基于概念圖促進學生認識發展的教學實踐

基金項目：本文系2022年度廣東省教育研究院教育研究課題“促進學生認識發展的化學反應原理微課程群的應用與評價”（GDJY-2022-A-b04）、2023年度廣東省中小學教師教育科研能力提升計劃一般項目“基于發展化學核心素養的主題式教學實踐研究”（2023YQJK050）、廣州市教育研究院2022年度科研課題“基于真實情境的化學微專題教學研究”（2022jxp11）的階段性研究成果。

摘" 要：

《普通高中化學課程標

準（2017年版2020年修訂）》

在“化學反應原理”模塊新增了反應歷程、基元反應等內容。針對這些變化，本課例將選取三個真實的催化反應歷程，幫助學生建立物質變化和能量變化兩個認識角度，理解催化劑具有高效性和選擇性的本質原因；通過小組合作，共同繪制概念圖，促進知識結構化，使學生對催化劑的認識方式由定性變為定量、由宏觀進入微觀、由靜態變為動態、由孤立變為系統，促進學生的認識發展。課后限時訓練統計結果表明，本節課目標達成度良好。

關鍵詞：概念圖；認識發展；催化劑

文章編號：

1008-0546（2024）14-0057-05

中圖分類號：

G632.41""" 文獻標識碼：

B

一、問題的提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》

（以下簡稱《高中新課標》）

在“化學反應原理”模塊增加了以下內容：知道化學反應是有歷程的，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。［1］

《高中新課標》頒布以來，“催化劑”和“反應歷程”成為近幾年高考的熱門考點。關于這部分內容的研究主要集中在高考題和高三復習課的教學上，如謝葉歸［2］在剖析高考真題的基礎上，提出了高考題的考點框架；金雄鷹和毛楊林［3］提出催化劑知識整合式教學；

江合佩等［4］提出“情境解構，模型建構”的教學。對于《高中新課標》、新教材背景下高二新授課的文獻研究很少，較為典型的是唐隆健［5］對高中化學增加“反應歷程”內容提出“因材施教，使教學價值再升級”的建議，但文獻對于這部分知識在高二新授課教學中的實踐研究極少。

通過課前調查發現，學生對催化劑的認識主要存在以下三個方面的問題：①學生對一些知識存在誤解和爭議。例如，學生知道催化劑改變反應歷程這個結論，卻對催化劑是否參與了反應存在爭議。學生對催化劑的選擇性非常陌生，在判斷催化劑的選擇性時，認為更容易生成穩定性更強的物質。

②學生不會看反應的能量變化圖，不懂如何從中獲取信息，對催化劑改變反應歷程的認識是抽象的而非具體的。

③學生對催化劑的相關認識是結論性的而非生成性的，是羅列的而非關聯的。

二、教學目標

基于前面的調查，筆者決定在進行人教版

高中

化學選擇性必修1

第二章第一節“化學反應速率”教學時，開設“神奇的催化劑”的微專題教學，并設定了如下的教學目標。

（1）知道從物質變化和能量變化兩個角度分析反應的能量變化圖。

（2）會判斷催化劑和中間產物，會判斷決速步驟。

（3）了解異相催化的常見步驟，知道催化劑對氣體的吸附是化學吸附。

（4）能根據反應的能量變化圖判斷催化劑對哪種產物選擇性更強。

（5）能建構關于催化劑的知識網絡。

三、教學流程

為了糾正學生原有的錯誤觀念，筆者精心選取了三個真實的催化反應歷程，旨在幫助學生從物質變化和能量變化兩個維度建立認識角度，并學會全面有序地看懂反應的能量變化圖。通過以微觀動態的方式展現催化劑的高效性和選擇性，引導學生從本質上理解與催化劑緊密相關的概念，并促使這些概念之間建立起關聯。隨后，組織學生進行小組合作，共同繪制概念圖，這一過程不僅促進了知識的結構化，還使得學生對催化劑的認識方式實現了轉變：由定性轉變為定量，由宏觀視角轉向微觀，由靜態分析轉變為動態理解，以及由孤立發展為系統。這一系列教學活動有效地促進了學生的認識發展。具體教學流程如圖1所示。

四、教學實錄

1. 環節一" 形成研究化學反應的動力學和熱力學認識視角

［教師］某位同學提出這樣一個問題：氮氣和氫氣反應生成氨氣，該反應在常溫下的平衡常數K＝5×108，說明該反應正向基本進行完全，但是為什么不在常溫下合成氨？

［教師活動］播放視頻：2021年10月2日《透視新科技》欄目

以“奇妙

的催化”

為主題，

參訪包信和院士

與何鳴元院士

節選。

［教師］觀看視頻后，你能否解釋剛才提出的問題？

［學生］K值大，只代表反應正向進行的程度大，不代表反應速率快。一個反應要用于生產，必須有足夠快的速率。

［教師］反應正向進行的程度屬于熱力學的研究范疇，而反應速率是動力學的研究范疇。

2. 環節二" 對催化劑高效性的認識方式由定性轉為定量

［教師］如何改變反應條件來加快合成氨反應的速率？你最推崇哪種做法？原因是什么？

［學生］可以升高溫度、增大反應物濃度、增大壓強或使用催化劑等。最推崇使用催化劑，因為催化劑可以降低成本、在較低溫度下反應、可以重復使用、對設備要求低。

［教師活動］展示700K時使用鐵催化劑和不使用催化劑時合成氨反應的速率之比［v（催）/v（無）］及活化能數據，指出使用催化劑是因為其具有高效性，可以將反應速率提高上百萬倍。

［教師］那么催化劑為何能這么大程度地加快化學反應速率？

［學生］因為催化劑能降低活化能。

［教師］請畫出不使用催化劑（用實線表示）和使用鐵催化劑（用虛線表示）的能量圖。

［學生活動］繪制能量圖。

［教師活動］展示學生所畫的兩個比較有代表性的能量圖（見圖2），引導學生對左右兩幅圖進行對比并從作圖的規范性和準確性兩個角度進行評價。

兩個能量圖

［學生］

圖2（b）中橫坐標應標注為“反應過程”，有具體活化能數據的應表示出活化能數據，標注具體反應熱數據時應同時標注反應物和生成物的物質的量和狀態。合成氨的反應是放熱反應，生成物的能量比反應物的能量低，而圖2（b）表示的是吸熱反應的能量變化。

［教師］通過以上討論，我們達成了兩個共識：①催化劑不改變反應熱的大小；②催化劑降低了反應的活化能。但也能看出，兩位同學所畫的使用鐵催化劑的能量圖有一個明顯不同：一位同學畫了一個峰，另一位同學畫了兩個峰。那么，使用鐵催化劑時到底應該畫幾個峰？峰的個數與什么有關？

［學生］峰的個數與催化反應歷程有關。

［教師］鐵催化合成氨的反應歷程是怎樣的？

［學生活動］思考并交流。

3. 環節三" 形成分析反應歷程的物質變化和能量變化

認識

視角，對催化劑的認識由宏觀進入微觀，由靜態轉為動態

［教師活動］展示臭氧分解反應以及氯自由基催化臭氧分解反應過程中的能量變化示意圖（見圖3），列出總反應和催化反應的方程式。

［教師］首先請大家關注反應過程中的物質變化，在催化反應中，出現了兩個總反應式中沒有的物質，哪個是催化劑？哪個是中間產物？依據是什么？

［學生］Cl·先參與反應隨后又生成，反應前后其質量和化學性質不發生改變，是催化劑。ClO·先在反應過程中生成后又被反應掉，是中間產物。

［教師］催化劑是否參與了反應？

［學生］催化劑參與了反應，改變了反應歷程。

［教師］請大家再關注能量的變化，可以看到催化劑確實降低了反應的活化能。但兩步反應的活化能是不同的。該反應的決速步驟是哪一步？判斷依據是什么？（提示：反應歷程中速率最慢的一步決定了總反應的反應速率，稱為決速步驟）

［學生］第①步活化能比第②步高，反應速率更慢，是總反應的決速步驟。

［教師活動］提問鐵催化合成氨的反應歷程又是怎樣的，并展示合成氨的催化反應歷程

示意圖

（見圖4）。

［教師］合成氨的催化歷程一般要經歷反應物擴散至催化劑表面、吸附在催化劑表面、發生表面反應、產物從催化劑表面脫附、產物擴散離開反應區等五個步驟。從圖4中還可以看出，催化劑對氣體的吸附導致了物質化學鍵的斷裂，所以這個過程不是物理過程，而是化學吸附。另外，從圖中可以看出，表面反應也不是一步完成的。那么，這些步驟中的能量變化是怎樣的？請根據合成氨各步反應的能量變化圖（見圖5），補充各步反應歷程，并指出決速步驟。

［學生活動］書寫表面反應的反應歷程，指出決速步驟。

4. 環節四" 對催化劑選擇性的認識由定性轉為定量

［教師］催化劑的特性除了高效性還具有選擇性，催化劑為什么具有選擇性？催化劑的選擇性與什么有關？請根據酸性條件下人工光合固碳裝置中反應物在二維銻片表面催化生成甲酸、一氧化碳等的能量變化圖（見圖6），分析二維銻片對哪種產物的選擇性更好？并講出你的理由。

［學生活動］小組討論，交流觀點。觀點一：活化能低的反應速率快，相同時間內得到的產物量更多。所以該催化劑對HCOOH的選擇性更好。觀點二：CO＋H2O的能量更低，能量低的物質更穩定。所以該催化劑對CO的選擇性更好。

［教師］催化劑的選擇性指在能發生多種反應的反應系統中，同一催化劑促進不同反應的程度的比較。實質上是反應系統中目標反應與副反應間反應速率競爭的表現。因此，催化劑對活化能低的反應產物HCOOH的選擇性更好。

5. 環節五" 對催化劑的認識由孤立變為系統

［教師］在剛才的學習中，我們提到了與催化劑相關的一些概念，明確了催化劑反應前后質量和化學性質不變，討論了催化劑具有高效性和選擇性的原因。大家能否用知識網絡圖整理出這些概念、性質之間的聯系？

［學生活動］小組合作，制作知識網絡圖。

［教師活動］拍照并展示部分小組的成果，再次強調催化劑參與反應，改變了反應歷程，而看反應歷程圖應先關注物質變化，再關注能量變化。在評價、討論的基礎上，引導學生進一步完善知識網絡圖，

最終形成的知識

網絡圖如圖7所示。

五、教學效果與反思

1. 教學效果

本節課在廣州市某中學進行異地授課，并于一周后開展了限時訓練，以檢測學生對相關知識的掌握程度。

限時訓練共兩大題，六個小題，涵蓋了五個考點，總分為9分，限時7分鐘完成。

例題1" 我國科學家以MoS2為催化劑，在不同電解質溶液中實現常溫電催化合成氨，其反應歷程與相對能量計算結果如圖8所示。

常溫電催化合成氨

反應能量變化圖

（1）（4分）請用方程式表示該反應的歷程（提示：共八步，編號①～⑧）。

（2）（1分）判斷：哪一步是決速步驟？""" （填編號）。

（3）（1分）你會選擇哪種電解質溶液？" 。

（4）（1分）你認為兩種電解質環境下N2→NH3的焓變是否相同？" 。

例題2" 甲醇可以部分氧化生成甲醛（HCHO），同時也可以完全氧化生成CO2。有催化劑和無催化劑時甲醇分別氧化生成HCHO和CO2的能量變化

圖如圖9所示。

請思考并回答下列問題。

（1）（1分）無催化劑時，反應的主產物是""""" 。

（2）（1分）有催化劑時，反應的主產物是""""" 。

甲醇氧化能量變化圖

由限時訓練

題目的考

點覆蓋情

況和學生

答題情況

的統計表

（見表1）

可知，經過本節課的學習，學生可以很好地根據反應的能量變化圖，判斷出決速步驟、選擇合適的反應條件。考點4對應的

“例題1" （4）”因為最終產物分別為氣態NH3和吸附態NH3*，

雖然

干擾性強，有一定難度，但學生的得分率為73%。考點5對應的

例題2，題目情境陌生、圖像復雜，在有限的時間內學生仍能取得74%的得分率。考點1學生的得分率只有60%，比較異常，經過反思發現，該反應的能量變化圖每步只給出了主要反應物和產物，其它反應物和產物需要學生經過分析自己補足，而不少學生只寫了圖中給出的物質，從而導致失分。

通過以上分析可以看出，本節課在幾個既定目標上都取得了良好的效果。

2. 反思

在內容選取上，本節課選用了真實的數據和圖片資料，相比于單純的講解概念，顯得更加鮮活、生動，讓學生印象深刻。

在教學方式上，以學情為本，以問題為導向，采用對話式教學，學生思維參與度高，通過不同方式的評價放大共同認知，突出不同觀點，及時糾正錯誤觀念，相比于引導式教學更能暴露學生問題、思維誤區，解決問題更具針對性。

在促進學生認識發展上，本節課引導學生利用概念圖及時整理相關概念，突出核心概念和概念之間的關聯，并不斷完善概念圖，促進知識結構化；通過這節課的學習，使學生對催化劑的認識方式由定性變為定量、由宏觀進入微觀、由靜態變為動態、由孤立變為系統，很好地促進了學生的認識發展。［6］

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］謝葉歸.剖析高考真題" 突破反應歷程［J］.教學考試，2021（5）：29-32.

［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（19）：57-60.

［4］江合佩，劉炯明，鄭玉海.“情境解構，模型建構”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］唐隆健.對高中化學增加“反應歷程”內容特殊意義的思考［J］.化學教學，2021（10）：87-91.

［6］王磊.基于學生核心素養的化學學科能力研究［M］.北京：北京師范大學出版社，2018.