基于證據(jù)推理促進化學概念深度學習

化學概念的深度學習是基于學生已有知識經(jīng)驗，通過基于證據(jù)的推理分析等學習活動，進行概念的提取、歸納和初步構建，在此基礎上理解與運用，并批判性地接收和學習新知識，建立新舊知識問的聯(lián)系，進行深度高階思維的學習。該文圍繞素養(yǎng)為本，以人教版《選擇性必修1化學反應原理》“反應熱”教學為例，聚焦以證據(jù)推理為抓手，以高質量對話為依托，尋求促進學生關于化學概念的深度學習的教學策略。一、教學內容分析人教版《化學選擇性必修1》中，本章包括2節(jié)內容：第一節(jié)“反應熱”，介紹了反應熱的概念、葉，和反應反應熱的測定、焓變、熱化學方程式和燃燒熱等；第二節(jié)“反應熱的計算”，介紹了蓋斯定律和反應熱的計算?！胺磻獰帷笔腔瘜W學科核心概念，教材中存在許多概念與其構成直接或者間接的聯(lián)系（如圖1所示）。人教版教材中呈現(xiàn)圖1所示概念時思路清晰明了。體系與環(huán)境的引入首先幫助學生認識研究“反應熱”的前提條件；接著通過測定中和反應反應熱，研究反應熱的含義；最后從能量角度，引出內能、焓，再通過限定恒溫恒壓的條件引出焓變，符合學生的認知發(fā)展規(guī)律。反應熱又是整個概念系統(tǒng)的核心，該章內容具體編排如圖2所示，內容之間的邏輯順序極為清晰。二、教學目標1.能通過認識體系與環(huán)境的概念，掌握反應熱的概念。2.分析中和反應反應熱的測定原理，并根據(jù)實驗結果計算反應熱，培養(yǎng)綜合能力與計算能力。3.從體系內能的視角出發(fā)，了解焓變與反應熱的概念關系，培養(yǎng)對問題多角度分析的能力，4.了解燃燒熱及熱化學方程式的書寫規(guī)則，熟練掌握以符號表征為核心的表達方式。5.能夠分析發(fā)現(xiàn)反應的能量關系，體會蓋斯定律的意義，在化學學習中滲透化學學科的價值三、單元教學流程依據(jù)“反應熱”的相關概念的邏輯關系，以人教版新教材為基礎并結合學情，筆者設計的促進學生深度學習的單元教學流程如圖3所示。四、核心概念教學過程以下教學過程為3個課時，本文只展示課時1的部分師生對話。課時1：1.能量變化、體系與環(huán)境、反應熱[教師]（展示一盒自熱火鍋）自熱鍋發(fā)熱原理是什么？從能量角度，生產(chǎn)商需要考慮什么問題？從能量安全角度，使用者要考慮什么問題？[學生]自熱鍋原理是生石灰與水反應放熱？廠商需要考慮加熱包中生石灰的量、米飯的量、加熱的時間等。不能隨便丟棄加熱包，有著火的可能，且堿性強，污染環(huán)境。[教師]人們利用化學反應提供的能量，在實際生產(chǎn)生活中往往需要定量。剛才同學們說的保護環(huán)境是我們熟悉的“環(huán)境”。在定量研究化學反應能量變化時，需要明確的2個概念——“體系與環(huán)境”中也有“環(huán)境”。如何理解這2個概念呢？（演示實驗：鹽酸和氫氧化鈉溶液在試管中混合發(fā)生反應，用手摸試管壁。）我們以鹽酸和氫氧化鈉溶液反應為例，研究體系是什么？環(huán)境是什么？[學生]體系包括鹽酸、氫氧化鈉溶液中的微粒，還有中和反應本身以及反應產(chǎn)生的微粒。環(huán)境包括體系之外所有的東西。[教師]老師的手也算是環(huán)境的一部分，我剛剛用手觸摸試管壁，感受到外壁溫度升高，有同學可以解釋一下產(chǎn)生這種感覺的原因嗎？[學生]因為該反應放熱，使體系溫度升高。老師的手作為環(huán)境，溫度較低，能量（熱量）由體系傳遞給環(huán)境。[教師]假如我的手是溫度計，體系放出的熱全部被我感知到，那我能知道這部分能量是多少嗎？你能根據(jù)物理學知識解釋說明嗎？[學生]根據(jù)Q=c×m×△T，△T取最高溫度與反應前的溫度差。[教師]等溫條件下（即反應后體系溫度恢復至反應前），化學反應體系向環(huán)境釋放或者吸收的熱量，稱之為化學反應的熱效應，簡稱反應熱。給“反應熱”下定義時，為什么規(guī)定始末態(tài)溫度相同？[學生]只有規(guī)定體系的始末態(tài)溫度相同，才能保證反應熱全部傳給環(huán)境，便于測量。設計意圖：從學生較為熟悉的生活情境引入，作為探索定量研究化學反應能量變化的起點，激發(fā)學生學習興趣，在體系與環(huán)境的概念教學中，將課本的圖片變成了眼前的實驗。由學生熟悉的概念出發(fā)，進行新概念的構建。在引入反應熱概念時，教師對實驗條件進行假定，學生通過推理分析，真正理解“等溫”在反應熱定義中的意義，也為接下來測量反應熱的原理做鋪墊。2.中和反應反應熱、內能與焓、焓變[教師]（展示實驗儀器及用品）現(xiàn)在請同學們根據(jù)提供的實驗用品，設計實驗方案測定中和反應的反應熱。請討論實驗原理，細化實驗細節(jié)，制定實驗步驟。[學生]討論，匯報：（1）根據(jù)物理公式Q=c×m×△T。（2）用水的比熱容近似處理c。（3）用量取體積的方法求得溶液質量m。（4）用同1只溫度計分別測量反應前后溶液的溫度變化，求算溫度差△T。[教師]請同學們思考如下幾個問題：實驗過程使用的量熱計有什么特點？實驗操作注意什么？溫度傳感器記錄的數(shù)據(jù)圖（圖略），該讀取哪個點的數(shù)據(jù)？依據(jù)是什么？鹽酸與氫氧化鈉溶液中和反應前后溫度發(fā)生變化，所計算的熱量還能稱為“反應熱”嗎？[學生]討論，匯報：（l）隔熱層和杯蓋主要作用是盡可能防止熱量散失。（2）要注意反應時快速混合溶液，并用玻璃攪拌器攪拌。（3）記錄最高點的溫度，體系放出的熱量使溫度升高，溫度最高點代表體系中酸和堿完全中和時所放出的熱量：[數(shù)據(jù)處理]學生根據(jù)相關數(shù)據(jù)，計算該中和反應的反應熱。[教師]在這組實驗中，你計算得到的中和反應放出的熱量Q的大小與什么有關？如果有一個數(shù)據(jù)能夠代表中和反應：H+（aq）+OH-（aq）=H2O（1）生成lmol水，我們對于中和反應反應熱的定量研究可能會更為方便，清你進行換算。設計意圖：打破傳統(tǒng)教學的驗證性實驗模式，讓學生分析實驗原理這個過程比學生按照課本步驟做實驗，這種探究要有趣得多。并且可以加深學生對反應熱概念的理解，促進學生概念內化，在討論論證過程中充分將思維外顯，形成完整的思維體系。實驗過程中使用溫度傳感器能將數(shù)據(jù)外顯，學生更直觀地觀察到溫度的變化曲線，通過分析，確定最高點的意義。數(shù)據(jù)處理的最后，教師的問題推進，加深了學生對化學反應計量關系與能量變化的理解，為學生之后學習熱化學方程式和歸納Q與AH的關系做鋪墊。[教師]化學反應為什么會產(chǎn)生反應熱？能量從何而來？內能（U）是體系內物質各種能量的總和，根據(jù)水有三態(tài)，結合微觀角度討論物質的內能包含哪些具體能量？哪些因素會引起內能的變化？[學生]反應前后體系內能發(fā)生變化，就會產(chǎn)生反應熱。內能受溫度、壓強、物質的聚集狀態(tài)影響，包括分子動能和勢能之和。[教師]焓（H）是與內能相關的物理量。在等壓等溫條件下的化學反應，反應熱可視為焓變（△H）單位為kj/mol。焓和內能都是狀態(tài)函數(shù)，狀態(tài)函數(shù)的變化規(guī)定為末狀態(tài)減去初狀態(tài)。請根據(jù)課本圖1-4，歸納△H的“正負”與吸熱或放熱反應的關系。[學生]△H>0，吸熱反應；△H<0，放熱反應。[教師]還可以從體系的角度來認識，體系放熱，焓減少。體系吸熱，焓增大。[教師]展示課本圖1-5能量變化示意圖及相關數(shù)據(jù)。[學生]化學反應中能最變化的本質，是化學鍵斷裂和形成時的能量變化。設計意圖：內能是物理學科的重要概念，是學生的已有概念，在此基礎上引出焓這個新的概念。強調“恒溫恒壓”條件下反應熱可視為焓變，說明“反應熱”與“焓變”并非同一概念，有助r避免學生產(chǎn)生“反應熱即焓變”的迷思概念。結合圖示，并通過狀態(tài)函數(shù)的變化規(guī)定以及從體系出發(fā)，說明清楚△H>0或△H<0的規(guī)定，讓學生進一步理解體系與環(huán)境的關系。課時2：3.熱化學方程式，燃燒熱[教師]25℃時，101kPa，1molH+和OH-反應產(chǎn)生1mol液態(tài)H2O時，放出57.3kJ的熱量。請用化學符號用語表示該反應的物質變化和能量變化情況。為什么熱化學方程式要標明狀態(tài)、溫度、壓強等？請根據(jù)你之前測定中和反應反應熱的實驗數(shù)據(jù)，歸納Q和△H的關系。設計意圖：通過中和反應熱化學方程式的表達，引導學生認識化學用語是對自然規(guī)律的理解、尊重和表達。學生親身經(jīng)歷的實驗及數(shù)據(jù)更有真實感，明白熱化學方程式中要標明的內容不是強制的規(guī)定，而是由于“焓”與內能一樣都與物質的種類、數(shù)量、聚集狀態(tài)、溫度、壓強有關，△H自然也會隨影響因素的改變而改變。[教師]燃燒熱是一種反應熱。幾種常見燃料的燃燒熱見表1。[討論]根據(jù)燃燒熱的定義，以甲烷為例說明表述其燃燒熱需要注意哪些問題？寫出甲烷燃燒的熱化學方程式，在此基礎上進一步歸納書寫熱化學方程式的注意事項，[討論]根據(jù)表1燃燒熱的數(shù)據(jù)，計算相同質量的碳、氫氣、甲烷在25℃、101kPa時完全燃燒放出的熱量。請你根據(jù)計算結果說明氫氣作為能源的優(yōu)點。請你判斷相同質量的甲烷、乙烷、丙烷完全燃燒，熱值最大的是哪種？設計意圖：熱化學方程式只是化學特有的符號語言，它背后的反應熱才是人類真正關注的焦點。通過數(shù)據(jù)計算比較，學生切實體會到能源的發(fā)展在社會生活中的重要性。學生在數(shù)據(jù)計算的過程中，通過已知數(shù)據(jù)，再由計算結果運用質量守恒進行推斷，能夠培養(yǎng)學生遷移運用的思維能力。課時3：4.蓋斯定律[教師]如果物質都能夠完全燃燒，人類就可以有效使用地球上有限資源。然而，燃燒不充分是常見的。C不完全燃燒會產(chǎn)生CO，測量這個反應的反應熱是有難度的，很難做到在反應中控制條件全部生產(chǎn)CO而不生產(chǎn)CO2。蓋斯定律是基于科學家大量實驗數(shù)據(jù)歸納總結出的客觀規(guī)律，你能以我們熟悉的碳的燃燒為例（如圖4所示），從理論[二證明蓋斯定律嗎？設計意圖：引導學生繼續(xù)深入理解“焓”作為狀態(tài)函數(shù)的特點。當狀態(tài)確定，H確定，△H只與反應的始末狀態(tài)有關，跟反應途徑無關。圖4相比于人教版課本第15頁的圖，更利于學生從本質上理解蓋斯定律。[教師]某同學通過實驗測量了放熱反應Fe（s）+CuSO4（aq）=Cu（s）+FeSO4（aq）的焓變△H。在用同樣方法測量反應Fe（s）+Fe2（SO4）3（aq）=3FeSO4（aq）焓變的時候，發(fā)現(xiàn)把鐵粉加入Fe2（SO4）3溶液中，有氣體產(chǎn)生，用量熱計無法測定其反應熱，為什么？如何獲得反應Fe（s）+Fe2（SO4）3（aq）=3FeSO4（aq）的焓變呢？請設計實驗方案。設計意圖：蓋斯定律的最大價值在于可以利用實驗測定的少量反