基于創新實驗設計促進概念認知的實踐
——以“化學反應的快慢”為例

◎ 朱 康 張 恒

一、問題提出

《普通高中化學課程標準（2017年版）》明確提出，化學學科核心素養是學生必備的科學素養，是學生終身學習和發展的重要基礎，化學課程對于科學文化的傳承和高素質人才的培養具有不可替代的作用。［1］化學概念是化學課程的重要組成部分，是學生構建高中化學知識體系的基礎，是發展學生核心素養的重要途徑之一。如果學習者的認知結構中沒有形成清晰準確的化學概念，就不可能真正地掌握化學學科內在的聯系和規律。

化學是一門以實驗為基礎的自然科學。化學概念大多是在實驗的基礎上分析、總結出來的，實驗是發展學生核心素養的重要手段之一。通過對實驗進行設計、觀察和分析，培養學生的探究能力和思維能力，從而加深學生對概念的認識和理解。認知發展先行者皮亞杰認為，能夠刺激認知發展的最有效的方法之一，是人為地制造認知失衡，即當個體的經驗和期望不匹配時，不平衡的認知沖突就會出現。筆者以必修 “化學反應的快慢”為例，探索通過創新實驗設計，制造認知沖突，促進學生對化學反應速率概念的認知，發展化學學科核心素養。

二、教學設計

（一）課標及學情分析

通過對比必修和選擇性必修課標內容及學業要求，筆者發現兩者的要求有明顯的差異：必修階段突出控制變量方法在研究化學反應中的重要作用，通過探究實驗感受條件對化學反應速率的影響，逐步構建化學反應速率的概念；選擇性必修則要求能夠運用原理合理解釋化學反應速率變化的原因，體現概念認知發展的層次性。

學生在學習本節課之前，已經初步了解化學反應有快有慢、部分條件對化學反應快慢的影響，也知道可以通過控制變量的方法設計實驗，探究影響化學反應快慢的因素，但學生對化學反應快慢的理解是感性的，缺乏科學性和嚴謹性。對影響化學反應速率的因素的認識是淺顯的、片面的。因此，要讓學生在已有知識的基礎上，學會定量判斷化學反應的快慢，設計實驗探究影響化學反應快慢的因素。

（二）設計思路

對比不同版本現行高中化學教材的欄目設置，我們發現許多共同之處，都是通過生產、生活或實驗實例感受化學反應有快有慢，均突出運用控制變量實驗方法的重要性，通過體驗活動，感受影響化學反應速率的因素，都側重溫度、催化劑在改變化學速率方面的影響。具體內容見表1。

基于對課標、學情和教材的分析，本節課的設計遵循著由淺到深、由簡單到復雜、由定性到定量的一般規律。傳統的教學模式對于化學反應速率的定義往往是直接給出，缺乏過程性的學習，學生更多的是記憶而非理解，不符合學生的認知規律，也不利于發展學生的核心素養。如何在學生已有一定了解的基礎上，激發學生興趣，引導學生探究，通過創新實驗設計，利用認知沖突，促進化學反應速率概念的形成，具體設計見表2。

表1 不同版本必修教材欄目對比

表2 實驗設計和認知沖突關系

三、教學過程

（一）紙片燃燒，感受化學反應的快慢

通過用帶火星的木條，引燃看似完全相同的普通紙片和硝化纖維，學生直觀感受到燃燒現象的巨大反差，引發對燃燒反應快慢背后原因的思考，為后續設計對照實驗，探索影響化學反應快慢的外因和最終揭示影響化學反應快慢的內因埋下伏筆。

【設計意圖】在傳統概念教學中，教師更注重知識的傳授與講解，常用的教學方法是給出定義，通過習題進行辨析與理解，學生往往處于被動學習的狀態，缺乏學習興趣，課堂參與度低，難以落實核心素養。本節課利用普通的“紙片燃燒”實驗，讓學生直觀感受化學反應的快慢，產生認知沖突，激發學生的好奇心和求知欲。

（二）對照實驗，比較化學反應的快慢

以生活中的燃燒現象及具體化學反應作為研究對象，歸納哪些實驗現象可以判斷化學反應的快慢。教師設計并實施“比較MnO2、CuO和Fe2O3粉末對H2O2分解的催化效果”對照實驗，通過實驗方案細節的推敲，不斷提高細化認識程度，發展學生的認知水平，達到實驗預期目標的同時，對于難以準確比較的客觀事實，再次創設了深度思考的情境，符合技術發展促進人類認知能力提升的一般規律。

【設計意圖】在傳統教學中，由于課時、安全等諸多因素，對實驗的重視程度不足，而且驗證性實驗居多，但實驗是落實化學學科核心素養的一個重要工具，也是化學課程目標之一。本節課關注學生的已有知識，尊重學生的認知發展，充分發揮學生的主觀能動性，引導學生設計實驗方案“比較不同催化劑對過氧化氫分解的催化效果”，并進行實驗，再通過實驗結果產生認知沖突，創設真實問題情境，啟發學生思考如何定量測定一個化學反應的快慢。

（三）定量實驗，構建化學反應速率概念

我們通過觀察，發現僅憑感官判斷化學反應的快慢還不夠準確，如何定量測定一個化學反應的快慢呢？學生通過討論發現，除了可以通過對照實驗比較化學反應的快慢外，還可以測定單位時間某些物理量的變化進行比較。如圖1所示，使用壓強傳感器記錄過氧化氫分解過程中試管內氣體壓強的變化，一段時間后，氣體壓強變化趨勢如圖2所示，思考并比較不同時間段化學反應的快慢，逐漸轉變由多組實驗單一變量到單個實驗多個變量的定量比較，逐漸形成化學反應速率的概念。

圖1 測過氧化氫分解過程中氣體壓強的裝置

圖2 實驗中繪制的“過氧化氫分解過程中試管內氣體壓強的變化趨勢”圖

【設計意圖】在傳統教學中，教師往往是先給出化學反應速率的定義，再通過一系列的實驗來探究影響化學反應速率的因素，根據產生氣泡的多少等感官現象來判斷化學反應的快慢，此種教學方法實驗現象直觀、明顯，但不利于培養學生的定量觀和變化觀，學生對化學反應速率的理解并不深刻，如學生可以比較兩個化學反應的快慢，但卻無法理解隨著反應的進行，同一化學反應反應速率的變化，這可以從學生對“過氧化氫分解過程中氣體壓強的變化趨勢”的預測中反映出來。

過氧化氫分解過程中單位質量變化時所需時間的測定裝置如圖3所示，對應的表3數據說明不同階段可以使用不同物理量的變化，定量比較化學反應快慢，最終形成化學反應速率的概念。通過比較不同時間段化學反應速率的大小，分析過氧化氫分解過程中化學反應速率先快后慢的原因，回顧并總結濃度、溫度、催化劑等都可以影響過氧化氫的分解速率。

圖3 過氧化氫分解過程中單位質量變化時所需時間的測定裝置

表3 過氧化氫分解過程中質量變化0.01g所需時間

【設計意圖】首先，教師引導學生思考如何定量測定一個化學反應的快慢，使他們可以很快找到反應過程中的變量，如濃度、質量、壓強等。然后，教師利用實驗來驗證學生的分析是否正確。利用“預測—觀察—解釋”（ Predict—Observe—Explain，簡稱“POE”）教學策略，引導學生預測過氧化氫分解過程中氣體壓強的變化，再利用DIS實驗測量過氧化氫分解過程中氣體壓強的變化，創設矛盾，激發學生深入分析和探究。學生通過計算數據、分析時間-壓強曲線，可以發現隨著反應的進行化學反應速率在降低，進一步思考可發現過氧化氫分解速率變慢的原因是反應物濃度的減少。利用電子天平和秒表測量過氧化氫分解過程中質量的變化，學生通過對數據的分析發現過氧化氫分解速率不是一直降低，而是先快后慢，與前面分析的結論有出入。通過思考，學生總結出影響化學反應快慢的另一因素是溫度，同時領悟到化學反應快慢需綜合考慮各方面因素的思想。通過兩個創新實驗，在不知不覺中建構了化學反應速率的概念，培養了學生的變化觀、定量觀，提高了學生的思維能力和探究能力，落實了化學學科核心素養。

（四）解密情境，發現化學反應快慢的根本原因

教師引導回顧：本節課剛開始時，可能是什么因素影響著兩張相同的紙片的燃燒速率呢？從產物不同，推測可能是兩張紙片的材質不同。歸納影響化學反應速率的不僅有外界條件還有反應物自身的性質。學生通過對化學反應快慢的學習，感悟科學就是整理事實的過程，以便從中得出普遍的規律或結論中所蘊含的道理。

【設計意圖】影響化學反應速率的主要原因是反應物自身的性質，在課堂開始的燃燒實驗中就為這一因素埋下伏筆，首尾呼應。

四、教學反思

（一）尊重學生認知發展，注重概念的生成性

本節課始終圍繞著“化學反應快慢”這一核心內容，以學生為主體，教學環節的設計尊重學生認知發展。從判斷紙片燃燒快慢的感性認識，到用產生氣泡多少判斷過氧化氫分解快慢的定性認識，再到利用單位時間下壓強的變化或質量的變化，定量判斷化學反應的快慢，教學環節層層遞進、由淺到深，在不知不覺中建構化學反應速率的概念，加深學生對化學反應的過程性認識。

（二）利用創新實驗，發展學生核心素養

為更好地發揮概念教學在落實和發展學生化學學科核心素養方面的作用，采取數字化實驗和傳統實驗相結合，通過紙片的燃燒實驗，激發學生學習興趣，通過學生自主設計實驗方案“比較MnO2、CuO和Fe2O3粉末對H2O2分解的催化效果”，培養學生的探究能力與分析能力，并創設真實問題情境，激發學生的探究欲望；運用POE教學策略，通過測定“過氧化氫分解過程中氣體壓強的變化和質量的變化”兩個實驗，培養學生的圖表分析能力、思維能力以及定量觀。

本節課將數字化實驗和傳統實驗進行有機融合，讓化學反應速率的概念教學在系列遞進式實驗中完成，學生興趣盎然、思維活躍，化學學科核心素養得以發展和落實，對新課標下的概念教學具有良好的導向作用。