CPS模型在高中化學課堂教學中的實踐應用

摘 要：文章以“催化劑的探索之旅”教學內容為例，展示了在核心素養背景下，CPS模型在高中化學課堂教學中的實踐特點及對學生創造性思維培養的積極作用.

關鍵詞：核心素養；CPS模型；課堂教學；創造性思維；催化劑

中圖分類號：G632 ""文獻標識碼：A ""文章編號：1008-0333（2024）36-0108-04

收稿日期：2024-09-25

作者簡介：曹唯一（1995.11—），女，江蘇省常熟人，研究生，中學二級教師，從事高中化學教學研究.

基金項目：江蘇省中小學教學研究課題“CPS模型在高中化學教學中的實踐應用”（2021JY14-XK-L29）.

2017年修訂的《考試大綱》中增加了“了解反應活化能的概念，了解催化劑的重要作用”，2020修訂版課程標準也增加了“知道反應是有歷程的，認識基元反應活化能對化學反應速率的影響”“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”等要求.從近幾年江蘇高考卷中也不難發現，催化劑考查已聚焦在化學反應歷程中，考查催化劑與反應歷程的關系、催化劑與活化能的關系、中間產物和反應選擇性的判斷、催化劑失活與再生的原因等，對學生核心素養的要求極高.因此，能否采用合適有效的教學方式去培養學生的創造性思維，發展學生的核心素養已成為教師值得深思的問題.

1 CPS教學模型

創造性問題解決（Creative Problem Solving，簡稱CPS） 模型，

由美國學者帕恩斯（Parnes）提出.

本文采用的CPS模型為“四成分八階段”模型（如圖1所示）.該模型以問題解決過程為基礎，強調學習者在遇到問題時應先結合發散思維與聚斂思維，了解問題的條件及目標，搜集資料后，加上自己已有的知識經驗，尋求可能的解決方法，推測欲達到的目標成果.再針對此方法考慮每個步驟、使用的策略等實際行動，從而解決問題.該版本模型還引導解決問題者以小組合作的形式進行腦力激蕩，讓有限的個人創造力與其他小組成員的想法相互激蕩，以產生更大的創造效果，更有效地提升團體成員的創造力［1］.

2 CPS教學模型的案例分析

2.1 教學意圖分析

結合CPS模型與高中化學課堂教學的特點，教師對“催化劑的探索之旅”這一課的設計意圖是將催化劑分為兩類，分別從均相催化、非均相催化這兩種催化機理角度去探索催化劑.通過真實合適的情境去探索兩種催化的思維模型，并將模型遷移至真實情境中去解決問題.基于證據推理，建立認知模型，并運用模型解釋問題，培養學生科學探究的精神和創新思維，提高學生的社會責任感，充分體現化學學科的核心素養.

2.2 教學過程分析

2.2.1 了解挑戰

2.2.1.1 尋找機會

【情境導入】工業合成氨解決了全球糧食緊缺的危機，并多次獲得諾貝爾化學獎.這個反應的關鍵就是尋找合適的催化劑，提高催化效率，那我們又對催化劑了解多少呢？

設計意圖：在尋找機會階段，教師將教材中工業合成氨的反應作為情境引入，突出工業合成氨反應的重要意義，符合學生的認知規律.

2.2.1.2 尋找資料

【活動一：重溫催化劑】

［教師］談談你對催化劑的已有認識，基于你的認知，從能量變化角度構建使用催化劑的認識模型，用虛線進行描述（圖2）.

［建立模型］板書：

2.2.1.3 發現問題

［教師］從初中開始，你學過哪些使用催化劑的化學反應方程式，請舉例.

［學生活動］初中學過雙氧水的分解可以使用Fe3+或MnO2為催化劑.高中乙酸乙酯的制備中使用濃硫酸為催化劑，工業合成氨反應.

［教師］物質的氣態、液態、固態三種聚集狀態也可以稱之為相.觀察列舉的反應方程式中反應物與催化劑的相態，你有什么發現？

2.2.2 產生構想—激發點子

［學生活動］雙氧水使用Fe3+為催化劑的分解反應和乙酸乙酯的制備反應中反應物與催化劑屬于同一相，而雙氧水使用MnO2為催化劑的分解反應和工業合成氨的反應中反應物與催化劑屬于不同相.

［教師］根據反應物與催化劑是否屬于同一相，可以將催化劑分為兩類：均相催化劑與非均相催化劑.

設計意圖：在尋找資料和發現問題階段，從學生對催化劑的已有認識著手，通過能量與反應歷程的圖像，進一步夯實學生對催化劑的基礎認知；從學生熟悉的教材中的化學方程式入手，幫助他們利用聚斂思維對發散問題進行構想.2.2.3 準備行動的計劃

【活動二：初識均相催化反應歷程】

［教師］不同催化劑的催化機理不同，讓我們一起來開啟我們的探究之旅吧.

2.2.3.1 發展解法

［學生活動］（學生閱讀）均相催化劑催化機理：一般，均相催化劑既是反應物也是產物，開始時與反應物反應，改變反應途徑，降低了活化能，加快反應速率，有中間產物生成，最后又得到催化劑.

2.2.3.2 評估過程

［教師］結合均相催化劑的催化機理，試著分析圖3中催化劑是否參與反應.如果參與，能否寫出分步反應.

［學生活動］催化劑參與反應，因為使用催化劑后，活化能大大降低了.

［學生板書］O3+Cl·→O2+ClO·

ClO·+O· →Cl·+O2

［教師］中間產物是誰？決定反應速率的是哪一步？

［學生活動］ ClO·.決速步是第一步，因為Ea1＞Ea2，第一步為慢反應，第二步為快反應，故決速步為慢反應.

［建立模型］建立對于一般的用K作催化劑的反應A+B=C來說，反應可分為A+K=AK，AK+B=K+C，AK為中間產物，K為催化劑，符合均相催化劑的催化機理.

［能力遷移1］（17年江蘇高考）堿式氯化銅有多種制備方法，先制得CuCl2，再與石灰乳反應生成堿式氯化銅.Cu與稀鹽酸在持續通入空氣的條件下反應生成CuCl2，Fe3+對該反應有催化作用，其催化原理如圖4所示.M'的化學式為________.

設計意圖：從魯教版素材出發，在尋求接受階段，明確均相催化的機理；在評估過程階段，利用聚斂思維嘗試建立均相催化的思維模型.再通過17年的高考真題，進一步提高利用思維模型分析解決問題的能力，提升學生的發散性思維.

2.2.4 準備行動的計劃—發展解法，尋求接受

【活動三：初識非均相催化反應歷程】

［教師］2007年埃特爾研究“固體表面化學過程”揭開了合成氨的“天機”，同時初步揭開了非均相催化劑表面催化的反應機理，獲得了諾貝爾化學獎.請同學們基于上述合成氨的反應歷程，梳理出圖5中表面催化反應歷程.

［建立模型］擴散－吸附－表面反應－脫附－擴散

設計意圖：準備行動的計劃是從工業合成氨的反應機理出發，呼應了情境，在發展解法和尋求接受階段利用聚斂思維梳理出非均相催化的一般反應歷程，又利用發散思維構建非均相催化模型.

2.2.5 計劃實行的方式

2.2.5.1 評估過程

［教師］從N2為主線，合成氨表面催化反應歷程如圖5：第一步N2、H2擴散至催化劑表面；第二步N2、H2吸附到催化劑表面，一開始是簡單的物理吸附，后過渡到以化學鍵為主的化學吸附，化學吸附指的是N2、H2吸附到催化劑表面的活性位點處，形成吸附化學鍵，在吸附化學鍵的作用下，N2、H2發生斷鍵，形成了活性很強的自由基或離子等，從而降低了反應的活化能；第三步N2在催化劑表面得到電子與H+反應，最終生成NH3；第四步NH3從催化劑表面脫附；第五步NH3擴散，離開反應區.

［學生閱讀］資料卡：Taylor和活性中心理論

1920年左右，Taylor發現在催化劑表面的角、裂紋等不連續的地方會發生優先吸附，他認為這些位點的催化活性會比平坦表面的高，這就是 “活性中心”與 “活性結構”概念的起源.1940年代中期，Balandin提出所謂的 “多位理論”，即催化劑的活性取決于表面上幾個空間合適的原子與反應分子的合適匹配.

［教師］實際生產中，N2和H2物質的量比為

1∶2.8，而非1∶3，從生產成本、催化機理角度分析N2稍過量的原因？

［學生活動］生產成本角度，N2在自然界中存在普遍，原料易得，稍過量有利于提高H2的轉化率.催化機理角度，氮氮三鍵鍵能比較大，因此它的吸附是決速步，N2稍過量有利于加快反應速率.

［教師］但N2為什么又不能過量太多？

［學生活動］N2和H2在催化劑表面存在競爭吸附的關系，如果N2過多，影響了H2的吸附，反而不利于反應.

［教師］實際生產中，從催化機理角度分析為什么要將NH3及時液化移出？

［學生活動］NH3及時液化移出可以讓出更多的活性位點，有助于N2和H2在催化劑表面活性位點處繼續吸附，保證反應的繼續進行.

［能力遷移3］500 ℃時，甲烷與二氧化碳重整反應原理如下.在原料氣中添加微量O2有利于保持催化劑的活性，分析其原因.

主反應：

CH4（g）＋CO2（g）2CO（g）＋2H2（g）

ΔH＝246.5 kJ·mol-1

副反應：

Ⅰ H2（g）＋CO2（g）CO（g）＋H2O（g）

ΔH＝41.2 kJ·mol-1

Ⅱ 2CO（g）CO2（g）＋C（s）

ΔH＝-172.5 kJ·mol-1

Ⅲ CH4（g）C（s）＋2H2（g）

ΔH＝75 kJ·mol-1

設計意圖：落實計劃實行的方式中，高起點，低落點，通過實際生產中的問題，學生可在真實情境下進一步解決非均相的催化機理歷程中涉及的實際問題，發展學生的科學探究與創新思維.教師通過模考題目的陌生情境，引導學生用非均相的催化模型來分析解決問題，并指導學生用規范的化學用語進行答題，培養學生的嚴謹態度.

［鏈接高考］（21年江蘇高考）利用銅—鈰氧化物（xCuO·yCeO2，Ce是活潑金屬）催化氧化可除去H2中少量CO，催化氧化過程中Cu、Ce的化合價均發生變化，可能機理如圖6所示.將n（CO）∶n（O2）∶n（H2）∶n（N2）=1∶1∶49∶49的混合氣體以一定流速通過裝有xCuO·yCeO2催化劑的反應器，Ce基態原子核外電子排布式為［Xe］4f15d16s2.

［教師］請同學們從催化機理角度思考步驟（ⅰ）中，元素Cu、Ce化合價發生的變化情況？

［學生活動］元素Ce：+4價降到+3價；元素Cu：+2價降到+1價.

［教師］當催化氧化溫度超過150 ℃時，催化劑的催化活性下降，其可能原因？

［學生活動］溫度升高，Cu2+或Cu+被H2或CO還原為Cu.

設計意圖：以一道高考真題帶動學生真切地體會非均相催化模型，聚斂階段嘗試用該模型去評估過程，探究問題的解決方案.

2.2.5.2 設計流程

［教師］本節課我們探究了不同類型催化劑的催化機理，研究性能更為優異穩定的催化劑已成為目前化工行業的重點.請同學們總結探究過程，你有哪些收獲呢？

［學生活動］這節課我們探究了不同催化劑的催化機理，經歷了提出問題、分析問題、構建思維模型去解決問題的過程.

3 結束語

CPS模型是培養學生創造性思維的一種教學模型.問題解決者在選擇或實行符合現實環境、問題條件的解決方法前，需要先以發散性思維構想出大量的方案，再以聚斂性思維來選擇最適合的解決方法，最后加以執行，由此提升問題解決者的創造力及問題解決能力.如何在真實情境下合理地交替使用這兩種思維方式是CPS模型的關鍵［2］.因此，教師要根據教學內容和學生實際情況靈活運用CPS模型，促進學生創造性思維的培養.

參考文獻：

［1］

袁維新.國外創造性問題解決模型研究［J］.外國教育研究，2010，37（07）：6-11.

［2］ 周佳.基于“CPS”模型的“庫侖定律”教學案例分析［J］.物理教師，2020，41（01）：30-33.

［責任編輯：季春陽］