大概念統攝下高三二輪專題復習課教學探討

夏添

摘要：在高三二輪專題復習課教學中，以催化劑相關真實問題情景為載體，引導學生認識催化劑對化學反應（發生、過程、結果）的調控，抽提出學科大概念，進而促進學生對催化劑的結構化認識和思維的發展。

關鍵詞：催化劑；專題復習；大概念；教學設計

文章編號：1008-0546（2022）01-0060-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.015

催化劑的研究和開發，是現代化學工業的核心問題之一，高考中相關知識的考查也從簡單概念判斷轉變為實驗設計、數據分析、圖像分析與繪制等綜合考查[1]，所涉及到的情景素材多來源于前沿學術期刊、工業生產實際，陌生度高、知識點分散、綜合性強，學生解決起來常常感到較為困難。近幾年，與催化劑教學相關研究主要體現在三個方面：①對催化劑相關迷思概念、認知困境的研究，如范曉鳳，姜雪琴對催化劑認識中常見迷思概念進行了辨析[2]；吳晗清，李豆豆對學生存在催化劑相關認知困境進行了實證研究，并提出針對性教學建議[1]。②以案例為主的化學教學嘗試，如金雄鷹，毛楊林探討了催化劑整合式教學復習[3]；江合佩，劉炯明，鄭玉海以“合成氨的反應歷程分析”為例，提供了動力學催化劑反應機理專題復習的操作模式和教學案例[4]。③與催化劑相關實驗研究，如豆真，高洪芳利用手持技術對不同催化劑對雙氧水的催化作用進行了比較[5]。相關文獻缺乏對催化劑所承載的學科大概念及對“化學反應條件調控化學反應”的結構化認識。為此，本文以大概念為統領，以催化劑相關真實問題情景為載體，就如何在高三二輪專題復習課教學中幫助學生完善知識結構，促進學生思維的發展，形成分析和解決相關問題的思路和方法展開探討。

一、“從催化劑角度看化學反應的調控”相關知識分析

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）[6]在化學反應的方向、限度和速率主題中對“化學反應的調控”的內容要求為：認識化學反應速率和化學平衡的綜合調控在生產、生活和科學研究中的重要作用。知道催化劑可以改變反應歷程，對調控化學反應速率具有重要意義。

從學科知識角度看，化學反應條件是影響化學反應的發生、過程（反應快慢、反應歷程）及結果（反應產物、能量轉化、反應程度等）的因素[7]。催化劑是重要的化學反應（外在）條件，其對化學反應的調控有著重要意義。催化劑通過參與反應改變化學反應歷程；通過改變反應活化能來改變反應速率；催化劑不能改變化學反應的平衡常數，不能改變平衡的轉化率。但在實際工業生產中，為提高生產效率，經常未平衡就進行后續反應，此時催化劑的使用能加快反應速率，提高單位時間內反應的轉化率（產率）；同時在給定條件下反應物之間如果同時發生多個反應，選擇適當的催化劑能提高反應的選擇性，從而提高目標產物的產率。

從教材看，催化劑相關知識跨越三個年級：人教版《化學》（九年級上）通過實驗認識了MnO2是H2O2分解反應催化劑，并進而給出催化劑的概念；人教版《化學》必修第二冊以探究實驗的形式認識可以改變反應條件（濃度，溫度，催化劑）來調控反應速率；人教版《化學》選擇性必修1介紹了化學反應速率與活化能關系以及催化劑改變反應歷程、降低反應活化能示意圖。鑒于教材知識零散、淺顯，而高考考題綜合、深入的特點，基于新課標“重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化”“教師在組織教學內容時應高度重視化學知識的結構化設計，充分認識知識結構化對于學生化學學科核心素養發展的重要性”[6]的要求，在高三二輪專題復習課中有必要從學科大概念的視角重新梳理相關內容（見圖1），形成關注學生知識結構化、認識思路結構化的教學，進而促進學生核心素養的發展。

二、學情分析

在高三階段，學生通過之前的學習，對催化劑知識有一定的了解，如：知道催化劑加快反應速率；催化劑反應前后質量和性質不發生變化；催化劑可降低反應活化能等；并能設計實驗探究催化劑對化學反應速率的影響。

學生學習的困難主要在于：部分同學未形成催化劑參與反應的認識，對催化機理理解不清晰；大多數同學認為催化劑不能改變反應的產率，對催化劑能改變未平衡時單位時間產率，提高主反應產物產率不能理解。

三、大概念統攝下“從催化劑角度看化學反應的調控”教學實踐

在高三二輪專題復習課中通過H2O2分解反應中系列真實問題的具體解決引導學生認識催化劑對化學反應（發生、過程、結果）的調控，抽提出“催化劑是化學反應條件之一，選用合適催化劑，對調控化學反應具有重要意義”的概念，再通過知識間縱向向上的聯系，抽象概括出“化學反應是有條件的，化學反應是可調控的”的學科大概念，從而實現催化劑相關知識結構化改造；同時將抽象概括獲得的大概念用于指導解決工業催化劑使用中的實際問題，實現知識縱向向下的聯系，進而促進學生學科能力與學科思維的發展。教學過程中的學習任務及主要活動如下：

環節一：認識催化反應歷程

【問題1】結合你所學的知識，分析H2O2和K2Cr2O7反應嗎？若反應，請你預測可能出現的實驗現象。

【學生活動1-1】學生依據已有氧化還原反應知識，推測H2O2和K2Cr2O7發生氧化還原反應，H2O2被氧化成O2，Cr2O72-被還原成Cr3+，溶液中有氣泡產生，溶液顏色變為綠色。

【學生活動1-2】完成分組實驗：分別向兩支裝有2 mL 5%的H2O2、2 mL蒸餾水的試管中加入等量0.1 mol/L K2Cr2O7溶液。學生觀察到：試管1（H2O2溶液中加入K2Cr2O7溶液）中，溶液立即變為棕褐色，一段時間后，逐漸產生大量使帶火星木條復燃的氣體，溶液顏色慢慢變淺，6分鐘后溶液顏色與試管2（蒸餾水中加入K2Cr2O7溶液）中顏色幾乎一樣（見圖2）。

【問題2】分析K2Cr2O7在反應中的作用，談談你的判斷理由。

【學生活動2-1】K2Cr2O7參與反應，加快了H2O2分解速率，在反應中做催化劑。

【追問】K2Cr2O7參與反應，是反應的反應物又是生成物，加快了反應速率，是否就能證明K2Cr2O7是催化劑？

【學生活動2-2】還需要檢驗K2Cr2O7反應前后質量和性質是否發生變化。試管1、2對比，溶液顏色幾乎一樣，說明兩支試管中K2Cr2O7中濃度基本相同，質量基本不變；取少許試管1反應后溶液滴加入試管3（裝有2 mL 5%的H2O2溶液），發現再次出現活動1-2中實驗現象，推測K2Cr2O7反應前后性質未發生變化。

【展示】利用色度傳感器分別測定一段時間試管1、2中溶液色度，結果見圖3，進一步證明反應前后K2Cr2O7反應前后質量未發生變化。

【追問】催化劑參與反應，加快反應速率，反應前后質量、性質均未發生變化，是否說明催化劑可以無限循環使用？

【學生活動2-3】閱讀材料“催化劑的活性和失活”（見圖4），獲取知識：催化劑活性受溫度、粒徑大小等因素影響；外界條件可導致催化劑失活。

【學生活動4】學生繪制、展示“反應過程—能量”示意圖。加入催化劑后，反應速率加快，降低反應活化能。反應i速率快于反應ii，圖示中反應i活化能應低于反應ii。

【問題5】在整個催化過程中，哪些量發生變化，哪些沒變？

【學生活動5】加入催化劑后，反應活化能減小，反應速率加快；反應物、生成物能量不發生改變，反應ΔH不變；反應達平衡后，K值不變，平衡轉化率不變。

【展示】100℃時，在不同金屬離子存在下，純過氧化氫24小時的分解率見表1。

【問題6】分析圖表數據，你能獲得哪些信息？

【學生活動6-1】不是所有金屬離子都可用作過氧化氫分解的催化劑；同一反應可以有多種催化劑；不同催化劑催化效果不同。

【追問】為何24小時過氧化氫分解率不同？

【學生活動6-2】24小時過氧化氫分解反應未達平衡，催化劑加快反應速率，可加大相同時間內反應物的轉化率。不同催化劑催化效果不同，單位時間內反應物的轉化率不同。

設計意圖：認識催化劑通過降低活化能，加快反應速率；學會利用“能量-反應歷程”示意圖表征催化機理；深化催化劑與轉化率之間關系的認識。

環節三：認識催化劑的選擇性

【展示】甲苯和氯氣可以發生如下反應：

【問題7】加入FeCl3后，主要發生哪個反應？體現了催化劑的什么性質？

【學生活動7】加入FeCl3后，主要發生反應ii，體現了催化劑的選擇性。

【過渡】在工業生產中，選用合適的催化劑可以提高反應的選擇性，從而提高目標產物的產率。

【總結】構建大概念統攝下“從催化劑角度看化學反應調控”認識模型。（見圖5）

設計意圖：認識催化劑的選擇性，建構“從催化劑角度看化學反應調控”的認識模型。

環節四：為反應選催化劑

某實驗控制壓強一定，CO2和H2初始投料比一定，按一定流速通過不同催化劑，經過相同時間測得如下實驗數據（見表2）（反應未達到平衡狀態）：

【問題8】請為反應選擇合適的催化劑，談談你的理由。

【學生活動8】選擇催化劑2，原因是相同溫度、時間內CO2的轉化率變化不大而甲醇的選擇性明顯增大。

【問題9】分析選用相同催化劑時，升高溫度，CO2的實際轉化率提高而甲醇的選擇性降低的原因。

【學生活動9】升高溫度，反應ⅰ、ⅱ速率都增大，但反應ⅱ速率增大得更多。

【演示實驗】向裝有2 mL 5 %的H2O2溶液的試管中加入0.1mol/L酸性K2Cr2O7溶液。

【學生活動10】觀察到溶液中出現大量氣泡，溶液顏色變綠，推測發生氧化還原反應，進一步認識到其它反應條件（濃度、溫度、酸堿性）等也能夠調控化學反應的發生、過程和結果。

設計意圖：鞏固提升，基于催化劑認識模型解決復雜真實問題，進一步認識反應條件對化學反應的調控。

四、結束語

本節課是大概念統攝下高三二輪專題復習課的一次嘗試，在教學過程中并未對催化劑的相關知識進行面面俱到的復習，而是選取與大概念、概念建構相關的教學情景進行深入挖掘。整節課引導學生經歷了從具體事實中抽提大概念和運用大概念指導、解決具體問題的過程，對高三學生知識結構的建構、思維的發展起到了一定的促進作用。隨著高三學生認識的進一步深入，還可以繼續針對“化學反應是有條件的，化學反應是可調控的”這一大概念背后的內容、認識角度進行拓展和豐富。

參考文獻

[1]吳晗清，李豆豆.“催化劑”認知困境與教學對策[J].化學教學，2018（3）：87-90.

[2]范曉鳳，姜雪琴.消除錯誤前概念.重新認識催化劑[J].化學教與學，2019（7）：11-15.

[3]金雄鷹，毛楊林.催化劑知識整合式教學的實踐與思考[J].中學化學教學參考，2020，527（10）：47-60.

[4]江合佩，劉炯明，鄭玉海.“情境結構，模型認知”促進催化劑反應歷程有效復習——以“合成氨的反應歷程分析”為例[J].化學教學，2020（11）：57-64.

[5]豆真，高洪芳.利用手持技術比較不同催化劑對雙氧水的催化作用[J].中學化學教學參考，2018，480（10）：64-65.

[6]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4，71，33.

[7]何彩霞.圍繞學科知識結構與思維方法組織教學——以初三“化學反應條件”為例[J].化學教學，2017，（11）：44-48.

[8]何法信.談談重鉻酸鉀與過氧化氫的反應[J].化學通報，1989（11）：54-57.