培養(yǎng)學(xué)生“模型認(rèn)知”能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

華麗芬

江蘇省前黃高級(jí)中學(xué)國(guó)際分校(213161)

“模型認(rèn)知”是高中化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，其內(nèi)涵為通過(guò)分析、探究等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。“化學(xué)反應(yīng)速率”是高中生認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的重要角度，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科核心概念中的“變化觀”。本文以蘇教版化學(xué)1“探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”為主題，基于“聯(lián)系生活提出問(wèn)題-實(shí)驗(yàn)探究建立模型-運(yùn)用模型解決問(wèn)題”的教學(xué)流程探討如何培養(yǎng)高中學(xué)生“模型認(rèn)知”能力。

1 教學(xué)過(guò)程

1.1 聯(lián)系生活提出問(wèn)題

“化學(xué)反應(yīng)有快有慢”是學(xué)生已有的認(rèn)知，如節(jié)日的煙花轉(zhuǎn)瞬即逝而鐘乳石的形成卻是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程；炎熱天氣食物容易腐敗而放入冰箱可以保存更長(zhǎng)時(shí)間。那么“鐵生銹”是快反應(yīng)還是慢反應(yīng)？當(dāng)老師提出這個(gè)問(wèn)題后，學(xué)生眾說(shuō)紛紜，有的認(rèn)為是慢反應(yīng),理由是：①跟煙花相比很慢，②不銹鋼制品很難生銹；有的認(rèn)為是快反應(yīng)，理由是：①跟鐘乳石的形成相比很快，②廚房里的鐵鍋水漬沒(méi)有擦干隔天就會(huì)生銹。在看似矛盾的答案中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)1個(gè)問(wèn)題：化學(xué)反應(yīng)的快慢是相對(duì)的，不同研究對(duì)象、不同環(huán)境條件、不同觀察者看到的現(xiàn)象各不相同。那么如何更科學(xué)地進(jìn)行反應(yīng)快慢的比較呢？

1.2 實(shí)驗(yàn)探究建立模型

學(xué)生的實(shí)驗(yàn)桌上有以下實(shí)驗(yàn)用品：鎂條和鐵片(形狀大小相同)，碳酸鈣(塊狀、粉末狀)，二氧化錳粉末，鹽酸(0.5 mol/L，3 mol/L)，H2O2溶液(2%)，碳酸飲料(雪碧)。試管、針筒(20 mL)、藥匙、膠頭滴管、酒精燈、試管夾、火柴。面對(duì)如此眾多的實(shí)驗(yàn)用品，有的學(xué)生一會(huì)兒拿了這個(gè)瓶子看看，一會(huì)兒又去拿另一個(gè)瓶子看看，不知如何下手。有的學(xué)生想都不想拿起試管就倒試劑，有的直接拿出火柴點(diǎn)燃了酒精燈……教師笑而不語(yǔ)，靜觀其變。兩分鐘后，有學(xué)生放下了手里的實(shí)驗(yàn)用品，一邊在紙上寫寫畫畫，一邊還在跟同桌交流。教師請(qǐng)這位同學(xué)說(shuō)說(shuō)為什么不繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)？學(xué)生說(shuō)：我用了0.5 mol/L的鹽酸和粉狀碳酸鈣反應(yīng)，同桌用了3 mol/L的鹽酸和塊狀碳酸鈣反應(yīng)，我們2支試管中產(chǎn)生氣泡一樣快。我覺(jué)得這樣比較沒(méi)有意義，所以就先停下來(lái)再想想怎么比較。

學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣需要教師的悉心呵護(hù)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力需要教師的方法引導(dǎo)。教師這樣引導(dǎo)學(xué)生：

教師：你想研究哪個(gè)反應(yīng)的快慢？

學(xué)生：鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)。

教師：你想研究哪個(gè)因素？

學(xué)生：濃度、溫度、接觸面積都可以吧。

教師：能同時(shí)研究幾個(gè)因素嗎？

學(xué)生：好像不行。

教師：那你怎樣保證每次只研究1個(gè)因素？

學(xué)生：(思考一會(huì)之后回答)我可以用等體積0.5 mol/L的鹽酸和3 mol/L的鹽酸同時(shí)跟等量的粉末狀碳酸鈣反應(yīng)然后看產(chǎn)生氣泡快慢。

教師：其它因素怎么研究呢？

學(xué)生：我還可以用0.5 mol/L的鹽酸分別和塊狀碳酸鈣、粉末狀碳酸鈣反應(yīng)看產(chǎn)生氣泡的快慢。

教師：請(qǐng)繼續(xù)你的研究吧！

模型認(rèn)知是一種具有描述、分析、解釋、預(yù)測(cè)等功能的科學(xué)方法，學(xué)生在教師的逐步引導(dǎo)下建立了探究反應(yīng)規(guī)律的認(rèn)知模型：首先確定研究對(duì)象，即要研究對(duì)哪個(gè)化學(xué)反應(yīng)的影響，是研究碳酸鈣與鹽酸的反應(yīng)，還是雙氧水分解的反應(yīng)，抑或是金屬與酸的反應(yīng)。其次確定自變量和因變量，即要研究哪個(gè)因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)快慢的影響，是研究溫度影響，還是濃度、壓強(qiáng)、催化劑影響，抑或是接觸面積的影響。然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)操作改變單一自變量，即要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如何只改變1個(gè)條件，選擇溫度影響就要用到酒精燈(常溫與加熱條件)，選擇濃度影響就要用到不同濃度的鹽酸(0.5 mol/L，3 mol/L)，選擇壓強(qiáng)影響就要用到碳酸飲料與針筒(常壓與加壓條件)，選擇催化劑影響就要用到二氧化錳粉末，選擇接觸面積影響就要用到不同形態(tài)的碳酸鈣(塊狀、粉末狀)。最后觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論。學(xué)生利用“控制變量”思維模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程如圖1和表1所示。

圖1 “控制變量”思維模型

表1 探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到物質(zhì)自身的性質(zhì)會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)的快慢，通過(guò)改變外界條件(濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑、接觸面積等)可以調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的快慢。幫助學(xué)生初步形成實(shí)驗(yàn)探究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的思路方法，提高利用控制變量思想設(shè)計(jì)實(shí)施實(shí)驗(yàn)的能力。

2 運(yùn)用模型解決問(wèn)題

問(wèn)題1：工業(yè)上采用接觸法制取硫酸，下列工藝的設(shè)計(jì)分別利用或體現(xiàn)了哪些影響反應(yīng)速率的因素？

①沸騰爐中：將礦石粉碎后送入爐內(nèi)；鼓入足量空氣沸騰焙燒；②接觸室中：反應(yīng)溫度為400～500 ℃，V2O5作催化劑；③吸收塔中：用98.3%濃硫酸噴淋吸收SO3。

設(shè)計(jì)意圖：此題主要診斷學(xué)生是否掌握調(diào)控化學(xué)反應(yīng)快慢方法，同時(shí)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到調(diào)控化學(xué)反應(yīng)快慢在工業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，體會(huì)化學(xué)科學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)。

問(wèn)題2：某化學(xué)興趣小組欲測(cè)定KClO3溶液與NaHSO3溶液反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率。所用試劑為10 mL 0.1 mol/L KClO3溶液和10 mL 0.3 mol/L NaHSO3溶液(已知：ClO3-+3HSO3-=Cl-+3SO42-+3H+)。某同學(xué)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過(guò)程先快后慢。該組同學(xué)針對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)一步通過(guò)測(cè)定c(Cl-)隨時(shí)間變化的曲線探究影響因素，具體如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

①I中實(shí)驗(yàn)操作為_(kāi)___________；II中假設(shè)為_(kāi)___________。

②除I、II、III中的假設(shè)外，還可以提出的假設(shè)是____________。

③在已知方案I的假設(shè)不成立的情況下，某同學(xué)從控制變量的角度思考，認(rèn)為方案III中實(shí)驗(yàn)操作設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)，請(qǐng)進(jìn)行改進(jìn)：____________。

④反應(yīng)后期，化學(xué)反應(yīng)速率減小的原因是____________。

設(shè)計(jì)意圖：此題探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素，幫助學(xué)生初步形成了實(shí)驗(yàn)探究化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的思路方法，建立認(rèn)知模型，此題主要診斷學(xué)生能否較為熟練地運(yùn)用“控制變量”思維模型進(jìn)行學(xué)習(xí)遷移、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。①方案I中反應(yīng)放熱，使溶液溫度升高，反應(yīng)加快，因此需要測(cè)量反應(yīng)過(guò)程中溶液溫度的變化，則實(shí)驗(yàn)操作為插入溫度計(jì)；方案Ⅱ與方案I相比較加入了少量NaCl固體，所以方案Ⅱ中的假設(shè)為生成的Cl-加快了化學(xué)反應(yīng)。②由于反應(yīng)中還有SO42-生成，還可以假設(shè)生成的SO42-加快了化學(xué)反應(yīng)。③為防止Cl-對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，需要改進(jìn)的措施是將1 mL水改為1 mL 0.2 mol/L NaCl溶液。④反應(yīng)進(jìn)行到后期，由于反應(yīng)物濃度一直在減小，所以化學(xué)反應(yīng)速率也減小。

3 研究感悟

“化學(xué)反應(yīng)速率”的知識(shí)內(nèi)容在高中化學(xué)必修課程中的教學(xué)要求是學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率的概念，了解溫度、催化劑等因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響，所以在常規(guī)教學(xué)中，教師可能會(huì)將化學(xué)反應(yīng)速率的計(jì)算公式直接告訴學(xué)生，接著做幾個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，象征性地給學(xué)生看看，然后布置幾道題讓學(xué)生練習(xí)鞏固一下就結(jié)束了。本節(jié)課通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素，將學(xué)生感性的、模糊的認(rèn)識(shí)上升為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的知識(shí)，通過(guò)建立模型并運(yùn)用模型讓學(xué)生體會(huì)控制變量的研究方法，促進(jìn)了深度學(xué)習(xí)，也進(jìn)一步鍛煉了學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作能力，發(fā)展了創(chuàng)造性思維與批判性思維。