談基于學生認知能力的“化學能與熱能”教與學

楊圣群

（湖南省瀘溪縣第一中學湖南瀘溪416100）

談基于學生認知能力的“化學能與熱能”教與學

楊圣群

（湖南省瀘溪縣第一中學湖南瀘溪416100）

根據學生的認知規律，通過對教材的比較分析和挖掘，從微觀化學鍵角度和宏觀能量角度分析化學反應中的能量變化，理清它們的相互關系，構建知識體系，加深學生對知識的理解和掌握，培養學生的思維能力，提高教學效率和學習效果，實現有效教學目的。

認知能力；能量；化學鍵；有效教學

在高一人教版《化學》(必修2)“化學能與熱能”的教學過程中,由于概念多,又抽象,相互關系復雜,學生整體把握不好,尤其是“化學鍵與化學反應中的能量變化”。因為從微觀角度(化學鍵)進行分析,它包含了斷裂化學鍵吸收能量和形成鍵放出能量,當化學反應最終是吸收能量還是放出能量,又和這兩者的相對大小有關,使學生暈頭轉向,無所適從。從宏觀角度(能量)分析,學生又分不清能量是“體系”的能量還是“環境”的能量,只能機械的記住結論,運用時常常搞錯。如果把微觀分析和宏觀分析相結合,學生難以將它們聯系起來,經常得出自相矛盾的結論。另外,物質本身具有的能量和化學鍵的鍵能及物質的穩定性之間的關系,化學反應能量變化與反應條件之間的關系,也是學生難以區別和理解。在教學中只有明晰概念,理清關系,才能解決教學中的難點,使學生很好地掌握本節課知識,提高教學效率,實現有效教學,筆者就這些疑難問題進行深入探究。

一、通過教材分析，明確教學目標

能源與人類的生存和發展息息相關,化學反應在人類利用能源的歷史過程中充當了關鍵角色,化學能在人類的生命活動、日常生活、生產和科研等領域都有重要應用。新課程標準關于化學反應和能量的內容在初中化學、高中必修模塊和選修模塊中均有安排,下面就相關內容在三種教材中的呈現方式進行比較。

表1 相關知識在不同教材的比較

一堯焓變反應熱：提主要內容一堯化石燃料：介紹了煤堯石油和天然氣的形成堯成分及用途二堯化學反應中的能量變化：介紹了放熱和吸熱現象，了解化學反應產生的能量的應用。一堯化學鍵與化學反應中能量變化的關系：從化學鍵知識入手，定性地分析化學鍵與能量之間的密切聯系，揭示了化學反應中能量變化的主要原因。從宏觀角度用示意圖的形式表示化學反應的能量變化。二堯化學能與熱能的相互轉化：讓學生在實驗探究中認識和感受化學能與熱能之間相互轉化及其研究過程，引出吸熱反應和放熱反應的術語（涵義）。出了焓變（△H）和反應熱，從微觀角度（化學鍵）定量地分析化學反應過程中的能量變化。從宏觀角度用圖示的方法表示化學反應過程中的能量變化。二堯熱化學方程式：通過熱化學方程式來定量描述和計算反應熱。實踐活動：中和反應反，應熱的測定。

從表中分析發現,初中化學從燃料的角度初步學習了“化學與能源”的一些知識,見識放熱反應和吸熱反應現象。必修模塊側重定性分析和描述,引出吸熱反應和放熱反應的術語(涵義)。在選修模塊則從科學概念的層面和定量的角度深入地學習,得出吸熱反應和放熱反應的概念。這樣的編排在具體內容上前后還有交叉和重疊,既體現了學習的階段性,又體現了知識層次性,使學生概念的形成和發展呈現一種螺旋式上升的形態,符合辯證法的認識規律,通過認識教材編排意圖,把握教學目標。

二、從微觀角度分析，掌握能量變化的實質

我們知道物質中的原子之間是通過化學鍵結合而形成的,物質在發生化學反應時,不但有新物質的生成,同時有化學鍵的斷裂和形成。斷裂反應物的化學鍵要吸收能量〔稱作Ε(反應物鍵能)〕,形成生成物的化學鍵要放出能量〔稱作Ε(生成物鍵能)〕,化學鍵的斷裂和形成是物質在化學反應中能量變化的主要原因。在反應中,既有反應物中化學鍵的斷裂,又有生成物中化學鍵的形成,那么,化學反應究竟是吸收能量還是放出能量則由斷鍵吸收能量和成鍵放出能量兩者的相對大小決定。由于這樣的分析比較抽象,學生難以理解和掌握,在教學中我們可以將“兩者的相對大小”轉化為數學語言“兩者差”,借助焓變(△H)來學習,可以將上述分析表示成為一個公式：△H=Ε(反應物鍵能)-Ε(生成物鍵能)。

當△H為“-”或△H＜0時〔即Ε(反應物鍵能)＜Ε(生成物鍵能)〕,為放出能量(放熱反應);

當△H為“+”或△H＞0時〔即Ε(反應物鍵能)＞Ε(生成物鍵能)〕,為吸收能量(吸熱反應)。

雖然這種定量分析的方法要在高二選修模塊學習,但是,通過必修教材對化學鍵的分析,提前引入該方法已是水到渠成的事。實踐證明,這種借助于數學邏輯思維的方法,既能進行定性分析,又能進行定量計算,學生能夠很好的掌握。

三、從宏觀角度分析，把握能量守恒定律

任何一個化學反應,反應物所具有的總能量(或總化學能)與生成物所具有的總能量(或總化學能)均不相等,因此,在化學反應中總是伴隨著能量變化。一個確定的化學反應結果是吸收熱量還是放出熱量,取決于反應物的總能量與生成物的總能量相對大小。

由于教材編排是在分析微觀化學鍵后突然得出這樣一個宏觀的結論,對學生而言是難以理解的,雖然用水能、化學能變化對比示意圖形象地進行表示,學生也只是知其然,不知其所以然,只是機械的記住結論,在應用時經常出錯。究其原因,首先,要弄清“體系”和“環境”的關系,我們把“被研究的物質系統稱為體系,體系以外的其他部分稱為環境。”其次,這里的“反應物的總能量”和“生成物的總能量”是指“體系”即物質的總能量;“放出能量”和“吸收能量”是指“環境”接受的能量和提供的能量;就整個過程而言,能量是守恒的。在這些知識的鋪墊之下,我們可以換用一種數學方程的形式表示,學生就一目了然,加深對結論的理解和掌握：

當放出能量時,反應物的總能量=生成物的總能量+放出能量,有Ε(反應物總能量)＞Ε(生成物總能量),即反應物所儲存的能量一部分轉移到生成物中,另一部分釋放到環境中。

當吸收能量時,反應物的總能量+吸收能量=生成物的總能量,有Ε(反應物總能量)＜Ε(生成物總能量),即反應過程中需要從環境吸收能量,這部分能量和反應物的能量都儲存在生成物中。

四、進行綜合分析，理清相互關系

首先要理清物質本身的能量與化學鍵能量及熱穩定性的辯證關系。這只是同一事物的不同方面,物質本身具有的能量越低時,化學鍵的鍵能越大,說明其結構越穩定,熱穩定性就越強,斷裂其化學鍵所吸收的能量就越高,而形成該化學鍵所釋放的能量就越多。

其次要理清化學反應能量變化和反應條件的關系。化學反應的能量變化取決于吸收能量和放出能量的相對大小,與發生反應的條件沒有必然的聯系。有些放熱反應需要先加熱再反應放熱,例如煤炭的燃燒;有些吸熱反應在常溫下就發生,例如氫氧化鋇晶體和氯化銨晶體反應。

最后還要理清能量變化和物質變化的關系。化學變化一定伴有能量變化,但是伴有能量變化的物質變化不一定都是化學變化,也可能是物理變化,如冰、水、水蒸氣的轉化就有能量變化。

五、進行歸納總結，構建知識體系

將知識總結歸納,按知識的內在聯系進行系統的整理,運用對比的方法可以使學生全面了解各種事物之間的區別和聯系,形成準確的概念,有利于儲存更多的信息。建構主義認為,學生主動參與知識的建構過程中,可以大大提高學生的認知結構的可利用性,順利的升華為能力。

表2 化學反應與能量變化相互關系

六、精選習題，反饋教學效果

精選習題不但有訓練、鞏固、復習的功能,而且能發揮激勵、反饋、和調控作用,還是對課堂教學的延伸和拓展,同時也是溝通知識與創新的橋梁。下面通過兩道習題來檢測學生對知識的掌握情況。

練習1.已知反應X+Y=M+n為吸熱反應,對這個反應的下列說法中正確的是()

A.X的能量一定低于M的能量,Y的能量一定低于n的能量

B.X和Y的總能量一定低于M和n的總能量

C.破壞反應物中的化學鍵所吸收的能量小于形成生成物中化學鍵所放出的能量

D.因為該反應為吸熱反應,故反應一定要加熱才能進行

該題主要檢測了學生對吸熱反應和放熱反應概念的掌握,同時從宏觀物質能量角度和微觀化學鍵角度考查了對化學反應與能量變化的判斷方法,讓學生進一步明確化學反應的能量變化與反應條件無必然聯系。

練習2.下列表中的數據是破壞1mol物質中的化學鍵所消耗的能量(kJ)。

物質Cl2Br2I2HCl HBr HI H2能量（kJ) 243 193 151 432 366 298 436

根據上述數據回答下列問題：

(1)下列物質本身具有的能量最低的是()

A.H2B.Cl2C.Br2D.I2

(2)下列氫化物中最穩定的是()

A.HCl B.HBr C.HI

(3)X2+H2=2HX(X代表Cl、Br、I)的反應是吸熱反應還是放熱反應？----。

(4)相同條件下,等物質的量的氫氣和X2(X代表Cl、Br、I)反應時,放出或吸收的熱量最多的是-----。

(5)若無表中的數據,你能正確回答出問題(4)嗎？-----,你的根據是----。

該題主要通過微觀角度考查了化學鍵與物質的能量及性質之間的關系,通過定量計算得出化學反應能量變化的定性結論,同時和以前學過元素化合物性質及元素周期律知識結合在一起,使學生知道不但可以由實驗方法得出結論,而且還可以由物理數據計算出結果,體現了理論對實踐的指導作用和實踐對理論的檢驗,給學生指出思考和解決問題的不同方法。

七、進行教學反思，提高對新課程的認識

新課程提出了有效教學,簡單的說就是有效果、有效率、有效益的教學,在有限的課堂教學時間內,實現新課程教學目標。在本節課的教學中,通過對教學內容的合理處理,教學方法的改進,對教學中存在的疑難問題抽絲剝繭、層層深入,突破了本節知識的難點,其他知識就能迎刃而解,由練習反饋和課后調查了解得知,學生都掌握得很好,能很好的實現教學目標。

新課程改革,新教材的改變很大,與舊教材相比最大的區別就是不再講究知識的系統性和邏輯性,有的相關知識多次出現,逐漸加深,體現和遵循學生的心理特征和認知規律。由于學科知識有其自身規律和系統性,這種知識階段性學習的要求往往會使學生一知半解,在理解和掌握上產生一定的困難,這也是處在新課程改革最前沿的師生常常困惑的地方。當然,有壓力才有動力,有挑戰才有機遇,教師只有轉變新課程理念,深入研究教材和學生,把握不同階段的教學目標,想方設法提高教學效率和學習效果,才能實現有效教學。

［1]王必翔主編.高中新課標同步攻略.化學2：必修［M].北京：首都師范大學出版社，2009：27-31

［2]鄺賢毅.提高化學習題教學效果的實施策略［J].化學教育，2008，（3）：30-32

［3]劉永紅.新課程下化學習題教學的思考與嘗試［J].中學化學教學參考，2008，（4）：10-11

［4]肖成全等編著.有效教學［M].大連：遼寧師范大學出版社，2006：15-17

1008-0546（2011）03-0020-03

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2011.03.010