基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)教學(xué)設(shè)計
——以“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”教學(xué)為例

四川 張東貴 陳淑偉

(作者單位：四川省瀘州市瀘州老窖天府中學(xué))

一、理論基礎(chǔ)

《教育部關(guān)于全面深化課程改革 落實立德樹人根本任務(wù)的意見》中強調(diào)要以學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)體系為主體，從不同維度發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，進一步明確各學(xué)段、各學(xué)科具體的教書育人目標(biāo)和任務(wù)，強化各學(xué)段課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》中凝練了化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”五個方面。在化學(xué)課堂教學(xué)活動中開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)改革，是深化課程改革，落實立德樹人根本任務(wù)的重要方法。

本節(jié)內(nèi)容從教材編排的知識體系來看，既是必修2第二章第三節(jié)“化學(xué)反應(yīng)速率和限度”的內(nèi)容延伸與深化，又為后續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)平衡奠定基礎(chǔ)，同時又與教材緒言中介紹的有效碰撞理論相呼應(yīng)，起著承上啟下的作用。本節(jié)內(nèi)容的知識在生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用和價值。通過必修2的學(xué)習(xí)，學(xué)生已具備了一定的實驗?zāi)芰屠硇运季S能力，但學(xué)生的抽象思維仍不夠成熟。因此本課時主要是對影響化學(xué)反應(yīng)速率的外界條件(濃度、溫度、催化劑)進行實驗探究，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建有效碰撞理論模型，并應(yīng)用有效碰撞理論模型進行微觀解釋，從而實現(xiàn)由感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的升華，有助于學(xué)生從本質(zhì)上理解新知識，進一步完善學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)設(shè)計

(一)教學(xué)與評價目標(biāo)

1.教學(xué)目標(biāo)

(1)通過探究實驗，研究濃度、溫度和催化劑等外在因素對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，通過獨立設(shè)計實驗來培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新能力，形成并發(fā)展“對照實驗”“控制變量”和“定量分析”的實驗思想，發(fā)展學(xué)生演繹推理、系統(tǒng)思維(或假設(shè)思維)能力。

(2)通過組織學(xué)生討論宏觀條件對化學(xué)反應(yīng)速率的影響原因，引導(dǎo)學(xué)生體會微觀(碰撞)理論模型的建構(gòu)過程。理解學(xué)科素養(yǎng)中的宏觀辨識與微觀探析。

(3)通過外界因素對反應(yīng)速率的影響的理解，轉(zhuǎn)化為在生產(chǎn)、生活中的運用，來培養(yǎng)學(xué)生利用科技手段改善人們的生活條件，增強學(xué)生的社會責(zé)任感，以及對學(xué)習(xí)的成就感。

2.評價目標(biāo)

(1)通過對濃度、溫度、催化劑等外界因素對化學(xué)反應(yīng)速率影響的探究，提高學(xué)生們對抽象的定性、定量概念的理解。

(2)通過運用微觀碰撞理論來解釋宏觀條件對化學(xué)反應(yīng)速率影響原因，提高學(xué)生從宏觀角度與微觀角度對化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的認(rèn)識進階，以及視角層面及內(nèi)涵層面的深入。

(3)通過工業(yè)制硫酸的條件控制的討論，發(fā)展學(xué)生孤立水平及系統(tǒng)水平的解決生活中實際問題的能力和學(xué)科價值及社會價值的認(rèn)識水平。

(二)教學(xué)與評價思路

圖1

(三)教學(xué)流程圖

圖2

(四)主要教學(xué)活動設(shè)計

1.課前預(yù)習(xí)

[問題]回憶并查閱《必修2》中關(guān)于化學(xué)反應(yīng)速率的相關(guān)內(nèi)容，回答以下兩個問題：

(1)影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有哪些？列舉控制化學(xué)反應(yīng)速率在生活中的運用實例，并思考改變的是影響化學(xué)反應(yīng)速率的何種因素？

(2)再利用互聯(lián)網(wǎng)或其他途徑查找在化學(xué)動力學(xué)角度影響化學(xué)反應(yīng)速率的領(lǐng)域獲得諾貝爾化學(xué)獎的情況，感悟研究化學(xué)動力學(xué)的價值。

2.課中探究

(1)情景引入

[師]播放視頻——在研究化學(xué)動力學(xué)角度影響化學(xué)反應(yīng)速率的領(lǐng)域獲得諾貝爾化學(xué)獎的部分科學(xué)家。

[生]感受研究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素的巨大價值。

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)真實情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對探索新知識的渴望與追求。

(2)合作探究

①活動元一：探索發(fā)現(xiàn)——外界條件影響化學(xué)反應(yīng)速率的宏觀辨識

[師]影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有哪些？

[生]結(jié)合課前學(xué)習(xí)情況進行歸納總結(jié)。

[師]物質(zhì)自身的性質(zhì)沒法改變，能改變的是外界條件，外界條件是如何影響化學(xué)反應(yīng)速率的？研究其變化又可以選擇哪些方法？

[生]實驗探究……

[師]今天我們就走“實驗之道”，求“速率之理”，以草酸、高錳酸鉀和硫酸的反應(yīng)為例來探究同一個反應(yīng)在改變不同的外界條件下對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

[師]如何增大該反應(yīng)的速率？如何定量測定該反應(yīng)的速率？

[生]交流、討論得出一致意見：增大濃度、升高溫度、使用MnSO4作催化劑可增大反應(yīng)速率。應(yīng)選擇測定溶液褪色的時間來定量測定該反應(yīng)的速率。

[任務(wù)1]設(shè)計實驗方案

[投影]實驗?zāi)康模禾骄繚舛?、溫度、催化劑等外界因素對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

實驗用品：KMnO4溶液(0.01 mol·L-1、0.05 mol·L-1)、H2C2O4溶液(0.1 mol·L-1、0.2 mol·L-1)、H2SO4溶液(4.6 mol·L-1)、MnSO4固體、熱水、試管、燒杯、秒表

[師]在研究某一因素對反應(yīng)速率的影響時，要學(xué)會控制變量。

[投影]對照實驗

表1

[師]請同學(xué)們根據(jù)實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗用品和對照實驗，在小組內(nèi)合作設(shè)計實驗方案。

[生]小組內(nèi)合作完成實驗方案的設(shè)計。

[生]各小組依次派代表匯報實驗方案，學(xué)生互相對實驗方案進行評價，體會“對照實驗”“控制變量”和“定量分析”思想在實驗設(shè)計中的運用，最終形成具體的實驗方案。

[投影]具體的實驗方案

表2

設(shè)計意圖：學(xué)生經(jīng)過思考、討論、小組合作設(shè)計實驗方案，并運用同一個化學(xué)反應(yīng)完成三個影響因素的探究，充分體現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)新性。由小組代表匯報實驗方案，并進行相互評價，進一步培養(yǎng)了學(xué)生的綜合素養(yǎng)，深刻感受“對照實驗”“控制變量”和“定量分析”三大實驗思想在實驗方案設(shè)計中的運用。

[任務(wù)2]動手實驗

[師]強調(diào)實驗安全和實驗操作規(guī)范，并明確要求應(yīng)認(rèn)真觀察現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論并對結(jié)論進行理論分析，做好展示準(zhǔn)備。

[生]小組合作，完成實驗。

設(shè)計意圖：學(xué)生分工合作，發(fā)展學(xué)生的合作探究意識和動手能力。

[任務(wù)3]數(shù)據(jù)處理

[生]各小組逐一匯報實驗數(shù)據(jù)。

[師]在黑板上如實記錄各組匯報的實驗數(shù)據(jù)。

[生]分析實驗數(shù)據(jù)，找到變化規(guī)律，得出實驗結(jié)論。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力，體驗科學(xué)探究的樂趣，收獲成功的喜悅。

②活動元二：追根溯源——外界條件影響化學(xué)反應(yīng)速率的微觀探析

[任務(wù)1]構(gòu)建有效碰撞理論基本模型

[師]濃度、溫度、催化劑在微觀上是如何影響化學(xué)反應(yīng)速率的？能否從微觀的角度去解釋這些宏觀現(xiàn)象呢？接下來老師帶領(lǐng)同學(xué)們進入微觀世界，一探究竟。

[師]化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是舊鍵的斷裂和新鍵的形成，舊鍵的斷裂和新鍵的形成必須經(jīng)過分子的有效碰撞來實現(xiàn)。是不是每一次碰撞都能發(fā)生反應(yīng)呢？

[資料卡片]在一密閉的容器中，在500℃和101 kPa時，0.001 mol·L-1的HI氣體，每升氣體，分子碰撞每秒達3.5×1028次之多，若每次碰撞都能發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)速率將達到5.8×104mol·L-1·s-1，但實際速率僅為1.2×10-8mol·L-1·s-1。

[生]不是每次碰撞都能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

[師]那怎樣的碰撞才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)呢？

[師]播放HI分解視頻。

[生]結(jié)合動畫，提煉有效碰撞理論的核心概念：有效碰撞，活化分子，活化能。

[師]普通分子能否轉(zhuǎn)化為活化分子？

[生]升高溫度，可使普通分子吸收能量變?yōu)榛罨肿?；使用催化劑，降低反?yīng)活化能，可使普通分子變?yōu)榛罨肿印?/p>

【構(gòu)建模型】構(gòu)建有效碰撞理論的基本模型：

圖3

設(shè)計意圖：通過具體數(shù)據(jù)與視頻播放相結(jié)合的形式引導(dǎo)學(xué)生建立有效碰撞基本模型，并運用模型解釋實驗結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理意識，發(fā)展學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的認(rèn)識進階和認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化水平。

[任務(wù)2]運用有效碰撞理論基本模型，解釋實驗結(jié)論

[師]請同學(xué)們結(jié)合有效碰撞理論模型解釋：為什么升高溫度，化學(xué)反應(yīng)速率加快?為什么使用催化劑，化學(xué)反應(yīng)速率加快?為什么增大濃度，化學(xué)反應(yīng)速率加快?

[生]運用有效碰撞理論模型解釋實驗結(jié)論。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過模型解釋結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生利用宏微結(jié)合解決實際問題的能力。

③活動元三：學(xué)以致用——感受調(diào)控外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率的影響價值

圖4

[生]產(chǎn)生更大更好的經(jīng)濟效益。

[師]本節(jié)課你學(xué)到了什么？

[生]總結(jié)本節(jié)課的內(nèi)容。

設(shè)計意圖：在實驗探究時要研究某一因素的影響時要控制單一變量，而在實際的生產(chǎn)中是多變量，產(chǎn)生認(rèn)知沖突的同時培養(yǎng)學(xué)生用辯證的觀點看待問題和運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，提升學(xué)生的社會責(zé)任感和總結(jié)、歸納、表達能力。

三、教學(xué)反思

課堂教學(xué)內(nèi)容是指課堂上要教的東西，不只是學(xué)科基本知識、基本技能，還包括學(xué)生應(yīng)知道的教學(xué)設(shè)計思路、情境素材、評價方式以及師生交互過程中生成的學(xué)科思想、認(rèn)知模型、情感態(tài)度與價值觀等成分。教學(xué)就是“教”與“學(xué)”的雙邊活動，最好的課堂就是讓學(xué)生做思維體操。本節(jié)課以三個活動元貫穿始終，不斷制造認(rèn)知沖突，層層遞進，層層深入，在解決問題的過程中培養(yǎng)方法和能力，實現(xiàn)“教—學(xué)—評”一體化。