核心素養(yǎng)為本的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以“化學(xué)反應(yīng)限度”為例

廣東

(作者單位：廣東第二師范學(xué)院附屬番禺中學(xué))

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1教學(xué)主題內(nèi)容

化學(xué)反應(yīng)的限度為人教版《化學(xué)2(必修)》第二章“化學(xué)反應(yīng)與能量”的第三節(jié)“化學(xué)反應(yīng)的速率和限度”第二課時(shí)的內(nèi)容，屬于化學(xué)反應(yīng)原理的范疇，是高中化學(xué)的一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。化學(xué)反應(yīng)的限度是中學(xué)生建構(gòu)化學(xué)反應(yīng)及相關(guān)認(rèn)識(shí)的重要維度，通過(guò)這部分的學(xué)習(xí)，學(xué)生將進(jìn)一步認(rèn)識(shí)化學(xué)變化所遵循的基本原理，初步形成物質(zhì)變換的學(xué)科理念，了解控制反應(yīng)條件在生產(chǎn)和科學(xué)研究中的作用，為深入學(xué)習(xí)化學(xué)平衡、平衡移動(dòng)、勒夏特列原理等知識(shí)打下基礎(chǔ)。

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.2.1 文獻(xiàn)分析

對(duì)于化學(xué)反應(yīng)的限度這一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)，有許多案例，例如以“合成氨”反應(yīng)為載體開(kāi)展主題式教學(xué)；借助于演示實(shí)驗(yàn)、探究實(shí)驗(yàn)、圖像繪制、圖形解讀、錯(cuò)誤辨析等教學(xué)設(shè)計(jì)與核心問(wèn)題引導(dǎo)進(jìn)行教學(xué)嘗試；基于知識(shí)體系的建構(gòu)，采用問(wèn)題教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生從定性與定量角度理解反應(yīng)的限度。然而這些研究大多是采用舊課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，并沒(méi)有提出化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。

1.2.2 學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀分析

化學(xué)反應(yīng)的限度較抽象，而高中課程標(biāo)準(zhǔn)建議要在必修階段幫助學(xué)生建立可逆反應(yīng)和化學(xué)平衡的概念，形成“化學(xué)反應(yīng)存在限度”“可逆反應(yīng)達(dá)限度時(shí)處于化學(xué)平衡狀態(tài)”“外界條件可以改變平衡狀態(tài)”等觀點(diǎn)。其教學(xué)難點(diǎn)在于學(xué)生不能深刻理解可逆反應(yīng)和化學(xué)平衡狀態(tài)的特點(diǎn)，尤其是理解化學(xué)平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡，以及如何判斷一個(gè)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點(diǎn)

新課程標(biāo)準(zhǔn)提出重視開(kāi)展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”5個(gè)方面。那么如何以化學(xué)課堂為載體，滲透化學(xué)核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)，是值得深思的問(wèn)題。本節(jié)課主要體現(xiàn)“變化觀念與平衡思想”和“宏觀辨識(shí)與微觀探析”兩個(gè)化學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展做了初步探索。

三、教學(xué)目標(biāo)

(1)認(rèn)識(shí)可逆反應(yīng)及其特征。(宏觀辨識(shí)與微觀探析)

(2)理解化學(xué)反應(yīng)限度的概念，學(xué)習(xí)科學(xué)探究的基本方法，培養(yǎng)科學(xué)探究的能力。(證據(jù)推理與模型認(rèn)知)

(3)體會(huì)化學(xué)知識(shí)在生產(chǎn)、生活中的作用，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的熱情。(科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任)

四、教學(xué)與評(píng)價(jià)思路

圖1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

五、課堂實(shí)錄

環(huán)節(jié)1 建立情境，提出問(wèn)題

【設(shè)計(jì)意圖】充分發(fā)揮化學(xué)史實(shí)的作用，從破解高爐煉鐵問(wèn)題入手，營(yíng)造真實(shí)的教學(xué)情境，將“可逆反應(yīng)”的核心概念的建構(gòu)與其歷史發(fā)展過(guò)程有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。使學(xué)生從學(xué)科本質(zhì)上把握化學(xué)核心概念發(fā)展中所蘊(yùn)含的學(xué)科思想觀念。讓學(xué)生感受到化學(xué)知識(shí)滲透于生產(chǎn)生活的方方面面，并與之緊密聯(lián)系。

環(huán)節(jié)2 “宏觀—微觀—符號(hào)”三重表征認(rèn)識(shí)可逆反應(yīng)

【投影】本節(jié)課要探討的問(wèn)題：

1.什么樣的反應(yīng)具有限度？

2.這樣的反應(yīng)具有什么特征？

3.化學(xué)反應(yīng)達(dá)到反應(yīng)限度時(shí)具有什么特點(diǎn)？

4.如何判斷一個(gè)反應(yīng)是否達(dá)到反應(yīng)限度(平衡狀態(tài))？

【板書(shū)】一、可逆反應(yīng)

(1)可逆反應(yīng)：在同一條件下，既能向正反應(yīng)方向進(jìn)行，同時(shí)也能向逆反應(yīng)方向進(jìn)行的反應(yīng)。

(2)可逆反應(yīng)的特征：雙向、兩同、共存。

【典例辨析】列出SO2與H2O、NH3與H2O、SO2與O2、工業(yè)合成氨等反應(yīng)讓學(xué)生判斷是否屬于可逆反應(yīng)。

【問(wèn)題1】水的生成(H2+O2)和電解、二次電池的放電與充電、CO2和H2O在植物體中通過(guò)光合作用合成糖與糖在人體內(nèi)氧化生成CO2和H2O，它們是否屬于可逆反應(yīng)？

【學(xué)生活動(dòng)】思考交流。

【投影圖片】水的生成即H2與O2反應(yīng)，條件是點(diǎn)燃，而電解水的條件是通電。

【學(xué)生回答】二者反應(yīng)條件不同，不符合可逆反應(yīng)的特征。進(jìn)而能夠準(zhǔn)確判斷其他兩個(gè)反應(yīng)不是可逆反應(yīng)。

【動(dòng)畫(huà)展示】同位素原子示蹤的實(shí)驗(yàn)：向一個(gè)密閉容器中充入一定量的SO2和18O2，一定條件下進(jìn)行充分反應(yīng)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)18O不僅存在于SO3和O2中，也存在于SO2中(圖2)。讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)在生成SO3的同時(shí)，SO3也在分解為SO2和O2，真切感悟可逆反應(yīng)的雙向、共存的特征。

圖2 同位素原子示蹤的實(shí)驗(yàn)

環(huán)節(jié)3 數(shù)形結(jié)合構(gòu)建化學(xué)平衡狀態(tài)的認(rèn)知模型

【投影】以SO2和O2反應(yīng)生成SO3反應(yīng)為例，觀察表1數(shù)據(jù)，獲取相關(guān)信息。

表 SO2和O2反應(yīng)制備SO3的實(shí)驗(yàn)各物質(zhì)濃度變化的數(shù)據(jù)

【師生合作】由表數(shù)據(jù)得到濃度與時(shí)間關(guān)系c-t圖(見(jiàn)圖3)，即可得出：可逆反應(yīng)存在限度。在可逆反應(yīng)中，隨著時(shí)間的推移，反應(yīng)物濃度不斷減小，生成物濃度不斷增大，一段時(shí)間后，反應(yīng)物濃度和生成物濃度不再隨時(shí)間變化。那么，可逆反應(yīng)在反應(yīng)過(guò)程中，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率如何變化？同時(shí)畫(huà)出化學(xué)反應(yīng)速率隨時(shí)間變化關(guān)系v-t圖(見(jiàn)圖4)。

圖3 濃度隨時(shí)間變化關(guān)系c-t圖

圖4 化學(xué)反應(yīng)速率隨時(shí)間變化關(guān)系v-t圖

【問(wèn)題2】什么是化學(xué)平衡狀態(tài)？它有哪些特征？是一定程度下反應(yīng)停止還是反應(yīng)依舊雙向進(jìn)行？

【板書(shū)】二、化學(xué)平衡狀態(tài)

(1)化學(xué)平衡狀態(tài)：一定條件下，可逆反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)，正反應(yīng)速率與逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)物的濃度與生成物的濃度不再變化。

(2)化學(xué)平衡狀態(tài)特征：逆(可逆反應(yīng))、等(v正=v逆)、動(dòng)(動(dòng)態(tài)平衡)、定(各物質(zhì)濃度保持不變)、變(外界條件發(fā)生改變，化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng))。

(3)化學(xué)平衡狀態(tài)是可逆反應(yīng)達(dá)到的一種特殊狀態(tài)，是在給定條件下化學(xué)反應(yīng)所能達(dá)到或完成的最大程度，即該反應(yīng)進(jìn)行的限度決定了最大的轉(zhuǎn)化率。

【設(shè)計(jì)意圖】教材中雖然展示了反應(yīng)速率隨時(shí)間的變化圖像，但卻沒(méi)有具體數(shù)據(jù)，學(xué)生短時(shí)間內(nèi)較難理解正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率的變化關(guān)系，所以在教學(xué)過(guò)程中要列出具體的反應(yīng)，以及各反應(yīng)物和生成物的物質(zhì)的量濃度的變化數(shù)據(jù)，再結(jié)合曲線表征，讓學(xué)生較好地理解可逆反應(yīng)的概念，即反應(yīng)進(jìn)行一定程度時(shí)，微觀上表現(xiàn)為某一物質(zhì)的正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，而宏觀上表現(xiàn)為各物質(zhì)的濃度不再變化時(shí)即達(dá)到平衡狀態(tài)。此處問(wèn)題的設(shè)計(jì)對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行了延伸和拓展，同時(shí)又緊緊圍繞著教材的內(nèi)容，層層遞進(jìn)，利用問(wèn)題的設(shè)置與教師的合理引導(dǎo)，以及數(shù)形結(jié)合的思想來(lái)促進(jìn)學(xué)生更深層次地認(rèn)識(shí)和理解“化學(xué)反應(yīng)的限度”。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等且大于0，達(dá)到表面靜止的狀態(tài)，但實(shí)際上正向和逆向的反應(yīng)仍在進(jìn)行，因此可讓學(xué)生建立變化與平衡相統(tǒng)一的學(xué)科觀念。但當(dāng)外界條件(濃度、溫度、壓強(qiáng)等)改變時(shí)，化學(xué)平衡將發(fā)生移動(dòng)。

環(huán)節(jié)4 宏觀和微觀相結(jié)合判斷化學(xué)平衡狀態(tài)

【問(wèn)題3】可以從哪些參數(shù)判斷反應(yīng)是否處于平衡狀態(tài)？師生可以從上表數(shù)據(jù)繪制的圖3和圖4上進(jìn)行探討。

【板書(shū)】三、化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷

(1)直接判斷法：

v正(A)=v逆(A)>0

(1)A的消耗速率與C的________速率之比等于________。

(2)A的生成速率與B的________速率之比等于________。

【小結(jié)】同一種物質(zhì)的生成速率等于消耗速率，即v消(A)=v生(A)；對(duì)于不同物質(zhì)，反應(yīng)方向相反時(shí)，速率之比=系數(shù)之比。

【問(wèn)題設(shè)計(jì)】結(jié)合表1數(shù)據(jù)、圖3和圖4曲線判斷平衡狀態(tài)。

①c(H2)=c(I2)=c(HI)

②c(H2)∶c(I2)∶c(HI)=1∶1∶2

③c(H2)∶c(I2)∶c(HI)不再變化

④單位時(shí)間內(nèi)生成nmol H2的同時(shí)生成2nmol HI

⑤單位時(shí)間內(nèi)生成nmol H2的同時(shí)生成nmol I2

⑦一個(gè)H—H鍵斷裂的同時(shí)有兩個(gè)H—I鍵斷裂

⑨溫度和體積一定時(shí)，混合氣體的顏色不再變化。

【學(xué)生活動(dòng)】思考、討論、分析。

【師生合作】屬于平衡狀態(tài)的有③④⑦⑨。

【板書(shū)】(2)間接判斷法：

各物質(zhì)的物質(zhì)的量或物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)保持不變(平衡)

(3)其他方法：

反應(yīng)體系(有顏色變化)顏色保持不變(平衡)

( )

①v生成(O2)=v消耗(O2)

②SO2、O2、SO3的濃度之比為2∶1∶2

③單位時(shí)間內(nèi)消耗1 mol O2，同時(shí)生成2 mol SO2

④SO2、O2、SO3的濃度不再發(fā)生變化

⑤容器內(nèi)各物質(zhì)的濃度相等

A.①③④ B.②③ C.①②③④⑤ D.①②③④

【設(shè)計(jì)意圖】化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。首先要引導(dǎo)學(xué)生深入理解微觀判斷依據(jù)，即正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。再列出具體的反應(yīng)方程式，讓學(xué)生理解正反應(yīng)速率即反應(yīng)物的消耗速率或生成物的生成速率，而逆反應(yīng)速率即生成物的消耗速率或反應(yīng)物的生成速率，進(jìn)而學(xué)會(huì)判斷。最后，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)據(jù)、圖像素材，從宏觀和微觀、直接和間接法講授化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷依據(jù)，使其領(lǐng)悟化學(xué)平衡狀態(tài)的特征，并準(zhǔn)確判斷。充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)，以及實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

六、教學(xué)效果與總結(jié)