基于新課改中落實化學核心素養的教學實踐

傅英懿 范曉媛

摘要：以“化學反應與能量”為例，建構完整的體系能量調控的模型，并向學生滲透證據推理與模型認知，科學精神和社會責任，促進學生核心素養的全方位發展。

關鍵詞：建構模型;證據推理與模型認知;科學精神和社會責任

文章編號：1008-0546（2020）06-0071-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.019

一、設計背景：

1.高中化學學科核心素養

學生的核心素養是學生群體生活必備的素養和技能，是集品德和知識于一體的素質體現。北京師范大學林崇德教授指出：核心素養是關于學生知識、技能、情感、態度、價值觀等多方面要求的結合體;它指向過程，關注學生在其培養過程中的體悟，而非結果導向;同時，核心素養兼具穩定性與開放性、發展性，是一個伴隨終生可持續發展、與時俱進的動態優化過程，是個體能夠適應未來社會、促進終生學習、實現全面發展的基本保障。高中化學核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學精神與社會責任”五個方面。這五項內容的設定和描述，符合我國對于中學生核心素養的發展要求，體現出從化學角度看待、分析和解決化學問題的能力和基礎，關注于化學學科知識技能的學習、過程分析和方法解決的集合訓練、情感態度和價值取向等方面的教育，展現出化學學科獨特的魅力和品質特性。化學學科核心素養具體幫助我們提煉了應以什么樣的化學視角研究物質世界和看待化學變化，以什么樣的科學原則和方法來進行化學實踐活動，如何看待和建立化學的價值。

2.新課程改革

現有人教版教材中化學反應與能量主題揭示了化學反應與能量變化之間的關系，建構了化學反應中能量變化的實質、形式等一系列的知識體系。在新教材中對焓變、焓變與反應熱的關系要求有所提高，增加內能的概念。究其原因，學生在學習這部分內容時除了會進行簡單的反應熱計算，還應體會到化學反應與能量這部分內容的社會價值：不僅可以通過化學反應獲得能量，還可以借助調控條件控制化學反應的能量變化來滿足人們生產生活的需要。因此，本節課幫助學生建構完整的體系能量的調控模型，借此希望學生可以有意識的多角度的調控能量，感受焓變的社會價值。

二、教學設計：

化學反應與能量是高中化學課程考核的核心知識之一，也是高考考查的內容之一。學生對這一部分內容主要存在兩個認知障礙：（1）焓的定義，現行人教版教材將焓定義成與內能有關的物理量，有什么關系？什么是內能？（2）為什么要學習焓變？計算一個反應的焓變有什么用處？如何突破這兩個障礙點呢？主要采用以下方法：

1.創設問題情境引發認知沖突，克服思路障礙，發展宏觀辨識與微觀探析

問題情境指學生意識到的一種有目的卻不知如何達到這一目的的心理困境。這時學生就會急切地思考，借助各種知識，希望可以解決未知問題。

[創設情境]遇到寒冷天氣，人們取暖的方法有很多，比如熱水袋、空調、電暖氣、燃燒反應、搓手、多穿衣服等，獲得的能量從何而來呢？能不能從微觀角度分析能量的來源？

熱水袋、空調、燃燒反應這三個例子學生并不陌生，但以往從來沒有討論過能量的微觀來源，不過借助已有的物理、化學相關知識學生可以進行討論：熱水袋的能量來源是微觀粒子的熱運動，也就是微觀粒子的動能。空調制熱可以簡化成制冷劑的液化，幫助學生分析狀態的改變導致分子間作用力改變，改變了微觀粒子的勢能，從而實現了能量的傳遞。燃燒反應能量來源于鍵能，鍵能是原子間相互作用，也屬于微觀粒子勢能。借助問題情境的創設，引出內能的含義：物質自身各種形式能量的總和，主要包括微觀粒子動能和微觀粒子勢能。

設計意圖：以熱水袋、空調、燃燒反應為例，創設與學習主題相關的真實情境，學生能夠親身參與討論，從而引起學生的學習興趣。通過這一情景分析，幫助學生理解物質傳遞的能量是來自于物質自身的動能和勢能，完善學生原有的認知，開闊學生的思路，體現了學生從宏觀和微觀兩個視角研究物質能量變化的能力，幫助學生對能量的理解從宏觀過渡到微觀，培養了學生“宏觀辨識與微觀探析”的化學素養。

[提出問題]學習的焓變和內能有什么關系？

以學生常見的2H₂（g）+O₂（g）===2H₂O（1）反應為例，詳細闡述體積功的含義，從而完善焓變除了包括內能的變化量還有體積功。至此，突破了學生對于內能和焓變的概念障礙。補充了教材上對于內能定義的缺失，反應熱來源是內能的變化和體積功，幫助學生更好地理解焓和內能的關系。

設計意圖：作為一節化學反應與能量的復習課，對于概念的教學并不是傳統的講授式，而是通過學生的討論，利用物理學科中的相關知識實現了對概念的重塑，也深化了學生對焓變的理解。體現了學生對于概念理解的螺旋上升形態。

2.建構化學反應與能量的知識網絡

化學反應與能量具有豐富的學科價值和社會價值。它揭示了物質與能量的關系，建構了化學反應與能量變化的實質、原因等知識體系;它建構化學反應和能量的雙向關系：人們可以通過化學反應獲取能量，可以調控能量來控制化學反應，從而滿足人們的生產生活需求。因此學習焓變，也是為了建構化學反應與能量雙向關系而服務的。通過焓變，可以清楚地表征一個反應的能量變化，幫助人們從反應中獲取能量，那如何利用焓變來調控反應的能量呢？

（1）以焓變為核心，構建調控能量模型

[提出問題]影響焓變的因素有哪些？

對于焓變這部分內容學生最熟悉的是書寫熱化學方程式以及注意事項。因此以此作為切入點，幫助學生將零散的知識進行整合，總結出影響因素有：溫度、狀態、壓強、化學鍵的種類和數量、體積功。因此調控能量變化的途徑就是這些影響因素。

設計意圖：總結歸納出影響焓變的因素，這些因素也就是人們在調控反應能量的角度，從而建構了調控能量變化的模型，落實了證據推理與模型認知的核心素養。

（2）利用真實情境，突破價值障礙，落實科學精神與社會責任

化學反應所釋放的能量是現代能量的主要來源之一，利用航天事業中火箭燃料的選擇等問題發展學生對于化學反應與能量這部分知識的價值認知，不僅完善了學生的化學思想，也落實了核心素養中的科學精神與社會責任。具體實施主要包括以下三個部分：選擇燃料、分析助燃劑、調控推力。

[燃料選擇]氫氣和偏二甲肼是兩種航天燃料，依據數據你會如何選擇？

這一問題的設置主要是讓學生充分感受人類在利用化學反應獲取能量。但是對于火箭這種特殊的飛行器由于工作原理需要克服自身重力，因此燃料選擇需要考慮單位質量的燃料燃燒放出的熱量，而不是1mol燃料。因此從熱值的角度說氫氣這種燃料最好。但是除了要考慮熱值，還要從實際角度考慮環保、成本、技術等方面的問題，使用氫氣會存在很大的技術困難，因此分析問題除了要結合理論知識還要聯系具體實際。

設計意圖：通過對燃料選擇這一活動讓學生感受改變鍵能中的數量和種類兩個角度對能量進行調控。但同時還要考慮實際問題，氫氣的密度非常小，同等質量的燃料，H₂所占的體積就會很大，因此將其液化是必然趨勢。但是H₂沸點：-252.77℃，O₂沸點：-183℃、熔點-218.4℃，液化氫氣就會存在很多安全問題和技術問題，因此我國火箭常用燃料是偏二甲肼。

[分析助燃劑]火箭的真實情況中，偏二甲肼的助燃劑通常選用N₂O₄而不用O₂，為什么？

N₂O₄劇毒

密度：1443kg/m³

O₂密度：1.429kg/m³沸點：-183℃

設計意圖：給出資料，發散學生的思維，可以從熱值、助燃劑體積、環保、體積功等多個角度進行分析。在這些因素中最先考慮的應該是熱值問題，因此工程師改變助燃劑，從而改變化學鍵的種類，實現了調控能量變化的目的。在燃料確定的前提下，調控能量只能從助燃劑的種類進行調整，從而改變鍵能。讓學生感受利用模型可以對問題進行分析和解釋。

[調控推力]隨著我國航天技術的逐步發展，已經研制出以液氫、液氧為推進劑的環保、大推力長征5號火箭。能不能設計在燃料質量一定的前提下如何獲得更大的推力？

設計意圖：利用模型除了可以進行問題的分析和解釋，還可以提高學生的創造能力。要想獲得更大推力本質上也是在調控能量，此時推進劑的質量確定，那調控的角度就只能是改變溫度、改變狀態等物理變化，還可以改變接觸面積從而增加單位時間內燃料燃燒放出的熱量。因此在真實的情況中燃料先霧化再汽化，從而實現了獲取更大推力的目的。實現了學生對于模型的應用。同時長征5號的研制成功是科學家經過26年的不懈努力才實現的，也標志著我國航天事業的新的里程碑，讓學生感受化學學科的價值體現，并落實了科學精神和社會責任。

三、教學反思

1.落實化學學科核心素養

本節課通過建構體系能量調控的模型，不僅幫助學生深刻理解焓變和內能之間的關系，還幫助學生學會利用建構的模型分析解釋實際情境中的問題，并學會用模型設計改變體系能量變化的途徑。如此設計有助于學生理解化學反應與能量的社會價值，整堂課的設計思路為：建構調控能量變化的模型→利用模型進行簡單的問題分析→利用模型進行實際情境的設計，邏輯清晰，層次分明，落實了證據推理與模型認知的化學學科核心素養。以火箭燃料的選取作為背景，讓學生感受到火箭研制的艱辛，落實科學態度和社會責任。

2.學生的參與意識強，主題作用明顯

在整節課中以問題作為驅動，搭建有層次有梯度的問題鏈，學生的參與程度很高，討論很熱烈，避免了傳統灌輸式授課。通過學生充分的討論，讓他們可以感悟出能量調控的重要性，感受到學習化學反應與能量的重要性。

3.合理選取教學策略和教學材料

人教版選修四化學反應與能量這部分內容在高考中所占比重不大，又由于知識本身比較容易，所以往往容易被學生所忽視。本節課以航天燃料為素材，以問題鏈作為驅動，以建構的模型為背景，帶領學生共同探索燃料選擇的奧秘，讓學生有一種既陌生又熟悉的感覺，增強學生的認知程度。

在高中化學教學中落實化學的核心素養與教學內容和方法有著密切的聯系。在教學中，要充分發揮學生的主體地位，教師要引導學生將化學知識應用到實際生活中，提高學生分析問題、解決問題的能力，從而發展學生的核心素養。