化學反應的快慢還不夠準確，如何定量測定一個化學反應的快慢呢？學生通過討論發(fā)現(xiàn)，除了可以通過對照實驗比較化學反應的快慢外，還可以測定單位時間某些物理量的變化進行比較。如圖1所示，使用壓強傳感器記錄過氧化氫分解過程中試管內(nèi)氣體壓強的變化，一段時間后，氣體壓強變化趨勢如圖2所示，思考并比較不同時間段化學反應的快慢，逐漸轉(zhuǎn)變由多組實驗單一變量到單個實驗多個變量的定量比較，逐漸形成化學反應速率的概念。

圖1 測過氧化氫分解過程中氣體壓強的裝置

圖2 實驗中繪制的“過氧化氫分解過程中試管內(nèi)氣體壓強的變化趨勢”圖

【設計意圖】在傳統(tǒng)教學中，教師往往是先給出化學反應速率的定義，再通過一系列的實驗來探究影響化學反應速率的因素，根據(jù)產(chǎn)生氣泡的多少等感官現(xiàn)象來判斷化學反應的快慢，此種教學方法實驗現(xiàn)象直觀、明顯，但不利于培養(yǎng)學生的定量觀和變化觀，學生對化學反應速率的理解并不深刻，如學生可以比較兩個化學反應的快慢，但卻無法理解隨著反應的進行，同一化學反應反應速率的變化，這可以從學生對“過氧化氫分解過程中氣體壓強的變化趨勢”的預測中反映出來。

過氧化氫分解過程中單位質(zhì)量變化時所需時間的測定裝置如圖3所示，對應的表3數(shù)據(jù)說明不同階段可以使用不同物理量的變化，定量比較化學反應快慢，最終形成化學反應速率的概念。通過比較不同時間段化學反應速率的大小，分析過氧化氫分解過程中化學反應速率先快后慢的原因，回顧并總結(jié)濃度、溫度、催化劑等都可以影響過氧化氫的分解速率。

圖3 過氧化氫分解過程中單位質(zhì)量變化時所需時間的測定裝置

表3 過氧化氫分解過程中質(zhì)量變化0.01g所需時間

【設計意圖】首先，教師引導學生思考如何定量測定一個化學反應的快慢，使他們可以很快找到反應過程中的變量，如濃度、質(zhì)量、壓強等。然后，教師利用實驗來驗證學生的分析是否正確。利用“預測—觀察—解釋”（ Predict—Observe—Explain，簡稱“POE”）教學策略，引導學生預測過氧化氫分解過程中氣體壓強的變化，再利用DIS實驗測量過氧化氫分解過程中氣體壓強的變化，創(chuàng)設矛盾，激發(fā)學生深入分析和探究。學生通過計算數(shù)據(jù)、分析時間-壓強曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著反應的進行化學反應速率在降低，進一步思考可發(fā)現(xiàn)過氧化氫分解速率變慢的原因是反應物濃度的減少。利用電子天平和秒表測量過氧化氫分解過程中質(zhì)量的變化，學生通過對數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)過氧化氫分解速率不是一直降低，而是先快后慢，與前面分析的結(jié)論有出入。通過思考，學生總結(jié)出影響化學反應快慢的另一因素是溫度，同時領悟到化學反應快慢需綜合考慮各方面因素的思想。通過兩個創(chuàng)新實驗，在不知不覺中建構了化學反應速率的概念，培養(yǎng)了學生的變化觀、定量觀，提高了學生的思維能力和探究能力，落實了化學學科核心素養(yǎng)。

（四）解密情境，發(fā)現(xiàn)化學反應快慢的根本原因

教師引導回顧：本節(jié)課剛開始時，可能是什么因素影響著兩張相同的紙片的燃燒速率呢？從產(chǎn)物不同，推測可能是兩張紙片的材質(zhì)不同。歸納影響化學反應速率的不僅有外界條件還有反應物自身的性質(zhì)。學生通過對化學反應快慢的學習，感悟科學就是整理事實的過程，以便從中得出普遍的規(guī)律或結(jié)論中所蘊含的道理。

【設計意圖】影響化學反應速率的主要原因是反應物自身的性質(zhì)，在課堂開始的燃燒實驗中就為這一因素埋下伏筆，首尾呼應。

四、教學反思

（一）尊重學生認知發(fā)展，注重概念的生成性

本節(jié)課始終圍繞著“化學反應快慢”這一核心內(nèi)容，以學生為主體，教學環(huán)節(jié)的設計尊重學生認知發(fā)展。從判斷紙片燃燒快慢的感性認識，到用產(chǎn)生氣泡多少判斷過氧化氫分解快慢的定性認識，再到利用單位時間下壓強的變化或質(zhì)量的變化，定量判斷化學反應的快慢，教學環(huán)節(jié)層層遞進、由淺到深，在不知不覺中建構化學反應速率的概念，加深學生對化學反應的過程性認識。

（二）利用創(chuàng)新實驗，發(fā)展學生核心素養(yǎng)

為更好地發(fā)揮概念教學在落實和發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)方面的作用，采取數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，通過紙片的燃燒實驗，激發(fā)學生學習興趣，通過學生自主設計實驗方案“比較MnO2、CuO和Fe2O3粉末對H2O2分解的催化效果”，培養(yǎng)學生的探究能力與分析能力，并創(chuàng)設真實問題情境，激發(fā)學生的探究欲望；運用POE教學策略，通過測定“過氧化氫分解過程中氣體壓強的變化和質(zhì)量的變化”兩個實驗，培養(yǎng)學生的圖表分析能力、思維能力以及定量觀。

本節(jié)課將數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗進行有機融合，讓化學反應速率的概念教學在系列遞進式實驗中完成，學生興趣盎然、思維活躍，化學學科核心素養(yǎng)得以發(fā)展和落實，對新課標下的概念教學具有良好的導向作用。