基于“能量觀”的學科素養(yǎng)培養(yǎng)
——以“化學反應中的熱量變化”為例

丁 浩

（江蘇省梁豐高級中學 江蘇 張家港 215600）

基于“能量觀”的學科素養(yǎng)培養(yǎng)
——以“化學反應中的熱量變化”為例

丁 浩

（江蘇省梁豐高級中學 江蘇 張家港 215600）

“能量觀”是繼“物質(zhì)觀”后學生接觸到的又一重要化學學科觀念，化學反應中微粒間化學鍵的變化是能量變化的根源，而能量守恒是定量判斷反應熱的依據(jù)。文章以“化學反應中的熱量變化”為例，嘗試通過科學探究學習學科概念，發(fā)展學生科學思維，培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)。

學習進階；能量觀；核心素養(yǎng)；能量守恒

熱化學是熱力學第一定律運用于化學反應中熱量的定量計算的具體體現(xiàn)，高中階段可簡單表述為研究化學反應熱效應。

本文以蘇教版必修2專題2第二單元“化學反應中的熱量變化”為例，嘗試從化學反應中的“能量觀”角度，結合物質(zhì)與能量、結構與性質(zhì)以及變化與守恒等學科觀念，探討通過學科觀念學習培養(yǎng)學生學科素養(yǎng)的方法。

能量，高一學生認識角度多是和熱量相關聯(lián)，認識更多的是停留在初中化學的燃燒的基本條件（達到著火點）、燃燒是劇烈的發(fā)光發(fā)熱的氧化反應、物理學科中的動能和勢能。通過專題2學習，以化學能和熱能的相互轉(zhuǎn)化、化學能和電能的相互轉(zhuǎn)化為例，引導學生認識到化學反應中物質(zhì)變化同時，伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，而且能量的轉(zhuǎn)化是多種形式的。

深層次看，化學反應中表現(xiàn)出來的能量變化是和物質(zhì)結構息息相關，化學反應是原子間的重新組合過程，涉及到化學鍵的斷裂和形成過程，斷裂化學鍵需要吸收能量，形成化學鍵要釋放能量，宏觀上表現(xiàn)的能量變化實際上是由這兩個過程的熱效應相對大小決定，通過微觀變化理解宏觀現(xiàn)象，而通過宏觀現(xiàn)象能夠辨析微觀結構上的差異，宏觀現(xiàn)象只是眾多微觀粒子性質(zhì)疊加和放大。從定量的角度分析能量變化的原因和表示方法，為學生開啟了化學學科的另一重要學科觀念——能量守恒觀。

一、從學習進階看，剖析概念學習層次

高中階段，能量轉(zhuǎn)化的教學內(nèi)容在必修2專題2和選修（化學反應原理）都有涉及，轉(zhuǎn)化形式主要是化學能與熱能、電能、太陽能、生物質(zhì)能之間的相互轉(zhuǎn)化。從概念的進階看，“化學反應中的熱量變化”具體涉及以下四個層次要求。

第一層次，能夠從宏觀角度，認識到不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，能夠舉例說明通過化學變化可以實現(xiàn)化學能、熱能、電能、太陽能之間的轉(zhuǎn)化。能夠從反應的熱效應判斷反應物和生成物能量存在差異，這種差異通?？梢员憩F(xiàn)反應的吸熱或放熱。

第二層次，能夠從微觀粒子之間的作用力的變化，即化學鍵的形成和斷裂角度分析能量變化，理解化學反應是物質(zhì)變化和能量變化的統(tǒng)一，進而理解反應的熱效應（即焓變）以及使用鍵能定量計算熱效應；同時為活化能概念做好鋪墊。

第三層次，知道內(nèi)能和焓是與體系狀態(tài)有關的物理量，了解內(nèi)能改變、焓變與反應熱的關系；運用反應焓變和熵變判斷反應能否自發(fā)進行以及自發(fā)進行的外界條件；能夠根據(jù)實際需要，有目的地通過化學反應實現(xiàn)化學能與其他能量的相互轉(zhuǎn)化。

第四層次，能量的守恒觀。物質(zhì)的絕對能量無法測得，但是伴隨反應進行能量的變化是可以測定的，能量守恒和質(zhì)量守恒一樣，是化學變化中的兩個重要的守恒，能夠運用蓋斯定律進行簡單計算。

其中第三層次和第四層次涉及選修《化學反應原理》的學習，必修階段主要完成第一、二層次學習。對于學生來說，需要從單純的物質(zhì)轉(zhuǎn)化角度認識化學反應，拓展到能量轉(zhuǎn)化，形成多維度、多角度認識化學反應的觀念和能力。

由于能量難以直接根據(jù)某些性質(zhì)直接判斷、感知，而需要通過間接的熱效應（比如溫度的變化、發(fā)光發(fā)熱等）來定性判斷，熱效應可以通過一定量的某物質(zhì)之間反應的溫度變化定量測定，還可以結合具體的化學鍵能進行定量計算。

三、從學科觀念看，合理設計教學環(huán)節(jié)

從教材結構上看，本單元把學生從僅僅關注化學反應中物質(zhì)的性質(zhì)和變化逐漸引導到能量的變化以及能量的轉(zhuǎn)化，并從微觀粒子的化學鍵變化解釋能量變化的原因，為下階段化學能和熱能、電能的轉(zhuǎn)化做好準備。

教材引言部分，以“在化學反應中，反應物轉(zhuǎn)化為生成物的同時，必然發(fā)生能量的變化”開始，引導學生的視野投向化學反應中除物質(zhì)變化之外的另一個領域——“能量變化”。必修二專題2與第二單元分別以“化學反應和能量轉(zhuǎn)化”、“化學反應中的熱量”為標題，自然引出連續(xù)的、縱向的、遞進的四個層次問題：

（1）化學反應與能量變化是什么關系？（從關注物質(zhì)變化到能量變化）

（2）化學反應中的熱量和能量的關系？（能量形式的多樣性）

（3）化學變化中能量（熱量）從哪里來？（化學鍵，守恒思想核心知識）

（4）怎樣表示化學變化中的熱量變化？（熱化學方程式的表達方式和含義）

清楚了教學目標和涉及的學科核心知識，圍繞以上問題，厘清本節(jié)課的教學脈絡：

環(huán)節(jié)一，展現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的多種形式引入課題——能量能夠相互轉(zhuǎn)化。

環(huán)節(jié)二，從能量轉(zhuǎn)換方式看，通過化學反應實現(xiàn)化學能和熱能的轉(zhuǎn)換，結合能量圖中反應物總能量和生成物總能量的相對大小判斷反應為放熱和吸熱反應。

環(huán)節(jié)三，從微觀角度分析化學鍵變化，化學鍵斷裂和形成時分別需要吸收和釋放能量，由兩者相對量的大小定量分析引起熱量變化，運用化學鍵定量分析和表示化學反應的熱效應。

環(huán)節(jié)四，初步認識熱化學方程式，了解熱化學方程式和化學方程式的區(qū)別和含義。

圍繞這四個問題層層遞進，即以“問題為本”，采取學生自主學習和小組合作學習相結合，學生通過生活中能量變化的實例重現(xiàn)多種形式的能量，聯(lián)系具體的化學反應感知化學反應和能量（特別是熱量）的相關性，結合小組實驗、觀察、思考、小組討論等形式領會反應熱的內(nèi)涵、外延，達到概念的了解、理解、深化和運用。

三、從科學探究看，活用各種探究樣本

教材提供的探究樣本，具有典型性，在具體的教學實踐中，可以依據(jù)實際情況對樣本進行修改使之更具科學性和可操作性。

教材提供活動與探究：在100mL小燒杯中加入約20g經(jīng)研磨的氫氧化鋇晶體［Ba（OH）2·8H2O］，然后再加入約10g NH4Cl晶體，用玻璃棒攪拌，使之充分混合。用手觸摸燒杯外壁，反應混合物的溫度有什么變化？

由于該反應速率較快，生成的氨氣容易逸出，在教學實踐中把反應裝置改成“塑料薄膜袋”，向塑料薄膜袋中加入氫氧化鋇晶體［Ba（OH）2·8H2O］和NH4Cl晶體，排出袋內(nèi)空氣，扎緊袋口，反復揉塑料袋中的混合物，使之充分反應。

經(jīng)過上述改進后，可以防止生成的氨氣的逸出，引導學生關注化學品使用對人類安全和環(huán)境的影響，培養(yǎng)綠色化學思想，引導學生通過比較、權衡，形成合理的決策能力；還可以觀察到塑料袋略有鼓起，打開塑料袋有刺激性氣味，說明生成了氨氣；而且材料薄膜袋容易變形，可以反復揉捏，充分混合反應物，塑料薄膜袋傳遞熱量快，學生觸摸材料袋可以更直觀感受到溫度下降。

實際生活中，類似的“熱敷袋”、“冰敷袋”已經(jīng)走進人們的生活，結合探究活動，課堂上教師以資料的形式引入了生活中常用的冰敷袋，讓學生對熱量變化有更深切的體會。

資料1——冰敷袋構成

（1）外包裝（結實）、富有彈性，抗壓性很好，容易變形；

（2）冰敷袋內(nèi)容：氯化銨固體和水，水儲存在最里面的包裝膜中，與氯化銨隔離；

（3）當擠壓、揉搓或用硬物敲打時，內(nèi)層的隔膜很容易破裂；

（4）氯化銨被存放在外層。當內(nèi)層膜破裂時，鹽與水混合。鹽溶解在水中時，會吸收熱量。

從氫氧化鋇晶體和銨鹽反應，到生活中的冰敷袋、熱敷袋，學生能夠感受到化學與生活的聯(lián)系是如此緊密，從而關注到隨著反應發(fā)生的熱量變化，從熱量變化判斷反應的發(fā)生，進而激發(fā)對化學反應熱產(chǎn)生強烈的好奇心，喚醒和激發(fā)學生對探究物質(zhì)及其規(guī)律的強烈愿望，更多地關注化學知識的運用，并能主動地學習和探究。

圖1 冰敷袋和使用方法

基于以上考慮，可以增加課后探究“利用生活中常用物品自制冰袋或熱袋”，引導學生運用化學知識解決實際生活問題，綜合運用物理，化學知識，有效實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和能量的儲存和釋放，增強探究興趣，發(fā)展創(chuàng)新能力，更清晰地達成物質(zhì)觀和能量觀的統(tǒng)一。

四、從科學思維看，設置綜合探究活動

科學思維是化學學科核心素養(yǎng)，在教學設計中必須依據(jù)學生的思維層次和培養(yǎng)水平層次加以合理展開。作為一門自然學科，除學科知識外，化學學科在發(fā)展過程中還形成了較為系統(tǒng)的學科思維方法，掌握科學的思維方法也是化學課程的重要功能，針對學生新接受的“能量觀”，結合以往的學科觀念，設計了以下的綜合探究。

探究案例 H2在O2中燃燒生成水，同時釋放能量，請分別從水的結構、性質(zhì)和能量的角度分析為什么水不能作為燃料，對外供能？

以上探討主要目的是引導學生綜合運用化學知識，多角度、深層次地分析生活中的現(xiàn)象，培養(yǎng)學生分析與概括，實證與推理，分類與表征的能力。

從結構上看，氫元素化合價為+1價，是最高價，不能再失去電子，不能和氧氣反應；從性質(zhì)上看，水不具有可燃性，不能在氧氣中燃燒放出能量；從能量角度看，依據(jù)能量守恒定律，氫氣、氧氣化合生成水所釋放的能量，與水分解成單子所吸收的能量相等，即：水分解為氫氣和氧氣吸收的能量，與氧氣和氫氣反應生成等量水時釋放的能量相等，不能對外供能（見圖2）。

圖2 H2O—H2、O2—H2O能量變化圖

五、結論

能量觀和物質(zhì)觀是變化的兩大主題，本節(jié)課通過分析反應熱的學習進階，結合學生的思維層次，合理設置問題探究，引導學生由表及里，從微觀結構角度探究宏觀現(xiàn)象，隨著學習的深入，學生能夠逐漸體會到從現(xiàn)象上看是反應的發(fā)生導致了熱效應，但實際上熱效應和熵變卻也是反應能否發(fā)生的決定因素。綜合運用學科知識和觀念，不僅從宏觀上通過反應現(xiàn)象定性判斷能量的差異，更是從微觀的角度定量分析了反應熱產(chǎn)生的緣由，培養(yǎng)學生學科觀念、科學思維和科學探究等核心素養(yǎng)。

1008-0546（2017）10-0032-03

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.011