基于學科核心素養的高中化學教學設計
——以“影響化學反應速率的因素”教學為例

四川 張東貴 陳淑偉

(作者單位：四川省瀘州市瀘州老窖天府中學)

一、理論基礎

《教育部關于全面深化課程改革 落實立德樹人根本任務的意見》中強調要以學生發展核心素養體系為主體，從不同維度發展學生核心素養，進一步明確各學段、各學科具體的教書育人目標和任務，強化各學段課程教學標準。

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中凝練了化學學科素養，包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”五個方面。在化學課堂教學活動中開展“素養為本”的教學改革，是深化課程改革，落實立德樹人根本任務的重要方法。

本節內容從教材編排的知識體系來看，既是必修2第二章第三節“化學反應速率和限度”的內容延伸與深化，又為后續學習化學平衡奠定基礎，同時又與教材緒言中介紹的有效碰撞理論相呼應，起著承上啟下的作用。本節內容的知識在生活、生產和科學研究中有著廣泛的應用和價值。通過必修2的學習，學生已具備了一定的實驗能力和理性思維能力，但學生的抽象思維仍不夠成熟。因此本課時主要是對影響化學反應速率的外界條件(濃度、溫度、催化劑)進行實驗探究，引導學生構建有效碰撞理論模型，并應用有效碰撞理論模型進行微觀解釋，從而實現由感性認識到理性認識的升華，有助于學生從本質上理解新知識，進一步完善學生的認知結構，培養發展學生的化學學科核心素養。

二、教學設計

(一)教學與評價目標

1.教學目標

(1)通過探究實驗，研究濃度、溫度和催化劑等外在因素對化學反應速率的影響，通過獨立設計實驗來培養學生科學探究與創新能力，形成并發展“對照實驗”“控制變量”和“定量分析”的實驗思想，發展學生演繹推理、系統思維(或假設思維)能力。

(2)通過組織學生討論宏觀條件對化學反應速率的影響原因，引導學生體會微觀(碰撞)理論模型的建構過程。理解學科素養中的宏觀辨識與微觀探析。

(3)通過外界因素對反應速率的影響的理解，轉化為在生產、生活中的運用，來培養學生利用科技手段改善人們的生活條件，增強學生的社會責任感，以及對學習的成就感。

2.評價目標

(1)通過對濃度、溫度、催化劑等外界因素對化學反應速率影響的探究，提高學生們對抽象的定性、定量概念的理解。

(2)通過運用微觀碰撞理論來解釋宏觀條件對化學反應速率影響原因，提高學生從宏觀角度與微觀角度對化學反應本質的認識進階，以及視角層面及內涵層面的深入。

(3)通過工業制硫酸的條件控制的討論，發展學生孤立水平及系統水平的解決生活中實際問題的能力和學科價值及社會價值的認識水平。

(二)教學與評價思路

圖1

(三)教學流程圖

圖2

(四)主要教學活動設計

1.課前預習

[問題]回憶并查閱《必修2》中關于化學反應速率的相關內容，回答以下兩個問題：

(1)影響化學反應速率的因素有哪些？列舉控制化學反應速率在生活中的運用實例，并思考改變的是影響化學反應速率的何種因素？

(2)再利用互聯網或其他途徑查找在化學動力學角度影響化學反應速率的領域獲得諾貝爾化學獎的情況，感悟研究化學動力學的價值。

2.課中探究

(1)情景引入

[師]播放視頻——在研究化學動力學角度影響化學反應速率的領域獲得諾貝爾化學獎的部分科學家。

[生]感受研究影響化學反應速率的因素的巨大價值。

設計意圖：創設真實情境，激發學生的學習興趣和對探索新知識的渴望與追求。

(2)合作探究

①活動元一：探索發現——外界條件影響化學反應速率的宏觀辨識

[師]影響化學反應速率的因素有哪些？

[生]結合課前學習情況進行歸納總結。

[師]物質自身的性質沒法改變，能改變的是外界條件，外界條件是如何影響化學反應速率的？研究其變化又可以選擇哪些方法？

[生]實驗探究……

[師]今天我們就走“實驗之道”，求“速率之理”，以草酸、高錳酸鉀和硫酸的反應為例來探究同一個反應在改變不同的外界條件下對化學反應速率的影響。

[師]如何增大該反應的速率？如何定量測定該反應的速率？

[生]交流、討論得出一致意見：增大濃度、升高溫度、使用MnSO4作催化劑可增大反應速率。應選擇測定溶液褪色的時間來定量測定該反應的速率。

[任務1]設計實驗方案

[投影]實驗目的：探究濃度、溫度、催化劑等外界因素對化學反應速率的影響

實驗用品：KMnO4溶液(0.01 mol·L-1、0.05 mol·L-1)、H2C2O4溶液(0.1 mol·L-1、0.2 mol·L-1)、H2SO4溶液(4.6 mol·L-1)、MnSO4固體、熱水、試管、燒杯、秒表

[師]在研究某一因素對反應速率的影響時，要學會控制變量。

[投影]對照實驗

表1

[師]請同學們根據實驗目的、實驗原理、實驗用品和對照實驗，在小組內合作設計實驗方案。

[生]小組內合作完成實驗方案的設計。

[生]各小組依次派代表匯報實驗方案，學生互相對實驗方案進行評價，體會“對照實驗”“控制變量”和“定量分析”思想在實驗設計中的運用，最終形成具體的實驗方案。

[投影]具體的實驗方案

表2

設計意圖：學生經過思考、討論、小組合作設計實驗方案，并運用同一個化學反應完成三個影響因素的探究，充分體現了學生學習的自主性和創新性。由小組代表匯報實驗方案，并進行相互評價，進一步培養了學生的綜合素養，深刻感受“對照實驗”“控制變量”和“定量分析”三大實驗思想在實驗方案設計中的運用。

[任務2]動手實驗

[師]強調實驗安全和實驗操作規范，并明確要求應認真觀察現象、記錄數據、分析數據、得出結論并對結論進行理論分析，做好展示準備。

[生]小組合作，完成實驗。

設計意圖：學生分工合作，發展學生的合作探究意識和動手能力。

[任務3]數據處理

[生]各小組逐一匯報實驗數據。

[師]在黑板上如實記錄各組匯報的實驗數據。

[生]分析實驗數據，找到變化規律，得出實驗結論。

設計意圖：培養學生分析、解決問題的能力，體驗科學探究的樂趣，收獲成功的喜悅。

②活動元二：追根溯源——外界條件影響化學反應速率的微觀探析

[任務1]構建有效碰撞理論基本模型

[師]濃度、溫度、催化劑在微觀上是如何影響化學反應速率的？能否從微觀的角度去解釋這些宏觀現象呢？接下來老師帶領同學們進入微觀世界，一探究竟。

[師]化學反應的本質是舊鍵的斷裂和新鍵的形成，舊鍵的斷裂和新鍵的形成必須經過分子的有效碰撞來實現。是不是每一次碰撞都能發生反應呢？

[資料卡片]在一密閉的容器中，在500℃和101 kPa時，0.001 mol·L-1的HI氣體，每升氣體，分子碰撞每秒達3.5×1028次之多，若每次碰撞都能發生反應，反應速率將達到5.8×104mol·L-1·s-1，但實際速率僅為1.2×10-8mol·L-1·s-1。

[生]不是每次碰撞都能發生化學反應。

[師]那怎樣的碰撞才能發生化學反應呢？

[師]播放HI分解視頻。

[生]結合動畫，提煉有效碰撞理論的核心概念：有效碰撞，活化分子，活化能。

[師]普通分子能否轉化為活化分子？

[生]升高溫度，可使普通分子吸收能量變為活化分子；使用催化劑，降低反應活化能，可使普通分子變為活化分子。

【構建模型】構建有效碰撞理論的基本模型：

圖3

設計意圖：通過具體數據與視頻播放相結合的形式引導學生建立有效碰撞基本模型，并運用模型解釋實驗結論，培養學生的證據推理意識，發展學生對化學反應本質的認識進階和認識思路的結構化水平。

[任務2]運用有效碰撞理論基本模型，解釋實驗結論

[師]請同學們結合有效碰撞理論模型解釋：為什么升高溫度，化學反應速率加快?為什么使用催化劑，化學反應速率加快?為什么增大濃度，化學反應速率加快?

[生]運用有效碰撞理論模型解釋實驗結論。

設計意圖：學生通過模型解釋結論，培養學生利用宏微結合解決實際問題的能力。

③活動元三：學以致用——感受調控外界條件對化學反應速率的影響價值

圖4

[生]產生更大更好的經濟效益。

[師]本節課你學到了什么？

[生]總結本節課的內容。

設計意圖：在實驗探究時要研究某一因素的影響時要控制單一變量，而在實際的生產中是多變量，產生認知沖突的同時培養學生用辯證的觀點看待問題和運用所學知識解決實際問題的能力，提升學生的社會責任感和總結、歸納、表達能力。

三、教學反思

課堂教學內容是指課堂上要教的東西，不只是學科基本知識、基本技能，還包括學生應知道的教學設計思路、情境素材、評價方式以及師生交互過程中生成的學科思想、認知模型、情感態度與價值觀等成分。教學就是“教”與“學”的雙邊活動，最好的課堂就是讓學生做思維體操。本節課以三個活動元貫穿始終，不斷制造認知沖突，層層遞進，層層深入，在解決問題的過程中培養方法和能力，實現“教—學—評”一體化。