基于证据推理促进化学概念深度学习

化学概念的深度学习是基于学生已有知识经验，通过基于证据的推理分析等学习活动，进行概念的提取、归纳和初步构建，在此基础上理解与运用，并批判性地接收和学习新知识，建立新旧知识问的联系，进行深度高阶思维的学习。该文围绕素养为本，以人教版《选择性必修1化学反应原理》“反应热”教学为例，聚焦以证据推理为抓手，以高质量对话为依托，寻求促进学生关于化学概念的深度学习的教学策略。一、教学内容分析人教版《化学选择性必修1》中，本章包括2节内容：第一节“反应热”，介绍了反应热的概念、叶，和反应反应热的测定、焓變、热化学方程式和燃烧热等；第二节“反应热的计算”，介绍了盖斯定律和反应热的计算。“反应热”是化学学科核心概念，教材中存在许多概念与其构成直接或者间接的联系（如图1所示）。人教版教材中呈现图1所示概念时思路清晰明了。体系与环境的引入首先帮助学生认识研究“反应热”的前提条件；接着通过测定中和反应反应热，研究反应热的含义；最后从能量角度，引出内能、焓，再通过限定恒温恒压的条件引出焓变，符合学生的认知发展规律。反应热又是整个概念系统的核心，该章内容具体编排如图2所示，内容之间的逻辑顺序极为清晰。二、教学目标1.能通过认识体系与环境的概念，掌握反应热的概念。2.分析中和反应反应热的测定原理，并根据实验结果计算反应热，培养综合能力与计算能力。3.从体系内能的视角出发，了解焓变与反应热的概念关系，培养对问题多角度分析的能力，4.了解燃烧热及热化学方程式的书写规则，熟练掌握以符号表征为核心的表达方式。5.能够分析发现反应的能量关系，体会盖斯定律的意义，在化学学习中渗透化学学科的价值三、单元教学流程依据“反应热”的相关概念的逻辑关系，以人教版新教材为基础并结合学情，笔者设计的促进学生深度学习的单元教学流程如图3所示。四、核心概念教学过程以下教学过程为3个课时，本文只展示课时1的部分师生对话。课时1：1.能量变化、体系与环境、反应热[教师]（展示一盒自热火锅）自热锅发热原理是什么？从能量角度，生产商需要考虑什么问题？从能量安全角度，使用者要考虑什么问题？[学生]自热锅原理是生石灰与水反应放热？厂商需要考虑加热包中生石灰的量、米饭的量、加热的时间等。不能随便丢弃加热包，有着火的可能，且碱性强，污染环境。[教师]人们利用化学反应提供的能量，在实际生产生活中往往需要定量。刚才同学们说的保护环境是我们熟悉的“环境”。在定量研究化学反应能量变化时，需要明确的2个概念——“体系与环境”中也有“环境”。如何理解这2个概念呢？（演示实验：盐酸和氢氧化钠溶液在试管中混合发生反应，用手摸试管壁。）我们以盐酸和氢氧化钠溶液反应为例，研究体系是什么？环境是什么？[学生]体系包括盐酸、氢氧化钠溶液中的微粒，还有中和反应本身以及反应产生的微粒。环境包括体系之外所有的东西。[教师]老师的手也算是环境的一部分，我刚刚用手触摸试管壁，感受到外壁温度升高，有同学可以解释一下产生这种感觉的原因吗？[学生]因为该反应放热，使体系温度升高。老师的手作为环境，温度较低，能量（热量）由体系传递给环境。[教师]假如我的手是温度计，体系放出的热全部被我感知到，那我能知道这部分能量是多少吗？你能根据物理学知识解释说明吗？[学生]根据Q=c×m×△T，△T取最高温度与反应前的温度差。[教师]等温条件下（即反应后体系温度恢复至反应前），化学反应体系向环境释放或者吸收的热量，称之为化学反应的热效应，简称反应热。给“反应热”下定义时，为什么规定始末态温度相同？[学生]只有规定体系的始末态温度相同，才能保证反应热全部传给环境，便于测量。设计意图：从学生较为熟悉的生活情境引入，作为探索定量研究化学反应能量变化的起点，激发学生学习兴趣，在体系与环境的概念教学中，将课本的图片变成了眼前的实验。由学生熟悉的概念出发，进行新概念的构建。在引入反应热概念时，教师对实验条件进行假定，学生通过推理分析，真正理解“等温”在反应热定义中的意义，也为接下来测量反应热的原理做铺垫。2.中和反应反应热、内能与焓、焓变[教师]（展示实验仪器及用品）现在请同学们根据提供的实验用品，设计实验方案测定中和反应的反应热。请讨论实验原理，细化实验细节，制定实验步骤。[学生]讨论，汇报：（1）根据物理公式Q=c×m×△T。（2）用水的比热容近似处理c。（3）用量取体积的方法求得溶液质量m。（4）用同1只温度计分别测量反应前后溶液的温度变化，求算温度差△T。[教师]请同学们思考如下几个问题：实验过程使用的量热计有什么特点？实验操作注意什么？温度传感器记录的数据图（图略），该读取哪个点的数据？依据是什么？盐酸与氢氧化钠溶液中和反应前后温度发生变化，所计算的热量还能称为“反应热”吗？[学生]讨论，汇报：（l）隔热层和杯盖主要作用是尽可能防止热量散失。（2）要注意反应时快速混合溶液，并用玻璃搅拌器搅拌。（3）记录最高点的温度，体系放出的热量使温度升高，温度最高点代表体系中酸和碱完全中和时所放出的热量：[数据处理]学生根据相关数据，计算该中和反应的反应热。[教师]在这组实验中，你计算得到的中和反应放出的热量Q的大小与什么有关？如果有一个数据能够代表中和反应：H+（aq）+OH-（aq）=H2O（1）生成lmol水，我们对于中和反应反应热的定量研究可能会更为方便，清你进行换算。设计意图：打破传统教学的验证性实验模式，让学生分析实验原理这个过程比学生按照课本步骤做实验，这种探究要有趣得多。并且可以加深学生对反应热概念的理解，促进学生概念内化，在讨论论证过程中充分将思维外显，形成完整的思维体系。实验过程中使用温度传感器能将数据外显，学生更直观地观察到温度的变化曲线，通过分析，确定最高点的意义。数据处理的最后，教师的问题推进，加深了学生对化学反应计量关系与能量变化的理解，为学生之后学习热化学方程式和歸纳Q与AH的关系做铺垫。[教师]化学反应为什么会产生反应热？能量从何而来？内能（U）是体系内物质各种能量的总和，根据水有三态，结合微观角度讨论物质的内能包含哪些具体能量？哪些因素会引起内能的变化？[学生]反应前后体系内能发生变化，就会产生反应热。内能受温度、压强、物质的聚集状态影响，包括分子动能和势能之和。[教师]焓（H）是与内能相关的物理量。在等压等温条件下的化学反应，反应热可视为焓变（△H）单位为kj/mol。焓和内能都是状态函数，状态函数的变化规定为末状态减去初状态。请根据课本图1-4，归纳△H的“正负”与吸热或放热反应的关系。[学生]△H>0，吸热反应；△H<0，放热反应。[教师]还可以从体系的角度来认识，体系放热，焓减少。体系吸热，焓增大。[教师]展示课本图1-5能量变化示意图及相关数据。[学生]化学反应中能最变化的本质，是化学键断裂和形成时的能量变化。设计意图：内能是物理学科的重要概念，是学生的已有概念，在此基础上引出焓这个新的概念。强调“恒温恒压”条件下反应热可视为焓变，说明“反应热”与“焓变”并非同一概念，有助r避免学生产生“反应热即焓变”的迷思概念。结合图示，并通过状态函数的变化规定以及从体系出发，说明清楚△H>0或△H<0的规定，让学生进一步理解体系与环境的关系。课时2：3.热化学方程式，燃烧热[教师]25℃时，101kPa，1molH+和OH-反应产生1mol液态H2O时，放出57.3kJ的热量。请用化学符号用语表示该反应的物质变化和能量变化情况。为什么热化学方程式要标明状态、温度、压强等？请根据你之前测定中和反应反应热的实验数据，归纳Q和△H的关系。设计意图：通过中和反应热化学方程式的表达，引导学生认识化学用语是对自然规律的理解、尊重和表达。学生亲身经历的实验及数据更有真实感，明白热化学方程式中要标明的内容不是强制的规定，而是由于“焓”与内能一样都与物质的种类、数量、聚集状态、温度、压强有关，△H自然也会随影响因素的改变而改变。[教师]燃烧热是一种反应热。几种常见燃料的燃烧热见表1。[讨论]根据燃烧热的定义，以甲烷为例说明表述其燃烧热需要注意哪些问题？写出甲烷燃烧的热化学方程式，在此基础上进一步归纳书写热化学方程式的注意事项，[讨论]根据表1燃烧热的数据，计算相同质量的碳、氢气、甲烷在25℃、101kPa时完全燃烧放出的热量。请你根据计算结果说明氢气作为能源的优点。请你判断相同质量的甲烷、乙烷、丙烷完全燃烧，热值最大的是哪种？设计意图：热化学方程式只是化学特有的符号语言，它背后的反应热才是人类真正关注的焦点。通过数据计算比较，学生切实体会到能源的发展在社会生活中的重要性。学生在数据计算的过程中，通过已知数据，再由计算结果运用质量守恒进行推断，能够培养学生迁移运用的思维能力。课时3：4.盖斯定律[教师]如果物质都能够完全燃烧，人类就可以有效使用地球上有限资源。然而，燃烧不充分是常见的。C不完全燃烧会产生CO，测量这个反应的反应热是有难度的，很难做到在反应中控制条件全部生产CO而不生产CO2。盖斯定律是基于科学家大量实验数据归纳总结出的客观规律，你能以我们熟悉的碳的燃烧为例（如图4所示），从理论[二证明盖斯定律吗？设计意图：引导学生继续深入理解“焓”作为状态函数的特点。当状态确定，H确定，△H只与反应的始末状态有关，跟反应途径无关。图4相比于人教版课本第15页的图，更利于学生从本质上理解盖斯定律。[教师]某同学通过实验测量了放热反应Fe（s）+CuSO4（aq）=Cu（s）+FeSO4（aq）的焓变△H。在用同样方法测量反应Fe（s）+Fe2（SO4）3（aq）=3FeSO4（aq）焓变的时候，发现把铁粉加入Fe2（SO4）3溶液中，有气体产生，用量热计无法测定其反应热，为什么？如何获得反应Fe（s）+Fe2（SO4）3（aq）=3FeSO4（aq）的焓变呢？请设计实验方案。设计意图：盖斯定律的最大价值在于可以利用实验测定的少量反