基于“模型認知”的“化學反應速率的影響因素”教學探究

吳春霞

(福建省永安市第一中學 366000)

《普通高中化學課程標準(2017年版)》提出的化學學科核心素養(yǎng)包括“證據(jù)推理與模型認知”，因此“模型”“模型認知”引起了很多化學教學研究者的關注，不同研究者提出的關于“模型”“模型認知”不同觀點.

例如：陸軍提出模型包括實物模型和形式模型兩類，形式模型包括數(shù)學模型、圖像模型和語義模型等，化學學科核心素養(yǎng)中的“模型認知”是“基于模型的認知”.楊玉琴認為“模型認知”能力是指能夠運用模型描述化學研究對象、解釋化學現(xiàn)象和規(guī)律、預測可能的結果，并建構模型展示自己對化學事實的理解和解釋能力.馮品鈺、何彩霞提意把“模型認知”分為兩大方面，一是利用模型認識事物及其變化.二是過建構認知模型建立解決問題的思考框架.前者指科學模型，后者指科學認知模型.羅炳杰認為“模型”是研究對象的替代物，是按比例或特征制成的與實物相似的物體或圖形，數(shù)軸模型、坐標模型、思維模型等是中學化學教學中常見的模型.吳克勇、蔡子華則把化學學科中的模型可分為物質模型(包括天然物質模型、人工物質模型)和思想模型(包括想象模型、符號模型和數(shù)學模型)，“模型認知”是指人們利用模型認識事物或通過建模解決問題.

上述研究者的觀點為一線教師的教學實踐指出了一個方向，也為教學評價提供了一種思路，還為多視角理解“模型認知”打開了通道.

在魯科版高二化學反應原理第二章第三節(jié)“化學反應速率”的教學實踐中，學生對濃度、溫度、壓強、催化劑等外界條件的改變?nèi)绾斡绊懟瘜W反應的速率有一定的困難，因此筆者進行了基于“模型認知”的“化學反應速率的影響因素”的教學探究.

一、“打籃球”模型

用“打籃球模型”幫助學生理解有效碰撞理論.NBA的明星們很容易把籃球投入籃筐中，因為他們有力量(相當于活化分子)又有合適的角度(相當于發(fā)生有效碰撞).而小朋友則因為力量小(不是活化分子)再怎么努力，方向正確也很難投入籃筐中(碰撞是無效的).

如果溫度升高，某些普通的分子獲得能量轉化為活化分子，反應速率加快.相當于讓小朋友們好好吃飯獲得能量，長大了也可以輕松打球.

而使用催化劑降低活化能(使本來變通的分子有一部分變成了活化分子).相當于給小朋友們一個迷你的籃筐，筐的高度下降，讓他們不用長大(獲得能量)也可以輕松灌籃(如圖1所示).

圖1

反應物濃度增大化學反應速率加快，相當去投籃的人數(shù)增加了，當然也能提高進球的次數(shù).

二、“分數(shù)”模型

如果把一個反應的活化能看成是某次考試的及格線，全班人數(shù)看成是參加反應的分子，那么如果及格線高(即活化能高)，則及格率低(活化分子百分數(shù)低).

使用催化劑相當于是把及格線降低(活化能變低)，則及格率高(活化分子百分數(shù)高).

溫度升高可以看成是老師另外給加分了(一部分反應物能量升高)，但是及格線不變(活化能不變)，這樣的及格率也提高了(活化分子百分數(shù)提高).

反應物濃度增大化學反應速率加快，其中活化分子百分數(shù)沒有變，但活化分子總數(shù)增加，反應速率加快.這相當于參加考試的人數(shù)(分子總數(shù))增加了，但是及格率(活化分子百分數(shù))沒有變，及格人數(shù)(活化分子數(shù))多了.

三、“爬山”模型

催化劑參與反應改變反應歷程，因此可以較大幅度地降低反應的活化能，活化分子數(shù)和有效碰撞增多，從而能提高化學反應速率．

從反應物到生成物，看成是從山的一邊到另一邊，如果只有一條路(有效碰撞)能從山頂(活化能)翻過去，現(xiàn)在有一隊人開始爬山，只有找對路而且有體力到山頂?shù)娜丝梢赃^去(活化分子發(fā)生了有效碰撞).

使用催化劑可以加快化學反應速率，相當于在半山上挖了一條隧道，這樣可以到半山和穿過隧道的人就變多了(活化分子百分數(shù)和有效碰撞變多).

升高溫度可以加快化學反應速率，可以看成是其中有一部分體力不足的人坐了纜車到山頂而且也找到了路(活化分子百分數(shù)和有效碰撞變多).

增大濃度可以加快化學反應速率，可以看成是比原先更多的人來爬山，但翻過去的人數(shù)比例不變(活化分子百分數(shù)不變)，總人數(shù)增多了(活化分子數(shù)增多).

四、“骰子”游戲模型

“骰子”游戲模型的前提假設：某一個反應中活化分子的百分比受壓力、溫度、催化劑等因素影響，而不受濃度影響.

作為一個假想的反應，在不加熱和加入催化劑的情況下，活化分子僅占所有分子的1/3左右(所以假定骰子點數(shù)大于等于5時為活化分子).當加熱和加入催化劑后，這個比例就會發(fā)生改變.反應的發(fā)生不僅是能量因素(分子是否達到活化能)，還有空間分子的運動因素(即分子間碰撞是否有效)，并非活化分子間的每一次碰撞都是有效碰撞.

游戲的說明：

活化裁決：每人投擲一枚骰子，若點數(shù)大于等于5則活化.

有效碰撞裁決：活化成功的人再投擲一次骰子，若點數(shù)大于等于4則發(fā)生有效碰撞，發(fā)生有效碰撞后視作轉化為生成物，不再投擲.

請成功變?yōu)椤吧晌铩钡膶W生站起來進行人數(shù)統(tǒng)計.

(1)濃度對化學反應速率的影響(見表1)

表1

(2)溫度對化學反應速率的影響(見表2)

表2

活化裁決和有效碰撞裁決同表1.

(3)催化劑對化學反應速率的影響(見表3)

表3

因第二輪游戲代表使用催化劑，將活化裁決改變?yōu)椋好咳送稊S一枚骰子，若點數(shù)大于等于3則活化.

有效碰撞裁決改變?yōu)椋夯罨晒Φ娜嗽偻稊S一次骰子，若點數(shù)大于等于2則發(fā)生有效碰撞，發(fā)生有效碰撞后視作轉化為生成物，不再投擲.

【數(shù)據(jù)分析：以上表格中的數(shù)據(jù)為筆者在一個46人的班級上課時的游戲記錄.】學生在課堂上游戲并記錄的數(shù)據(jù)可以比較直觀的知道：增加濃度，升高溫度，使用催化劑均可以提高活化分子的數(shù)目和有效碰撞概率.當然，如果能多做幾組游戲，數(shù)據(jù)應該可以更科學合理.

在高中化學這門課程中，它的核心素養(yǎng)包含著“宏觀辨識與微觀探析”、“變化觀念與平衡思想”以及“證據(jù)推理與模型認知”等，雖然每一個核心素養(yǎng)的側重點都有所不同，但它們可以相互作用，促使學生們得到更為全面的發(fā)展和教育，促進學生們擁有未來發(fā)展中對能力以及品質方面的需求.

通過本節(jié)課“化學反應速率影響因素”的教學探究，進一步讓筆者深刻的體會到模型認知的重要性，在一些抽象問題的學習上，合適的模型可以讓學生更容易理解和體悟學習的內(nèi)容，可以讓學生學會分辨化學現(xiàn)象與模型之間的關系，并能夠使用種類多樣的模型來形容以及解釋化學現(xiàn)象，進而在自己的思維中建立起解決重難點化學問題的框架.