融合学科逻辑和学生认知逻辑的“热化学”单元教学研究

摘要：单元教学逻辑的建构既要关注学科逻辑又要兼顾学生认知逻辑。以选择性必修“热化学”内容为例，基于学科视角抽提了“热化学”特征的思维方式、建构了具有实质联系的学科内容体系；基于学生视角分析了“热化学”学习进阶路径、提取了关注学生认知的内容组织形式。在平衡“学科”和“学生”的基础上，设计了促进学生学科理解的选择性必修“热化学”单元教学逻辑和核心问题，取得了较好的教学效果。关键词：

热化学；学科逻辑；学生认知逻辑；单元教学；化学学科理解1研究概述1.1问题提出“化学反应与能量”主题是中学化学的核心内容，涉及化学热力学。化学热力学专门研究能量相互转化过程中所遵循的规律，热力学第一定律的主要内容即为能量守恒定律，将热力学第一定律具体应用到化学反应中，用实验或理论方法研究化学反应的热量变化，进而解释与预测一些化学现象的化学分支又被称为“热化学”。[1]以鲁科版教材为例，热化学内容主要编排于必修第二册“化学反应与能量转化”和选择性必修1“化学反应的热效应”等章节。之所以选择这部分内容作为研究对象源于以下原因：课程设计方面，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“高中新课标”）热化学部分变化较大，引入了“体系、环境、内能等视角，引入上述视角的原因何在？上述概念在学科体系中的学科功能如何及其在教学中如何处理等问题亟待回答；教学实践方面，这部分内容高考占比小，主要涉及盖斯定律的相关计算，教学中基本是强化计算技巧，使得学生只会机械利用类似数学消元法对方程式进行加减，而不能说明加减背后的学科思想；[2]教师学科理解方面，诸如“有了内能为什么还要引入焓、化学能与内能是何关系、化学反应中的能量变化都是化学能贡献的吗？”等问题还困扰着不少教师。1.2研究路径为解决上述问题，一方面需从学科视角厘清热化学相关概念的内涵及联系，抽提热化学蕴含的学科思维，从而帮助教师从学科视角驾驭所教内容；另一方面需研究学生的认知逻辑，把握概念在不同学段的深、广度，明确概念与学生认识发展的关系，合理选择教学策略进行教学。因此课堂教学的推进既要考虑教学内容的内在逻辑，又要符合学生接受知识的认知规律。学科逻辑偏重于“学什么”，学生认知逻辑偏重于“如何学”，本研究试图将二者有机融合，建构既能外显学科思维又能顺应学生认知规律的单元教学逻辑，研究路径如图1。梳理热化学发展历程，与之相关的史实如表1。可以发现，热化学研究方法凸显定量思维、宏微结合，解决实际问题的过程注重设计思想。具体来说，热化学研究是基于生产需要在测定和计算化学反应热的过程中发展起来的，通过定量计算来认识宏观体系的能量变化规律是热化学研究的一大特点，包括实验精确测定反应热、结合键能数据理论计算反应热等，都体现了热化学研究注重定量思维。在获得大量反应热数据的基础上，科学家认识到体系的能量变化与反应途径无关，只与体系在一定条件下的状态有关，形成了“状态函数”的概念，因此可根据研究需要任意设计不同状态所经历的过程，而盖斯定律正是状态函数性质的必然体现，这体现了热力学研究的设计思想。随着化学学科的发展，科学家逐步认识到化学反应的能量变化与物质结构的联系，如用热效应表征物质的稳定性、预测物质内部微粒间结合力的强弱，体现了“宏微结合”的学科思想；同时在化学反应层面，建立了热化学与反应方向的联系，利用热效应判断反应方向，体现了热化学理论的解释预测功能等。2.2学科内容体系的建构热化学内容主要包括热力学研究对象、热力学函数与条件、反应热测定和计算、热化学方程式、热效应的表现形式等。其中基于“体系”和“环境”认识研究对象，是热力学解决问题的出发点，如高中反应热的测定实验只有区分了体系与环境，才能理解“为什么反应热概念规定反应前后始终态温度要相同，而实验却能基于反应前后温度差计算反应热？”原因就在于根据研究需要选择了合适的体系与环境（将H+

和OH-

及生成的H2O為体系，将不参加反应的Na+、Cl-

以及作为溶剂的水视为环境）。与热化学有关的热力学函数主要包括内能（U）和焓（H），内能是体系内部能量的总和，包括分子动能，分子间相互作用的势能，以及分子内部各种粒子（如电子、原子核及原子核内的各种粒子等）的动能和它们相互作用的势能等，因此体系能量变化的实质就是内能的变化。但对于化学反应体系来说，其实质是化学键的变化，基于键能变化所引起的能量变化反映了化学反应体系能量变化的特殊性，对这种特殊的能量变化形式，在化学上用化学能来表征。任何化学物质都有相对稳定的结构，几乎都存在由于原子间相互作用而形成的化学键，这种原子间的势能（键能）即为储存的化学能，它只有在化学反应中才表现出来。[7-9]由于化学能不是物质的基本能量属性，不同专家对要不要给“化学能”定义、怎么下定义，看法不尽相同，但化学能作为认识化学反应中能量变化的特质化视角，需要厘清其与内能的关系。从微观化学键视角分析化学能主要是由原子间相互作用势能的变化而表现出来的，[10]为凸显热化学宏微结合的思想，将化学能理解为内能中原子间相互作用的势能，符合学生认知水平，也有助于理解内能与化学能的关系。当然化学反应的能量变化除了由化学能变化引起还可由“分子之间相互作用的势能”变化引起，如气态水变成液态水的相变能（汽化热）等。为什么有了内能还要引入焓？根据热力学第一定律，ΔU=Q+W，当反应体系处于等容条件下不做体积功时（不考虑非体积功）Q=ΔU，等容热效应即为内能的变化；但很多反应在敞口容器（等温等压）中进行，此时体系与环境可能存在体积功的交换（W体=—PΔV），带入热力学第一定律可得Q=（U2十PV2）-（U1+PV1），为方便研究，令H=U+PV，则有Q=H2-H1=ΔH，等压热效应即为焓变，可见引入内能是厘清上述概念间关系的前提。基于设计思想，“燃烧热、中和热”既是焓变的具体形式，又能结合盖斯定律设计反应过程计算未知反应的焓变。结合热化学蕴含的学科思维及学科概念间的联系建构如图2的学科内容体系，实现学科概念的结构化理解。3热化学学生认知逻辑分析3.1学习进阶热化学相关内容在初、高中新课标中的组织与呈现如表2。可以看出，初中段针对热化学的认识处于宏观现象水平，能辨识一些常见的吸热、放热现象，能基于能量变化认识化学反应即可；高中必修段更加强调能量视角，基于化学能及其变化定性认识物质具有能量和化学反应中能量变化的根源，对能量的认识水平发展到本质水平，即要求从微观化学键的视角认识化学反应的能量变化；选择性必修段，基于学科本质更加强调热力学的定量思维方式，能基于体系与环境认识化学反应的热效应及其转化，能基于内能及内能变化的视角定量认识反应热及其描述，具体进阶水平如图3。3.2教材组织如何“高起点、低落点”开展新增内容的教学，需要学习课程专家的处理方式。以高中鲁科版教材[13][14]为例，分析热化学内容的组织与呈现。高中必修段热化学内容编排在必修第二册“化学反应与能量转化”一节，涉及“化学反应中能量转化的本质和形式”。按照“感受化学反应中能量变化→分析化学反应中的能量变化→应用化学反应中的能量变化”的顺序编排。首先从学生熟悉的反应“木炭在空气中燃烧、电解水”入手，引导学生思考化学反应中能量变化的本质和能量转化形式，探查学生已有认识基础。接下来基于常见的吸、放热反应建立认识化学反应的能量视角，并从物质总能量和化学键两个方面，宏微结合地分析能量变化的实质。最后通过解决“天然气为什么替代煤作为家用燃料”的真实问题实现“物质变化”和“能量变化”认识视角的迁移应用。選择性必修段热化学内容编排在选择性必修1“化学反应的热效应”一节，主要包括“反应热、内能与焓变、焓变的计算”。按照“认识反应热→测量反应热→表征反应热→计算反应热→应用反应热”的顺序编排。首先教材提出统领性问题“如何定量表征、测量、求算化学反应的热效应”，接着给出“反应热”概念，并通过“活动探究”认识到反应热可测，接下来从内能视角认识化学反应能量变化的根源，对能量的认识不再是必修段笼统的“物质总能量”，而是明确给出了“内能”概念的内涵、外延及其影响因素。对于反应热的表示，教材从体系与环境出发，基于内能变化引导学生体会反应条件不同，反应热也不同，了解等容反应热和等压反应热的区别及热化学方程式可以表征化学反应的热量变化和物质变化，更加注重概念间的逻辑关系，厘清了焓变引入的原因及价值，凸显学科本质。在知道反应热可测、可表征的基础上，教材又引入“盖斯定律”计算反应热，通过“登山高度与设计的登山路径无关”和“设计碳单质生成CO的路径”两个案例，指向盖斯定律蕴含的设计思想，凸显化学学科特质。最后通过“燃料的选择和利用问题”建立起理论学习与实际问题解决的关联，体现应用价值。4平衡“学科”和“学生”的热化学单元教学逻辑取向4.1关照学科逻辑的单元教学“热化学”是在实践中发展起来的，是人类经验的总结，学科理论有着牢固的实验基础和严密的逻辑推理。在教学中既要注意厘清概念间的实质联系，如内能与化学能的区别和联系、内能变化与焓变的区别与联系等，又要沿着学科发展的逻辑在认识层面外显热化学特质的学科思维，如基于“宏微结合思想”认识反应热的存在、基于“定量思维”测定和计算反应热、基于“设计思想”认识盖斯定律等。4.2兼顾学生认知逻辑的单元教学单元教学的开展除了立足学科逻辑还要兼顾学生认知水平，在教学时：（1）注意处理好不同学段知识的衔接。不同学段的教学既要考虑学生已有知识基础，又要避免内容重复。如高中必修段热化学教学的核心是基于化学能视角定性认识化学反应中的能量变化，而选择性必修段则引导学生深入认识反应热，包括从内能及其变化的角度认识反应热、从定量角度测定反应热等。（2）注意处理好内容科学性和学生可接受性之间的关系。选择性必修段引入了大量抽象概念，实践中需在保证内容科学性的同时，充分考虑学生的可接受性。如在介绍内能与焓的区别时不能沦为枯燥的热力学公式推导，要注意选择典型的反应案例或实验，将抽象问题具体化、可视化，直观认识到体积功的存在及其对反应热的影响。（3）注意理论对实践的指导。从教材组织可知，不论是必修还是选择性必修段都遵循从理论走向应用的编排模式，因此在实际教学中要选择合适的素材凸显热化学理论对生产实践的指导价值。如通过介绍煤、天然气主要成分燃烧的热化学方程式，帮助学生理解家用燃料“从煤到气的变迁”等。5选择性必修段热化学单元教学设计5.1单元教学目标结合高中新课标，设计单元目标如下：知道内能是体系内物质各种能量的总和，受外界条件影响，并能基于内能及其变化的视角认识化学反应中的能量变化；基于体系与环境的概念，从能量守恒的角度，认识等容反应热（ΔU）和等压反应热（ΔH）的区别及其引入ΔH的意义；能根据研究需要选择体系与环境，设计并实施定量测定反应热的实验，包括测定条件、测定仪器的选择及其误差分析，并能通过热化学方程式表征化学反应中的物质变化和热量变化；（4）认识盖斯定律的应用和价值，能基于设计思想计算反应焓变，能运用反应焓变合理选择和利用化学反应，解决实际问题。5.2单元课时组织结合单元教学目标，设计选择性必修段热化学单元教学，具体课时安排、驱动性问题如图4。5.3课时关键性驱动问题解读为降低概念的理解难度，在教学中尽可能将驱动性问题融入真实情境，通过课堂追问，引发学生认知冲突，并辅以相关实验、图示等将抽象概念具体化、可视化。由于篇幅所限，这里选择部分关键性问题作简要解读。课时1：【问题（2）】以氢气和氧气在不同温度下反应生成的不同状态的水为例，从微观视角进一步认识物质具有哪些能量，与什么因素有关？问题解读：这一问题是建立在学生初步讨论了氢气、氧气混合体系总能量的基础上继续展开的，学生基于物理学视角，已经知道了物质的能量包括分子动能和分子势能，动能和温度有关，而针对分子势能，学生通过气态、液态、固态水对比，发现分子势能包括分子内原子间的势能（如H-O键能）和分子间势能（如水分子间作用力），教学通过将“分子”具体化，系统认识内能的概念和影响因素（图5），体会状态函数的特点。【问题（4）】以恒压条件下Na2CO3与盐酸反应为例，讨论反应热是否一定等于内能的变化？问题解读：学生有了认识能量的内能视角，为什么还要引入焓的概念？为了避免教学沦为枯燥的热力学公式推导，在教学中利用Na2CO3与盐酸反应的实验，通过气球膨胀（图6a）引导学生认识到化学反应的内能变化并不一定等于热量变化，还有气球膨胀带来的体积功（W体=—PΔV），而大部分化学反应都是在敞口容器中进行的，这时再引入焓的概念就顺理成章。对于水平较好的班级此时再基于ΔU=Q+W公式进行焓的推导，能进一步加深学生的理解，对于水平一般的班级，进行焓概念的趣味化解释（图6b），也能体会引入焓的价值。课时2：【问题（2）】反应热概念规定反应始终态温度要相同，那为什么测定的是盐酸和氢氧化钠反应始终态温度变化，却可以表征反应的热效应？是否矛盾？问题解读：学生通过讨论对反应热测定实验的注意事项达成共识，其核心就是减少热量损失，这时教师再提出上述问题，一方面是为了加深学生对反应热概念的理解，另一方面要引导学生厘清体系与环境，理解热化学对反应热做出始终态温度相同的原因是为了保证将体系热量全部传给環境，而实际研究中可根据需要选择合适的对象作为体系。课时3：【问题（2）】反应热的应用有哪些？问题解读：三个应用将理论与实际问题解决相关联，分别指向工业生产、日常生活和学科解释，体现热化学的设计思想、定量思想和解释预测功能。应用1通过让学生设计煤炭直接燃烧和转化为水煤气燃烧的路径（图7），深入理解ΔH作为状态函数，只与始终态有关而与途径无关，应用热化学理论可以实现能量的储存和释放，且具有环保性；应用2基于氧化钙与水反应的热效应定量计算发热包中生石灰的用量，体会应用化学反应热量变化的关键是定量计算反应热；应用3通过提供的Si-Si、Si-O键键能数据，认识到形成硅氧键放出大量能量，产物能量低，从而初步体会大放热反应更易进行，生成物更稳定（卤族元素氢化物的稳定性分析方法类似），因此自然界中硅以二氧化硅或硅酸盐形式存在，体现热化学的解释预测功能。6教学效果选择性必修段“热化学”单元教学，进行了为期1年的研究，于2023年9月对我校2022级学生实施。授课完成后，听课教师普遍反馈课堂教学逻辑清晰，引发学生深度思考，同时提升了教师自身对热化学内容的学科理解。通过课堂观察和课后作业，学生对本文开头提到的问题的理解水平也得到明显提升，如关于ΔU的理解，所有学生都能意识到ΔU=Q或ΔU=ΔH的成立都是有条件的，体现了学生对内能、焓变等概念的清晰认知；课后在做到有关基于键能计算反应焓变的问题时，学生提出这种计算方式的成立也是有条件的，必须是反应物、产物中的微观作用力只限于化学键的反应体系，比如氢气和氧气化合成气态水（分子间作用力小），若产物为液态水，这种计算就会误差很大，还要考虑液态水分子间的作用力，这不但表明学生缕清了内能和化学能的关系，还体现了学生的批判思维；课后在做到基于各物质标准摩尔生成焓计算反应焓变问题时，班级有超过70%的学生尝试设计反应过程计算焓变，即通过题目给出的标准摩尔生成焓的概念设计从稳定单质到生成各反应物和生成物的路径得出ΔrHm

θ=Σ（νi

ΔfHm

θ）生成物

-Σ（νi

ΔfHmθ）反应物

（其中ΔfHm