“四重表征”在“化學(xué)反應(yīng)速率”教學(xué)中的價(jià)值

摘要：從2007年至2012年間全國(guó)各省市地區(qū)共82份高考題人手，根據(jù)“四重表征”模式，對(duì)“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以看到這類(lèi)高考題所體現(xiàn)的特點(diǎn)與“四重表征”緊密結(jié)合。結(jié)合“四重表征”模式，對(duì)“化學(xué)反應(yīng)速率”教學(xué)實(shí)施內(nèi)容與環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)研究載體選取和探究方法設(shè)計(jì)提出了針對(duì)性建議。

關(guān)鍵詞：化學(xué)高考題；化學(xué)反應(yīng)速率；四重表征；教學(xué)

文章編號(hào)：1005-6629（2012）11-0058-04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1、前言

“多重表征”作為化學(xué)學(xué)科獨(dú)特的表征模式，已經(jīng)取得了諸多研究成果。傳統(tǒng)的“三重表征”包括“宏觀(guān)表征”、“微觀(guān)表征”、“符號(hào)表征”。在此基礎(chǔ)上，錢(qián)揚(yáng)義等人提出了“曲線(xiàn)表征”，將“三重表征”發(fā)展為“四重表征”，并經(jīng)過(guò)多項(xiàng)教學(xué)實(shí)踐研究，得到“四重表征”教學(xué)模式有助于加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)的結(jié)論。

“化學(xué)反應(yīng)速率”包括化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算、比較，化學(xué)反應(yīng)速率影響因素的探究等內(nèi)容。以人教版高中化學(xué)教材為例，必修、選修模塊均涉及這一內(nèi)容。在選修教材《化學(xué)反應(yīng)原理》中，“化學(xué)反應(yīng)速率”為后續(xù)“化學(xué)平衡”的學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，具有重要作用。

筆者統(tǒng)計(jì)了2007年至2012年六年全國(guó)各省、市、地區(qū)共82份高考試題中與“化學(xué)反應(yīng)速率”有關(guān)的試題。出現(xiàn)此類(lèi)題目的高考試卷共54份，占65.85%之多。可見(jiàn)，“化學(xué)反應(yīng)速率”是較為常見(jiàn)的高考考點(diǎn)。

“化學(xué)反應(yīng)速率”的定量探究實(shí)驗(yàn)涉及大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定性探究實(shí)驗(yàn)則要求觀(guān)察對(duì)比組的現(xiàn)象變化。無(wú)論選取什么樣的實(shí)驗(yàn)研究載體，無(wú)論將“化學(xué)反應(yīng)速率”的探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成哪種類(lèi)型，在探究過(guò)程中都涉及反應(yīng)現(xiàn)象觀(guān)察等宏觀(guān)表征、粒子濃度變化等微觀(guān)表征、方程式表述等符號(hào)表征。不僅如此，連續(xù)定量測(cè)定還涉及反應(yīng)的圖像曲線(xiàn)等曲線(xiàn)表征。由此可見(jiàn)，“四重表征”是研究化學(xué)反應(yīng)速率的重要表征模式，也是研究“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題重要的理論基礎(chǔ)和研究方法。

2、“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的研究方法

依據(jù)《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)探究實(shí)驗(yàn)的定義，可以將“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實(shí)驗(yàn)劃分為“提出問(wèn)題”、“猜想與假設(shè)”、“制定計(jì)劃”（設(shè)計(jì)方案）、“進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”、“收集證據(jù)”、“解釋與結(jié)論”、“表達(dá)與交流”7個(gè)步驟。“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題也是就某一實(shí)驗(yàn)研究載體，在這7個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟中設(shè)計(jì)試題。

根據(jù)錢(qián)揚(yáng)義等人提出的“四重表征”定義分析各個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟可以發(fā)現(xiàn)，“四重表征”模式是“化學(xué)反應(yīng)速率”實(shí)驗(yàn)研究的重要方法，表1為“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實(shí)驗(yàn)各步驟涉及的表征形式。據(jù)此，筆者應(yīng)用“四重表征”模式，分析“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的特點(diǎn)。

3、“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的統(tǒng)計(jì)概況

《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在必修2專(zhuān)題2“化學(xué)反應(yīng)與能量”、選修4主題2“化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡”中對(duì)“化學(xué)反應(yīng)速率”知識(shí)點(diǎn)提出了內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)：

①通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)、測(cè)定某些化學(xué)反應(yīng)的速率；

②知道化學(xué)反應(yīng)速率的定量表示方法；

③知道活化能對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響；

④通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究溫度、濃度、壓強(qiáng)和催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，認(rèn)識(shí)其一般規(guī)律；

⑤認(rèn)識(shí)催化劑在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重大作用。

根據(jù)《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)“化學(xué)反應(yīng)速率”的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，筆者將相關(guān)高考題界定為涉及以上內(nèi)容的試題。“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題常與“化學(xué)平衡”內(nèi)容相結(jié)90但是在本研究中，筆者僅統(tǒng)計(jì)涉及“化學(xué)反應(yīng)速率”內(nèi)容的題目，共109小題，分散在70道大題中。題型包括填空、選擇、主觀(guān)問(wèn)答、計(jì)算以及繪圖。通過(guò)統(tǒng)計(jì)2007年至2012年各年份“化學(xué)反應(yīng)速率”試題的題量（見(jiàn)圖1），發(fā)現(xiàn)題量大體呈上升趨勢(shì)，在2010年達(dá)到頂峰。

4 “化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的考查視角

根據(jù)“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實(shí)驗(yàn)的一般步驟，筆者對(duì)“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的考查內(nèi)容進(jìn)行分類(lèi)，主要有實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述、曲線(xiàn)分析及曲線(xiàn)預(yù)測(cè)與繪制、化學(xué)反應(yīng)速率計(jì)算與比較、理論分析與微觀(guān)解析、實(shí)驗(yàn)結(jié)論總結(jié)、方程式書(shū)寫(xiě)等（見(jiàn)圖2）。

分析可知，“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題既考查學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的“宏觀(guān)表征”能力，也考查學(xué)生進(jìn)行理論分析與微觀(guān)解析的“微觀(guān)表征”能力，還考察學(xué)生書(shū)寫(xiě)方程式、公式計(jì)算的“符號(hào)表征”能力以及曲線(xiàn)分析、預(yù)測(cè)、繪制的“曲線(xiàn)表征”能力。“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題與“四重表征”模式緊密結(jié)合是這類(lèi)題目的整體特點(diǎn)。

筆者應(yīng)用“四重表征”模式為理論基礎(chǔ)，又從研究載體、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式、考查方式等方面，進(jìn)一步分析“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的特點(diǎn)。

4.1 研究載體多樣，不限反應(yīng)類(lèi)型

“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題常以實(shí)驗(yàn)為依托設(shè)計(jì)問(wèn)題。其中所選擇的實(shí)驗(yàn)研究載體，既有無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)、有機(jī)化學(xué)反應(yīng)等真實(shí)反應(yīng)，也有一類(lèi)以A、B、C表示的虛擬反應(yīng)。

例如2011年重慶理綜卷第10題：一定條件下，下列反應(yīng)中水蒸氣含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化趨勢(shì)符合下圖的是：

在這道典型的“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中，以無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)、有機(jī)化學(xué)反應(yīng)兩種類(lèi)型多個(gè)反應(yīng)為研究載體，考查外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

而2011年全國(guó)卷28題的研究載體卻為“aA（g）+6B（g）=（催化劑）cC（g）（△H<0）”。這一類(lèi)虛擬反應(yīng)不受反應(yīng)事實(shí)的限制，可根據(jù)考查需要“量身定制”。

可見(jiàn)高考題的研究載體不受反應(yīng)類(lèi)型的限制，具有“研究載體多樣性”的特點(diǎn)，表2為相關(guān)高考題中研究載體的分布情況。

4.2 數(shù)據(jù)形式豐富，以圖像曲線(xiàn)為典型

數(shù)據(jù)采集是探究實(shí)驗(yàn)中“收集證據(jù)”的重要子步驟。數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式又是多樣化的，包括：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，例如測(cè)得的反應(yīng)時(shí)間15 s；“字母代表”型數(shù)據(jù)，例如amol·L^-NaCl溶液；“文字描述”型數(shù)據(jù)，例如對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述；“圖像曲線(xiàn)”型數(shù)據(jù)，例如連續(xù)定量測(cè)定得到的圖像曲線(xiàn)等。

在70道“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中，有49道（70%）題目通過(guò)給出數(shù)據(jù)提出問(wèn)題，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式的種類(lèi)及其題量如表3所示。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看到，“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式具有多樣性，以“圖文并茂”的新面貌取代舊時(shí)呈現(xiàn)方式的單一性。

“曲線(xiàn)表征”是研究“化學(xué)反應(yīng)速率”重要的表征形式。在70道“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中，以“圖像曲線(xiàn)”呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的試題總共28道題（40%）。—方面，在“化學(xué)反應(yīng)速率”定量探究實(shí)驗(yàn)中，連續(xù)測(cè)量物理量在反應(yīng)過(guò)程中的變化情況，通過(guò)曲線(xiàn)上各點(diǎn)切線(xiàn)斜率的變化可以了解化學(xué)反應(yīng)速率的變化，也可以通過(guò)某一時(shí)段的物理量差值計(jì)算平均反應(yīng)速率，培養(yǎng)學(xué)生圖像信息采集與處理能力。另一方面，通過(guò)“曲線(xiàn)表征”認(rèn)識(shí)反應(yīng)，繪制反應(yīng)圖像曲線(xiàn)，要求學(xué)生聯(lián)系反應(yīng)的“宏觀(guān)表征”與“微觀(guān)表征”，由此培養(yǎng)學(xué)生的信息遷移能力。

以2009年福建省理綜卷化學(xué)部分28題為例：“Fenton法常用于處理含難降解有機(jī)物的工業(yè)廢水，通常是調(diào)節(jié)好pH和Fe²⁺濃度的廢水中加入H₂O₂，所產(chǎn)生的羥基自由基能氧化降解污染物。現(xiàn)運(yùn)用該方法降解有機(jī)污染物p-CP，探究有關(guān)因素對(duì)該降解反應(yīng)速率的影響。

[實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)]控制p-CP的初始濃度相同，恒定實(shí)驗(yàn)溫度在298K或313K（其余實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)下表），設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

（1）請(qǐng)完成以下實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表（表中不要留空格）。

[數(shù)據(jù)處理]實(shí)驗(yàn)測(cè)得p-CP的濃度隨時(shí)間變化的關(guān)系如上圖。

（2）請(qǐng)根據(jù)上圖實(shí)驗(yàn)①曲線(xiàn)，計(jì)算降解反應(yīng)在50～150 s內(nèi)的反應(yīng)速率：v（p-CP）=_______mol·L^-1·s^-1。

[解釋與結(jié)論]

（3）實(shí)驗(yàn)①、②表明溫度升高，降解反應(yīng)速率增大。但溫度過(guò)高時(shí)反而導(dǎo)致降解反應(yīng)速率減小，請(qǐng)從Fenton法所用試劑H202的角度分析原因：__________。

[思考與交流]

（5）實(shí)驗(yàn)時(shí)需在不同時(shí)間從反應(yīng)器中取樣，并使所取樣品中的反應(yīng)立即停止下來(lái)。根據(jù)上圖中的信息，給出一種迅速停止反應(yīng)的方法：__________________。

這一道“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題以“曲線(xiàn)表征”形式反映反應(yīng)過(guò)程。基于圖像曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，考查學(xué)生推測(cè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，讀取數(shù)據(jù)計(jì)算反應(yīng)速率，從微觀(guān)角度分析曲線(xiàn)變化趨勢(shì)，并得出結(jié)論——這是一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，重在考查學(xué)生“四重表征”的遷移、轉(zhuǎn)化能力。

這一類(lèi)考查“曲線(xiàn)表征”能力的題目是“化學(xué)反應(yīng)速率”、“化學(xué)平衡”、“化學(xué)反應(yīng)過(guò)程能量變化”等反應(yīng)原理試題特有的。在70道“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中共有19道“曲線(xiàn)分析、預(yù)測(cè)與繪制”題，出現(xiàn)頻率較高。

4.3 考查方式多樣，多重角度進(jìn)行表征

由“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題各主要考點(diǎn)的題量統(tǒng)計(jì)結(jié)果看到，在70道涉及“化學(xué)反應(yīng)速率”的高考題中，有49道（70.0%）題目涉及反應(yīng)速率的計(jì)算、比較，考查學(xué)生化學(xué)反應(yīng)速率的定量計(jì)算、定性比較能力，出現(xiàn)頻率最高。根據(jù)“四重表征”模式，定量計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率的公式屬于反應(yīng)速率的“符號(hào)表征”。

反應(yīng)速率的計(jì)算、比較在“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中的考查方式是多樣的，包括“直接給出數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算”、“要求學(xué)生從數(shù)據(jù)表格中讀取數(shù)據(jù)并計(jì)算”、“要求學(xué)生從圖像曲線(xiàn)提取數(shù)據(jù)并計(jì)算”以及“根據(jù)理論定性預(yù)測(cè)反應(yīng)速率的大小”。通過(guò)不同的考查方式考查學(xué)生多種表征方式間的轉(zhuǎn)化能力以及數(shù)據(jù)處理能力，2009年福建省理綜卷化學(xué)部分28題第（2）小題便是“要求學(xué)生從圖像曲線(xiàn)提取數(shù)據(jù)并計(jì)算”的典型例子。

筆者統(tǒng)計(jì)各種考查方式在這49道高考題中的出現(xiàn)次數(shù)，發(fā)現(xiàn)“要求學(xué)生從數(shù)據(jù)表格中讀取數(shù)據(jù)”、“要求學(xué)生從圖像曲線(xiàn)提取數(shù)據(jù)”兩種考查方式出現(xiàn)頻率較高（見(jiàn)表4）。

在“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中其他考點(diǎn)的考查方式也同樣具有多樣性的特點(diǎn)，這是“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實(shí)驗(yàn)可從多重角度進(jìn)行表征的性質(zhì)所決定的。

5、研究結(jié)論與啟示

5.1 “化學(xué)反應(yīng)速率”高考題研究的結(jié)論

從2007年至2012年六年間全國(guó)各省、市、地區(qū)的82份高考卷中與“化學(xué)反應(yīng)速率”相關(guān)的70道高考題來(lái)看，其特點(diǎn)為：

（1）‘化學(xué)反應(yīng)速率”高考題涉及的研究載體豐富而不限類(lèi)型，甚至包括虛擬反應(yīng)；

（2）但無(wú)論是何種實(shí)驗(yàn)類(lèi)型，高考題的考查內(nèi)容均依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；

（3）研究發(fā)現(xiàn)，曲線(xiàn)是“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中兩種主要的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式之一。與此同時(shí)，對(duì)曲線(xiàn)的分析是這一類(lèi)高考題重要的考查方式之一。

除此之外，“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實(shí)驗(yàn)作為高中階段經(jīng)典定量實(shí)驗(yàn)，“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題還考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述、實(shí)驗(yàn)結(jié)論總結(jié)的“宏觀(guān)表征”能力，理論分析與微觀(guān)解析的“微觀(guān)表征”能力，方程式書(shū)寫(xiě)、公式計(jì)算的“符號(hào)表征”能力。

總體而言，“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題與“四重表征”緊緊聯(lián)系，其中“曲線(xiàn)表征”又體現(xiàn)了尤為突出的地位。

5.2 “化學(xué)反應(yīng)速率”的教學(xué)實(shí)施建議

5.2.1 對(duì)“四重表征”模式教學(xué)實(shí)施的建議

根據(jù)本研究得出的結(jié)論，“四重表征”是“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實(shí)驗(yàn)的重要研究方法，高考題與之緊密聯(lián)系。“四重表征”模式也將是“化學(xué)反應(yīng)速率”教學(xué)重要的教學(xué)模式。

在教學(xué)過(guò)程中，可適當(dāng)?shù)卦鲈O(shè)曲線(xiàn)繪制、曲線(xiàn)分析等教學(xué)內(nèi)容，豐富“化學(xué)反應(yīng)速率”實(shí)驗(yàn)的探究方式，并將“曲線(xiàn)表征”教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)中的“宏觀(guān)表征”、“微觀(guān)表征”、“符號(hào)表征”緊密聯(lián)系。既可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的多重表征能力，也可以培養(yǎng)學(xué)生不同表征間的轉(zhuǎn)化、遷移能力，由此加深學(xué)生對(duì)“化學(xué)反應(yīng)速率”內(nèi)容的理解及掌握程度。

以“影響反應(yīng)速率的因素”內(nèi)容為例，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可設(shè)置表5所示教學(xué)環(huán)節(jié)的建議，實(shí)施“四重表征”教學(xué)模式。

5.2.2 對(duì)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)研究載體選取的建議

筆者對(duì)人教版教材中涉及“化學(xué)反應(yīng)速率”的相關(guān)章節(jié)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)各個(gè)探究實(shí)驗(yàn)方案的研究載體，除了草酸與高錳酸鉀的反應(yīng)，其余都是無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)。而草酸與高錳酸鉀的反應(yīng)能否歸類(lèi)于有機(jī)反應(yīng)還有很大爭(zhēng)議。教材中實(shí)驗(yàn)載體的單一性，常常限制教師的教學(xué)。而“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的研究載體確實(shí)是豐富而多變的。根據(jù)這樣的啟示，教師可根據(jù)學(xué)生的知識(shí)能力水平設(shè)計(jì)其他反應(yīng)類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)方案，引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理的理解。

例如乙酸乙酯水解反應(yīng)受溫度影響較為明顯，可設(shè)計(jì)為探究“溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響”的實(shí)驗(yàn)。人教版選修教材《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》第三章第3節(jié)第二部分“科學(xué)探究”，通過(guò)限時(shí)定量測(cè)定對(duì)比組液面高低變化，探究溫度、溶液酸堿度對(duì)反應(yīng)速率的影響。此外，王立斌等人運(yùn)用手持技術(shù)儀器連續(xù)測(cè)定乙酸乙酯水解反應(yīng)，探究濃度、溫度對(duì)反應(yīng)的影響。

5.2.3 對(duì)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)探究方法設(shè)計(jì)的建議

“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題已不拘泥于定性實(shí)驗(yàn)探究，還突出了實(shí)驗(yàn)的“曲線(xiàn)表征”。根據(jù)這一特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生“曲線(xiàn)表征”能力不僅需要適當(dāng)增加“曲線(xiàn)表征”教學(xué)環(huán)節(jié)，還應(yīng)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)進(jìn)行方法指導(dǎo)、培養(yǎng)。

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的條件下，可將部分簡(jiǎn)單定量實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)成連續(xù)定量測(cè)量實(shí)驗(yàn)。以鋅與稀硫酸、雙氧水的分解等有氣體產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)為例，可參考選修教材《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章第1節(jié)實(shí)驗(yàn)2-1的裝置，定時(shí)記錄注射器或其他氣體體積測(cè)量裝置的讀數(shù)變化，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制成V-t曲線(xiàn)，并進(jìn)一步完成對(duì)比組的曲線(xiàn)繪制。

隨著現(xiàn)代連續(xù)定量測(cè)量?jī)x器走進(jìn)課堂，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用先進(jìn)儀器，突破傳統(tǒng)儀器的局限，實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)測(cè)量，并繪制曲線(xiàn)。而“手持技術(shù)”儀器不僅可以完成曲線(xiàn)繪制，還可以同步記錄反應(yīng)現(xiàn)象，輔助“四重表征”教學(xué)。