基于“模型認(rèn)知”的“化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”教學(xué)探究

摘 要：“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科的五大核心素養(yǎng)之一.“模型認(rèn)知”可分為兩大方面，一是利用模型認(rèn)識(shí)事物及其變化.二是過(guò)建構(gòu)認(rèn)知模型建立解決問(wèn)題的思考框架.前者指科學(xué)模型，后者指科學(xué)認(rèn)知模型.《化學(xué)反應(yīng)速率》的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生對(duì)濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑等外界條件的改變?nèi)绾斡绊懟瘜W(xué)反應(yīng)的速率有一定的困難，因此我進(jìn)行了基于“模型認(rèn)知”的“化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”的教學(xué)探究.

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知;化學(xué)反應(yīng)速率;影響因素;高中化學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G632 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1008-0333（2021）24-0107-02

收稿日期：2021-05-25

作者簡(jiǎn)介：吳春霞（1976.3-），女，福建省永安人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中化學(xué)教學(xué)研究.

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”，因此“模型”“模型認(rèn)知”引起了很多化學(xué)教學(xué)研究者的關(guān)注，不同研究者提出的關(guān)于“模型”“模型認(rèn)知”不同觀點(diǎn).

例如：陸軍提出模型包括實(shí)物模型和形式模型兩類(lèi)，形式模型包括數(shù)學(xué)模型、圖像模型和語(yǔ)義模型等，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“模型認(rèn)知”是“基于模型的認(rèn)知”.楊玉琴認(rèn)為“模型認(rèn)知”能力是指能夠運(yùn)用模型描述化學(xué)研究對(duì)象、解釋化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律、預(yù)測(cè)可能的結(jié)果，并建構(gòu)模型展示自己對(duì)化學(xué)事實(shí)的理解和解釋能力.馮品鈺、何彩霞提意把“模型認(rèn)知”分為兩大方面，一是利用模型認(rèn)識(shí)事物及其變化.二是過(guò)建構(gòu)認(rèn)知模型建立解決問(wèn)題的思考框架.前者指科學(xué)模型，后者指科學(xué)認(rèn)知模型.羅炳杰認(rèn)為“模型”是研究對(duì)象的替代物，是按比例或特征制成的與實(shí)物相似的物體或圖形，數(shù)軸模型、坐標(biāo)模型、思維模型等是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中常見(jiàn)的模型.吳克勇、蔡子華則把化學(xué)學(xué)科中的模型可分為物質(zhì)模型（包括天然物質(zhì)模型、人工物質(zhì)模型）和思想模型（包括想象模型、符號(hào)模型和數(shù)學(xué)模型），“模型認(rèn)知”是指人們利用模型認(rèn)識(shí)事物或通過(guò)建模解決問(wèn)題.

上述研究者的觀點(diǎn)為一線(xiàn)教師的教學(xué)實(shí)踐指出了一個(gè)方向，也為教學(xué)評(píng)價(jià)提供了一種思路，還為多視角理解“模型認(rèn)知”打開(kāi)了通道.

在魯科版高二化學(xué)反應(yīng)原理第二章第三節(jié)“化學(xué)反應(yīng)速率”的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生對(duì)濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑等外界條件的改變?nèi)绾斡绊懟瘜W(xué)反應(yīng)的速率有一定的困難，因此筆者進(jìn)行了基于“模型認(rèn)知”的“化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”的教學(xué)探究.

一、“打籃球”模型

用“打籃球模型”幫助學(xué)生理解有效碰撞理論.NBA的明星們很容易把籃球投入籃筐中，因?yàn)樗麄冇辛α浚ㄏ喈?dāng)于活化分子）又有合適的角度（相當(dāng)于發(fā)生有效碰撞）.而小朋友則因?yàn)榱α啃。ú皇腔罨肿樱┰僭趺磁Γ较蛘_也很難投入籃筐中（碰撞是無(wú)效的）.

如果溫度升高，某些普通的分子獲得能量轉(zhuǎn)化為活化分子，反應(yīng)速率加快.相當(dāng)于讓小朋友們好好吃飯獲得能量，長(zhǎng)大了也可以輕松打球.

而使用催化劑降低活化能（使本來(lái)變通的分子有一部分變成了活化分子）.相當(dāng)于給小朋友們一個(gè)迷你的籃筐，筐的高度下降，讓他們不用長(zhǎng)大（獲得能量）也可以輕松灌籃（如圖1所示）.圖1

反應(yīng)物濃度增大化學(xué)反應(yīng)速率加快，相當(dāng)去投籃的人數(shù)增加了，當(dāng)然也能提高進(jìn)球的次數(shù).

二、“分?jǐn)?shù)”模型

如果把一個(gè)反應(yīng)的活化能看成是某次考試的及格線(xiàn)，全班人數(shù)看成是參加反應(yīng)的分子，那么如果及格線(xiàn)高（即活化能高），則及格率低（活化分子百分?jǐn)?shù)低）.

使用催化劑相當(dāng)于是把及格線(xiàn)降低（活化能變低），則及格率高（活化分子百分?jǐn)?shù)高）.

溫度升高可以看成是老師另外給加分了（一部分反應(yīng)物能量升高），但是及格線(xiàn)不變（活化能不變），這樣的及格率也提高了（活化分子百分?jǐn)?shù)提高）.

反應(yīng)物濃度增大化學(xué)反應(yīng)速率加快，其中活化分子百分?jǐn)?shù)沒(méi)有變，但活化分子總數(shù)增加，反應(yīng)速率加快.這相當(dāng)于參加考試的人數(shù)（分子總數(shù)）增加了，但是及格率（活化分子百分?jǐn)?shù)）沒(méi)有變，及格人數(shù)（活化分子數(shù)）多了.

三、“爬山”模型

催化劑參與反應(yīng)改變反應(yīng)歷程，因此可以較大幅度地降低反應(yīng)的活化能，活化分子數(shù)和有效碰撞增多，從而能提高化學(xué)反應(yīng)速率.

從反應(yīng)物到生成物，看成是從山的一邊到另一邊，如果只有一條路（有效碰撞）能從山頂（活化能）翻過(guò)去，現(xiàn)在有一隊(duì)人開(kāi)始爬山，只有找對(duì)路而且有體力到山頂?shù)娜丝梢赃^(guò)去（活化分子發(fā)生了有效碰撞）.

使用催化劑可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，相當(dāng)于在半山上挖了一條隧道，這樣可以到半山和穿過(guò)隧道的人就變多了（活化分子百分?jǐn)?shù)和有效碰撞變多）.

升高溫度可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，可以看成是其中有一部分體力不足的人坐了纜車(chē)到山頂而且也找到了路（活化分子百分?jǐn)?shù)和有效碰撞變多）.

增大濃度可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，可以看成是比原先更多的人來(lái)爬山，但翻過(guò)去的人數(shù)比例不變（活化分子百分?jǐn)?shù)不變），總?cè)藬?shù)增多了（活化分子數(shù)增多）.

四、“骰子”游戲模型

“骰子”游戲模型的前提假設(shè)：某一個(gè)反應(yīng)中活化分子的百分比受壓力、溫度、催化劑等因素影響，而不受濃度影響.

作為一個(gè)假想的反應(yīng)，在不加熱和加入催化劑的情況下，活化分子僅占所有分子的1/3左右（所以假定骰子點(diǎn)數(shù)大于等于5時(shí)為活化分子）.當(dāng)加熱和加入催化劑后，這個(gè)比例就會(huì)發(fā)生改變.反應(yīng)的發(fā)生不僅是能量因素（分子是否達(dá)到活化能），還有空間分子的運(yùn)動(dòng)因素（即分子間碰撞是否有效），并非活化分子間的每一次碰撞都是有效碰撞.

游戲的說(shuō)明：

活化裁決：每人投擲一枚骰子，若點(diǎn)數(shù)大于等于5則活化.

有效碰撞裁決：活化成功的人再投擲一次骰子，若點(diǎn)數(shù)大于等于4則發(fā)生有效碰撞，發(fā)生有效碰撞后視作轉(zhuǎn)化為生成物，不再投擲.

請(qǐng)成功變?yōu)椤吧晌铩钡膶W(xué)生站起來(lái)進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì).

（1）濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響（見(jiàn)表1）

（2）溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響（見(jiàn)表2）

（3）催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響（見(jiàn)表3）

因第二輪游戲代表使用催化劑，將活化裁決改變?yōu)椋好咳送稊S一枚骰子，若點(diǎn)數(shù)大于等于3則活化.

有效碰撞裁決改變?yōu)椋夯罨晒Φ娜嗽偻稊S一次骰子，若點(diǎn)數(shù)大于等于2則發(fā)生有效碰撞，發(fā)生有效碰撞后視作轉(zhuǎn)化為生成物，不再投擲.

【數(shù)據(jù)分析：以上表格中的數(shù)據(jù)為筆者在一個(gè)46人的班級(jí)上課時(shí)的游戲記錄.】學(xué)生在課堂上游戲并記錄的數(shù)據(jù)可以比較直觀的知道：增加濃度，升高溫度，使用催化劑均可以提高活化分子的數(shù)目和有效碰撞概率.當(dāng)然，如果能多做幾組游戲，數(shù)據(jù)應(yīng)該可以更科學(xué)合理.

在高中化學(xué)這門(mén)課程中，它的核心素養(yǎng)包含著“宏觀辨識(shí)與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”以及“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等，雖然每一個(gè)核心素養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn)都有所不同，但它們可以相互作用，促使學(xué)生們得到更為全面的發(fā)展和教育，促進(jìn)學(xué)生們擁有未來(lái)發(fā)展中對(duì)能力以及品質(zhì)方面的需求.

通過(guò)本節(jié)課“化學(xué)反應(yīng)速率影響因素”的教學(xué)探究，進(jìn)一步讓筆者深刻的體會(huì)到模型認(rèn)知的重要性，在一些抽象問(wèn)題的學(xué)習(xí)上，合適的模型可以讓學(xué)生更容易理解和體悟?qū)W習(xí)的內(nèi)容，可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)分辨化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的關(guān)系，并能夠使用種類(lèi)多樣的模型來(lái)形容以及解釋化學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)而在自己的思維中建立起解決重難點(diǎn)化學(xué)問(wèn)題的框架.

參考文獻(xiàn)：

[1]卓高峰，魏樟慶.基于“模型認(rèn)知”的元素化合物教學(xué)認(rèn)知[J].化學(xué)教學(xué)，2018（381）：34-37.

[2]楊玉琴.化學(xué)核心素養(yǎng)之“模型認(rèn)知”能力的測(cè)評(píng)研究[J].化學(xué)教學(xué)，2017（7）：9-14.

[3]馮品鈺，何彩霞.發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知的化學(xué)教學(xué)實(shí)踐—以“離子晶體”為例[J].教育與裝備研究，2018（4）：29-33.

[責(zé)任編輯：季春陽(yáng)]