基于思維模型建構“化學反應與熱能”的教學研究

呂玲秀

摘要：本文以“化學反應與熱能”的教學為例，在教學過程中以學習模型、理解模型、應用模型、分析模型、評價模型、和創建模型六個認知過程維度來培養學生“模型認知”的化學核心素養。

關鍵詞：模型建構;化學反應與熱能;核心素養

中圖分類號：A 文獻標識碼：A 文章編號：（2021）-24-430

一、指導思想和理論依據

《普通高中化學課程標準（2017年版）》[1]（下稱“新課標”）中提出化學學科核心素養。其中模型認知是重要的核心素養，是反應事物本質屬性和各關鍵要素關系的思維過程，能夠幫助學生解釋化學現象，揭示現象背后的本質與規律，為解決類似問題提供范式[2]。

化學反應與熱能是新課標中必修課程主題3第4節的內容，內容要求是認識物質具有能量，認識吸熱反應與放熱反應，了解化學反應體系能量的改變與化學鍵的斷裂和形成有關。知道化學反應可以實現化學能與其他能量形式的轉化[3]。

二、教學實施與目的分析

環節一：學習模型

[問題1.1]我們已經在初中學習了很多物質的燃燒、以及中和反應，也知道它們是放熱反應。回憶一下我們學過的哪些反應是吸熱反應嗎？

[學生活動1.1]小組討論，回答：大理石分解等。

[設計意圖1.1]回憶，通過教師提問，學生思考討論，回憶初中已經學過的吸熱反應，激發學生學習本節內容的興趣。

環節二：理解模型

[講述2.1]我們已經學過很多的化學反應，知道化學變化是伴隨能量變化的。有一些反應是放熱反應，有些反應是吸熱反應，因此，必須理解沒有能量變化的化學反應是不存在的。

[設計意圖2.1]解釋，通過老師解釋，引導學生理解化學變化總是伴隨能量變化的思維模型。

[教師活動2.1]下面請進行課堂實驗，分組進行，每一組同學做一個實驗。在實驗的過程中，注意觀察每一個反應能量的變化情況。

[學生活動2.1]各小組進行實驗，具體的實驗如下：

小組一：鎂條燃燒實驗

小組二：氫氣和氯氣實驗

小組三：鹽酸與氫氧化鈉

小組四：大理石分解實驗

小組五：Ba（OH）2.8H2O與NH4Cl晶體混合

小組六：碳酸氫鈉和鹽酸反應

[教師活動2.2]通過分組實驗，對實驗的現象的觀察，然后按照放熱反應與吸熱反應對化學反應進行分類。總結與歸納，得出結論是大部分化合反應與酸堿中和為放熱反應，大部分分解反應是吸熱反應。

[設計意圖2.2]分類，通過學生們分組進行實驗，全班同學進行討論，依據吸熱還是放熱對化學變化進行分類。在對化學反應按照放熱與吸熱分類過程中，理解化學反應總是伴隨能量變化。

環節三：應用模型

[問題3.1]請同學們認真閱讀練習題，運用剛才學習的化學變化中的能量變化的模型，選出正確答案。

[學生活動3.1]認真審題，根據化學變化中的生成物與反應物能量大小關系選出正確答案。

[設計意圖3.1]運用，學生們在選擇正確答案時，運用模型中要素的關系，做出正確的選擇。通過此環節，幫助學生運用模型解決不熟悉的任務，也促進了學生對能量的理解。

環節四：分析模型

[教師活動4.1]同學們，我們已經知道了化學變化總是伴隨能量變化，但是對于放熱反應中能量變化放出能量的多少對產物穩定性的影響，我們還不了解。下面我們就一起來探究一下這個重要的問題。

[問題4.1]同學們，1molH2與O2、S分別發生反應，相同條件下，生成1mol的水蒸氣和1mol硫化氫，放出熱量是不一樣的。其中1molH2與O2反應放出241.8kJ的熱量，1molH2與S反應放出20.1kJ的熱量.請同學們討論一下，在發生化學變化時，產物的穩定性與反應結束時放出熱量的關系。

[學生活動4.1]討論、歸納并回答：根據1molH2與O2、S分別發生反應，生成1mol的水蒸氣和1mol硫化氫，放出不同的熱量，再結合水的穩定性大于硫化氫，歸納得出生成相同物質的量的產物，放出的能量越多，物質的穩定性越高的結論。

[設計意圖4.1]歸因，引導學生歸納得出物質穩定性與放出熱量的關系。學生在分析原因后，老師給出正確的結論。有利于學生把正確的結論遷移到以后相似的情境中。同時，與有助于學生理解物質穩定性與化學反應中的熱效應之間的關系。

環節五：評價模型

[教師活動5.1]請同學們仔細分析一下相同物質的量與相同質量的甲烷、乙炔、丁烷和酒精燃燒產生的熱量的大小關系。

[學生活動5.1]討論、歸納并回答：相同質量的甲烷、乙炔、丁烷和酒精燃燒產生的熱量，甲烷>乙炔>丁烷>酒精;相同物質的量的甲烷、乙炔、丁烷和酒精燃燒產生的熱量，甲烷<乙炔<丁烷<酒精。

[設計意圖5.1]學生們評論相同物質的量與相同質量的四種物質燃燒產生的熱量，理解化學變化中總是伴隨能量變化。

環節六：創建模型

[講述]我們已經知道了化學變化總是伴隨能量變化的事實。如果一個方程式能表示化學反應的能量變化情況，那么這樣的方程式就是熱化學方程式。熱化學方程式怎么書寫呢？有什么書寫原則嗎？首先，熱化學方程式是表示能量變化的方程式，那么在書寫吸熱的方程式時，在方程式后面減去吸收的能量;同樣，對于放熱的化學反應，在書寫熱化學方程式時，在后面要加上放出的能量。其次，熱化學方程式前面的系數表示各反應物與產物的物質的量，因此物質的量不同，吸收與放出的熱量是不一樣的。最后，由于物質狀態不同，所含的能量不同，所以在書寫熱化學方程式時一定得注明反應物與產物的狀態。

[問題6.1]在室溫條件下，1mol甲烷與氧氣燃燒，產生二氧化碳與水，放出的熱量是890.3kJ。請大家書寫熱化學方程式

[學生活動6.1]學生書寫熱化學方程式，然后小組討論，在黑板上呈現小組建構的熱化學方程式的模型。

[設計意圖6.1]建構，教師講解書寫熱化學方程式的三條原則，說明每條原則的原因。通過列舉些學生熟悉的方程式，幫助學生理解。同時，呈現熟悉的方程式和對應的條件，引導學生建構熱化學方程式。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2020：2-6

[2]左正權.促進高中生化學模型認知的教學設計研究[D].上海：上海師范大學，2020.

[3]張曉紅，柳軍法.高中化學核心素養的培養.教育實踐與研究（B）[J]. 2018（09）：37-40.