基于真實情境的問題解決在教學(xué)中的實踐

吳蕾 羅欣

摘要：以“化學(xué)反應(yīng)與熱能”為主題，具體闡述如何在真實情境中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過圖像變式分析、教師提問、學(xué)生自學(xué)提問等層層遞進(jìn)的問題解決活動，建構(gòu)圖像模型，驅(qū)動學(xué)生深度學(xué)習(xí)，發(fā)展能量觀，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實。

關(guān)鍵詞：真實情境;問題解決;化學(xué)反應(yīng)與熱能;能量觀

文章編號：1008-0546（2022）04-0061-05

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.013

一、問題的提出

“化學(xué)反應(yīng)與熱能”選自人教版化學(xué)必修第六章第一節(jié)第一課。人教版必修前五章分別編寫了“離子反應(yīng)”“氧化還原反應(yīng)”和各種元素性質(zhì)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)變化角度認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，樹立物質(zhì)變化觀。第六章“化學(xué)反應(yīng)與能量”轉(zhuǎn)化認(rèn)識視角，引領(lǐng)學(xué)生從能量變化角度再認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，建構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化中的能量觀。能量視角是認(rèn)識和研究化學(xué)反應(yīng)的重要角度，是高中深入和全面認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的重要理論部分，也是后續(xù)學(xué)習(xí)電化學(xué)、碰撞理論、過渡態(tài)理論等知識的基礎(chǔ)。本節(jié)教材的編寫依序為：實驗感受化學(xué)反應(yīng)中的熱量變化→認(rèn)識放熱、吸熱反應(yīng)→反應(yīng)中熱量變化的原因→能源的有效利用。從課堂實施上來看，按照教材流程進(jìn)行教學(xué)，環(huán)節(jié)流暢清晰，學(xué)生易于接受。但是如果只是按部就班地完成教材中的內(nèi)容，學(xué)生的學(xué)習(xí)只能停留于“淺層次的接受和了解”，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)-物質(zhì)變化中的能量觀的形成還欠火候，學(xué)生應(yīng)用這部分知識去解決實際生產(chǎn)生活中問題的能力仍有不足，社會責(zé)任感還不能真正有所感悟，學(xué)生在學(xué)習(xí)中可能出現(xiàn)的困惑仍然沒有解決：不同狀態(tài)的物質(zhì)參與反應(yīng)，熱量如何變化？為什么有些放熱反應(yīng)需要加熱，有些不需要？如何從宏微結(jié)合的角度綜合分析化學(xué)反應(yīng)的能量變化？等等。

本節(jié)課的授課對象為高一學(xué)生。高一學(xué)生化學(xué)思維還略顯稚嫩，化學(xué)學(xué)習(xí)興趣還需要不斷催化并細(xì)心呵護(hù)。本節(jié)課側(cè)重化學(xué)理論知識學(xué)習(xí)，對學(xué)生的思維能力要求較高。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提出：“以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實。”[1]大部分主題增加了“情境素材建議”內(nèi)容。教學(xué)情境的重要性毋庸置疑。如何設(shè)置有效情境，將核心素養(yǎng)在教學(xué)中“落地”，激發(fā)學(xué)生興趣、主動提出問題、全員參與思考、自然生成新知，是新教材教學(xué)亟待解決的問題。

基于以上思考，筆者希望“化學(xué)反應(yīng)與熱能”這節(jié)課能聯(lián)系生活生產(chǎn)，在富有生活氣息的有趣的，充滿化學(xué)味的深刻的學(xué)習(xí)活動中，在感性與理性不斷交融的循環(huán)互動中，達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)，促進(jìn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實。因此筆者撰寫如下教學(xué)案例，與各位同仁分享探討。

二、教學(xué)設(shè)計思路

本節(jié)課的教學(xué)中，我們以生活燃料使用為學(xué)習(xí)情境，三種與燃料使用相關(guān)的圖像為學(xué)習(xí)活動載體：

第一種為不同年代溫州家庭燃料變遷的生活情境圖。通過閱讀歷史中的舊照片，學(xué)生重溫歷史，感受化學(xué)在時代發(fā)展中的作用，弘揚化學(xué)正能量，同時關(guān)注化學(xué)變化中的能量轉(zhuǎn)化。并借助實驗，學(xué)生在親自動手實驗的過程中直觀感受化學(xué)反應(yīng)中的熱量變化，發(fā)展化學(xué)分類觀，認(rèn)識吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)。

第二種為能量-反應(yīng)進(jìn)程二維圖。學(xué)生在探究家庭燃料變遷本質(zhì)的學(xué)習(xí)活動中，通過作圖、析圖，將宏觀物質(zhì)能量、微觀斷鍵成鍵變化能量與熱效應(yīng)的關(guān)系融合在一張圖像上，構(gòu)建圖像模型。從宏觀、微觀兩個角度，直觀、深刻地認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)能量變化的原因，發(fā)展模型認(rèn)知。再通過對圖像的幾種變式分析，以及生活燃料的選擇等基于真實生活情境的問題討論，解決學(xué)生的困惑，突破學(xué)生學(xué)習(xí)的難點，即反應(yīng)條件與反應(yīng)熱效應(yīng)的關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，建構(gòu)能量觀，解決燃料變遷的本質(zhì)問題。學(xué)生用圖像法解決復(fù)雜問題，提升了分析問題的能力，也為后續(xù)學(xué)習(xí)過渡態(tài)理論等提供一種學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)。

第三種為能源結(jié)構(gòu)圖。通過閱讀分析我國能源消費情況以及化工產(chǎn)品的應(yīng)用圖表，學(xué)生感受能源的利用與國民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，認(rèn)識到有效利用能源的迫切性，探討優(yōu)化燃料使用的措施，從而培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任、使命感和家國情懷。在實驗感悟的基礎(chǔ)上，通過三種與燃料使用相關(guān)圖像的學(xué)習(xí)，既讓學(xué)生回顧歷史，了解社會發(fā)展，又啟發(fā)學(xué)生思考，宏微結(jié)合，構(gòu)建圖像模型，達(dá)成由境生情，由情生問，由問生思的學(xué)習(xí)效果。

三、教學(xué)流程

教學(xué)設(shè)計流程如表1。

四、教學(xué)實踐

1.回眸歷史，實驗感悟，發(fā)展分類觀

[師]學(xué)習(xí)化學(xué)能為我們生活服務(wù)，比如對化學(xué)反應(yīng)中熱量變化的利用。請同學(xué)們觀察溫州家庭燃料使用的變遷（圖1）。在上世紀(jì)60年代，燒水做飯都用蜂窩煤。到了上世紀(jì)90年代，液化石油氣和管道煤氣逐漸普及。到2013年，溫州大部分家庭都用上了管道天然氣。有放熱的反應(yīng)，是否也存在吸熱的反應(yīng)？請同學(xué)們動手實驗感受一下。

[師]請同學(xué)們4人一組，用桌子上提供的藥品，完成下列四個實驗（圖2），并將現(xiàn)象記錄在學(xué)案上。

學(xué)生匯報實驗現(xiàn)象。

[師]請同學(xué)們根據(jù)實驗結(jié)果，嘗試從熱量變化的角度對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分類。

[生1]釋放熱量的反應(yīng)稱為放熱反應(yīng)，吸收熱量的反應(yīng)稱為吸熱反應(yīng)。

2.著眼現(xiàn)在，探究變遷本質(zhì)，構(gòu)建能量觀

[師]為什么有些反應(yīng)吸熱，有些反應(yīng)放熱？請同學(xué)們在圖3中，補充生成物的能量位置。如果是吸熱反應(yīng)，能量圖又會如何？

[教師巡視，學(xué)生2上臺繪制并解釋原因，其他學(xué)生在學(xué)案上繪制放熱反應(yīng)（圖4）、吸熱反應(yīng)圖示（圖5）。]

[投影]CH（4g）+2O（2g）→CO（2g）+2H2O（g）CH（4g）+2O2（g）→CO（2g）+2H2O（l）

[師]請看這兩條反應(yīng)，上述兩個反應(yīng)對應(yīng)的能量圖是否相同？

[生3]不同，產(chǎn)物狀態(tài)不一樣。液態(tài)水的能量要比氣態(tài)水低，生成液態(tài)水放出的熱量更多一點。（生3上臺，把不同狀態(tài)的生成物對應(yīng)的能量標(biāo)注在圖像上。）

同理，反應(yīng)物狀態(tài)不同也會有差異。（圖6）

[過渡]這是從宏觀物質(zhì)始態(tài)和終態(tài)能量的角度來認(rèn)識反應(yīng)放熱還是吸熱。我們也可以從反應(yīng)過程，即微觀化學(xué)鍵變化角度來解釋。請同學(xué)們閱讀書本33頁第3、4兩段文字，根據(jù)圖7嘗試回答下列問題，并將自學(xué)中產(chǎn)生的疑問記錄在學(xué)案上。

1.斷鍵過程需要（“吸收”“放出”）熱量，成鍵過程需要（“吸收”“放出”）熱量。

2.1molH2（g）和1molCl2（g）生成2molHCl（g）會（填“吸收”“放出”）熱量kJ。

（學(xué)生自學(xué)教材，生生交流，完成填空。）

[師]我們把上述過程補充在圖像上（圖8）。注意，斷開舊鍵或生成新鍵變化的能量一般針對氣態(tài)物質(zhì)而言。

[投影]請從化學(xué)鍵變化角度分析反應(yīng)放熱或吸熱的原因。

[生4]如果斷開舊鍵吸收的熱量大于形成新鍵放出的熱量，則反應(yīng)吸熱;如果斷開舊鍵吸收的熱量小于形成新鍵放出的熱量，則反應(yīng)放熱。

[師]講得非常好。接下來我們一起來交流解決同學(xué)們在自學(xué)過程中產(chǎn)生的疑問。

[生5]氫氣和氯氣燃燒是放熱反應(yīng)，放出的熱量挺多的，為什么一開始需要點燃？

 [生6]（臺下直接回答）因為反應(yīng)物斷鍵需要吸收熱量。

[師]說得很好！

[生7]老師，既然斷鍵要吸收熱量，為什么前面4個實驗不用加熱就能進(jìn)行？

（臺下陷入沉思）

[師引導(dǎo)]它們斷鍵吸收的熱量來自于哪里？

[生8]我明白了！它們斷鍵需要的熱量比較小，吸收外界環(huán)境的熱量就能為斷鍵提供能量。所以反應(yīng)條件與斷鍵需要吸收的熱量大小有關(guān)，與反應(yīng)吸熱還是放熱無關(guān)。

[師]說得非常好！（臺下同學(xué)恍然大悟）

[生9]氫氣和氯氣反應(yīng)為什么一開始要加熱，后續(xù)就不用加熱了？

[生10]可能是成鍵放出的熱量為后續(xù)斷鍵提供熱量。

[生11]應(yīng)該是成鍵放出的熱量比斷鍵吸收的熱量大，才能為后續(xù)斷鍵提供熱量。

（臺下同學(xué)紛紛點頭表示同意）

[生12]那放熱反應(yīng)是不是后續(xù)都不用持續(xù)加熱了？

[生13]如果反應(yīng)需要持續(xù)加熱，是不是一定是吸熱反應(yīng)？

[師]這兩個問題很有深度！對于某些放熱反應(yīng)，斷鍵吸收的熱量比較大，而反應(yīng)放出的熱量不是很多，考慮到熱量會逸散等因素，放出的熱量不足以提供后續(xù)斷鍵，為了維持反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)也需要持續(xù)加熱。比如濃硫酸和銅的反應(yīng)就是一種需要持續(xù)加熱的放熱反應(yīng)。像氫氣和氯氣的燃燒這種放熱反應(yīng)，成鍵放出的熱量很大，放出的熱量足夠提供后續(xù)斷鍵所需要吸收的熱量，所以反應(yīng)不用持續(xù)加熱。因此持續(xù)加熱的反應(yīng)也可能是放熱反應(yīng)。具體的原因在以后的學(xué)習(xí)中我們還會進(jìn)一步學(xué)習(xí)。（考慮學(xué)生的知識基礎(chǔ)，教師在講解這部分知識時做簡化處理）

[投影]人類使用燃料經(jīng)歷了多次變遷。圖9的三種示意圖中，較為理想的燃料在空氣中發(fā)生燃燒反應(yīng)的能量變化示意圖是哪一個？

學(xué)生們積極發(fā)言：第三種更好，斷鍵需要吸收的熱量比較少;第三種燃料燃燒放出的熱量比較多;第三種燃料燃燒以后不用持續(xù)加熱......

[師]同學(xué)們講得都非常好。請問斷鍵需要的能量是不是越小越好，太小會怎么樣？

[生14]（立即喊出來）自燃！

[師]對！所以燃料選擇時，我們希望它燃燒放出的熱量大一點，同時斷鍵需要的熱量小一點，但又不要太小。

3.展望未來，優(yōu)化燃料使用，培育責(zé)任感

[投影]

[師]這是我國2019年的能源消費結(jié)構(gòu)圖（圖10），可以看出，煤、石油、天然氣仍然是我國的主要能源。除了做燃料外，化石能源通過石油煉制工業(yè)、煤的綜合利用能得到許多化工產(chǎn)品，比如汽油、潤滑油、瀝青、焦炭等（圖11、圖12）。化石能源及其產(chǎn)品與我國的經(jīng)濟(jì)生活息息相關(guān)，在我們的生活中發(fā)揮了非常重要的作用。請同學(xué)們閱讀學(xué)案上的資料卡，思考下列問題。

[投影]問題：為什么家庭燃料從煤炭逐漸變遷到液化石油氣、煤氣，到如今全部使用天然氣？

學(xué)生們積極發(fā)言：煤炭中含有氮、硫元素，燃燒產(chǎn)物有污染;煤炭是固體，燃燒不如氣體充分。

液化石油氣中含有硫化物，燃燒產(chǎn)物有污染;液化石油氣密度大于空氣，泄漏后向下擴(kuò)散，易引發(fā)爆炸。

煤氣一旦泄漏，容易中毒，不安全;單位質(zhì)量的煤氣燃燒放出的熱量最少。

天然氣燃燒的產(chǎn)物是二氧化碳和水，無污染;單位質(zhì)量的天然氣燃燒放出的熱量比煤氣高;天然氣是氣體，燃燒更加充分;天然氣密度遠(yuǎn)小于空氣，泄漏后向上擴(kuò)散，容易被空氣帶走，不易引發(fā)爆炸。

......

[師]那么更理想的燃料是什么呢？

有學(xué)生在臺下喊：氫能。

[師追問]氫氣做能源有哪些優(yōu)缺點？為了發(fā)展氫能，科學(xué)家做了哪些研究？學(xué)生們積極發(fā)言：氫氣燃燒產(chǎn)物無污染，可再生。單位質(zhì)量的氫氣燃燒放出的熱量很大......氫氣通過電解水制備，耗電，成本比較高;氫氣分子量小，沸點很低，很難液化保存;氫氣保存不當(dāng)容易引發(fā)爆炸......

目前科學(xué)家已經(jīng)研發(fā)了儲氫合金，如Ti-Fe合金、La-Ni合金，可以安全高效地吸氫和脫氫。

[師]我們的生活離不開能源。目前廣泛應(yīng)用的化石燃料是不可再生能源，且煤和石油燃燒有一定的污染性。面對上述問題，我們主要從節(jié)能減排和開發(fā)新能源角度去解決。......教師播放視頻，展示能源有效利用與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系。

[板書設(shè)計]見圖13。