基于BOPPPS改進模型對“化學反應方向”的教學設計

李佳慧

（中國人民解放軍陸軍特種作戰(zhàn)學院，廣東廣州 510030）

研究化學反應方向具有重要意義，可根據(jù)反應機理，改變反應溫度、反應物的狀態(tài)，從而使反應向我們需要的方向進行。例如，碳酸鈣分解反應制得的氧化鈣在化工生產(chǎn)中具有廣泛應用，但是該反應常溫下不自發(fā)，高溫時才自發(fā)。學員通過本講的學習不僅能明白為什么碳酸鈣分解反應的條件是高溫，還能計算出碳酸鈣分解所需的最低溫度，節(jié)約資源。再如，工業(yè)上用熔融氯化鉀和鈉單質混合制鉀時，鉀因為沸點低會變成氣體跑出，此過程通過使反應的熵變大于零，從而使化學反應向希望的方向持續(xù)進行。

化學反應方向是熱力學專題的第三次課，對判斷反應發(fā)生的方向性問題具有重大意義，是學習熱力學的重點。根據(jù)課程教學計劃，本次課的教學目標如下：知識層面-能描述熵、吉布斯自由能的概念及其物理意義，能根據(jù)標準摩爾反應焓變、標準摩爾熵變、吉布斯-亥姆霍茲公式計算吉布斯自由能變；能力層面-能運用比較、歸納、概括等方法提升信息加工能力，能應用吉布斯自由能判據(jù)判斷化學反應的方向；素質層面-在建立吉布斯自由能判據(jù)的過程中訓練邏輯思維能力，體會事物的發(fā)展、變化常常受多種因素的制約，要全面分析問題。

教學對象分析：學員已在前一講學習了化學反應中的能量關系，會用熱力學數(shù)據(jù)計算標準摩爾反應焓變，通過類比標準摩爾反應焓變的計算能容易掌握用熱力學數(shù)據(jù)計算標準摩爾熵變和標準摩爾吉布斯函數(shù)變的方法；學員有與反應自發(fā)性相關的生活經(jīng)驗，但是缺乏對經(jīng)驗的總結，在系統(tǒng)理解反應自發(fā)性、定量判斷反應進行的方向存在困難；教學知識點和內容多，課堂上可自由調整的時間較少。

BOPPPS教學模型[1]包括6個教學環(huán)節(jié)：導入、學習目標、預評估、參與式學習、后評估和總結?？紤]到BOPPPS教學模型的局限性，對其進行如下優(yōu)化。

1）為更好的了解學員的知識能力基礎，增加了預習導學環(huán)節(jié)；

2）為解決預評估和后評估可調整的教學時間短問題，將預評估調整到課前，后評估調整到課后；

3）為便于掌握課中學情，在參與式學習環(huán)節(jié)加入練習。

本文根據(jù)實際學情，結合BOPPPS改進模型[2]和實例教學，從學員已有知識及日常生活中的見聞出發(fā)，結合前一講課后作業(yè)和本講課前預評估反饋，建構化學反應方向的判據(jù)，學會運用比較、概括、歸納等方法對信息進行加工、構建新知識，系統(tǒng)理解化學反應方向。

1 預習

在上一講課后布置明確的預習任務，使學員明白“學什么”，教員通過前測題了解學員相關知識的掌握情況，并通過反饋進行教學調整。

預習任務：預習《化學反應的方向》，找出熵、吉布斯自由能的定義；通過課本中吉布斯函數(shù)變的定義和例題，初步認識吉布斯自由能判據(jù)相關 內容。

2 導入

通過實例教學法和角色代入法[3]，激發(fā)學員學習化學反應方向的興趣和需要，明白“為什么學”。

導入：通過視頻-俄烏沖突中克里米亞大橋被炸事件，感受彈藥在軍事中的重要性。介紹第一次世界大戰(zhàn)期間，化學家發(fā)明了由空氣、水和煤固氮并制取彈藥的軍事實例。引導學員代入角色，上級給你3種可能的固氮方案，請從熱力學角度判斷選擇哪個反應最合適？

（1）N2（g）+O2（g）=2NO（g）

（2）N2（g）+2O2（g）=2NO2（g）

（3）N2（g）+3H2（g）=2NH3（g）

3 學習目標

從學員的角度出發(fā)，制定有層次的、精準可測的學習目標[4]。讓學員初步建立學習預期，再次明確“學什么”，提升課堂質量。

強調學習的重難點，使學員心中有數(shù)。重點：理解熵、標準摩爾熵變與吉布斯自由能的概念。難點：應用吉布斯自由能判據(jù)判斷化學反應進行的方向，應用吉布斯-亥姆霍茲公式計算任意溫度下反應的吉布斯自由能變。

4 預評估

課前通過問卷星發(fā)布作業(yè)，了解學員“知曉什么”，教員再通過作業(yè)情況對課堂教學進行調節(jié)。前測題包含判斷題（能否僅用焓變ΔH或熵變ΔS作為反應方向的判斷依據(jù)）、選擇題（吉布斯自由能的概念）、討論題（如何判斷反應的方向）。

5 參與式學習

此環(huán)節(jié)是本次課的核心部分，重點圍繞“自發(fā)過程與熵”“吉布斯自由能”“化學反應的吉布斯自由能判據(jù)”“化學反應的非標準摩爾吉布斯函數(shù)變”這四個關鍵內容展開。此環(huán)節(jié)通過問題驅動，采用以學員為中心的問題導引式教學方法，在問題串的層遞解決過程中由易到難建構主體內容，實現(xiàn)知識的融會貫通，訓練邏輯思維能力。此外，為了方便掌握教學過程中學員的學習情況，增加了隨堂練習。

5.1 自發(fā)反應進行的趨勢

從焓和熵的角度，認識化學反應的“內因”，了解自發(fā)反應進行的趨勢，自發(fā)過程與熵。

5.1.1 自發(fā)過程趨于從高能狀態(tài)向低能狀態(tài)轉化

（1）結合真空時氣體擴散的圖示和生活中的常見現(xiàn)象（如水自高處流向低處、熱從高溫物體傳給低溫物體、不同溶液的相互混合），說明自發(fā)過程的定義并舉例。

（2）學員通過例子歸納出自然界自發(fā)過程的特點：在沒有外界能量的參與下，反應總是向放熱（或焓減少）更多的方向自發(fā)進行。再次，自然引出湯姆森-貝賽洛判據(jù)（此處引入思政點：科研人員要堅持不懈地追求真理和堅定不移地堅持真理），并舉例說明湯姆森-貝賽洛判據(jù)的局限性，如4℃時冰的自發(fā)融化過程吸熱、氫氧化鋇與氯化銨的自發(fā)反應過程吸熱、碳酸銨分解反應向焓增加的方向自發(fā)進行。

（3）得出結論：僅用焓變ΔH不能作為反應方向的判斷依據(jù)。

5.1.2 自發(fā)過程趨于從有序狀態(tài)向無序狀態(tài)轉化

（1）結合自發(fā)過程物質無序程度的圖示，介紹熵的起源歷史和發(fā)展，學習熵的熱力學定義，理解熵增原理。

（2）從熵的統(tǒng)計學定義，S=klnΩ（k為玻爾茲曼常數(shù)，Ω表示一個系統(tǒng)內微觀粒子的微觀狀態(tài)總數(shù)），理解熵的物理意義，明白熵是熱力學中描述系統(tǒng)混亂度的函數(shù)。在此基礎上，通過例題講解，框圖歸納總結規(guī)律，體會熵的含義及熵值大小的比較方法。

（3）舉出反例，發(fā)現(xiàn)并不是熵減的就是非自發(fā)反應，如氫氣與氧氣反應生成液態(tài)水。

（4）得出結論：僅用熵變ΔS不能作為反應方向的判斷依據(jù)。

在理解自發(fā)過程和熵后，通過隨堂測試，類比標準摩爾焓變ΔrHmθ的計算方法，用熱力學數(shù)據(jù)計算標準摩爾熵變ΔrSmθ。最后組織學員討論，比較、概括、歸納得出規(guī)律，體會熵的計算方法，并強調注意事項。

5.2 如何選擇正確方法來判斷化學反應進行的方向

吉布斯自由能：通過問題一的解決，學員已經(jīng)明白孤立系統(tǒng)自發(fā)地向熵增加的方向進行。此外，通過上一講“化學反應中的能量關系”的學習，知道在等溫、等壓條件下，系統(tǒng)自發(fā)地向系統(tǒng)內分子、原子的勢能變化之和減少的方向進行?；诖?，本次課從已有知識和生活經(jīng)驗出發(fā)，引導學員用孤立系統(tǒng)的推導方法和封閉系統(tǒng)推導方法來推導吉布斯函數(shù)（定義式ΔG=ΔH-TΔS）和吉布斯函數(shù)變判據(jù)[5]。

然后說明吉布斯判據(jù)與反應自發(fā)性的關系：ΔG＜0為自發(fā)過程，ΔG=0為平衡態(tài)，ΔG＞0為非自發(fā)過程。

通過合成氨這一典型實例進行鞏固強化。在上級給的3種可能的固氮方案，通過化學反應的標準摩爾吉布斯函數(shù)變ΔrGmθ的計算，方案3：N2（g）+ 3H2（g）=2NH3（g）化學方程式中的ΔrGmθ=ΣvBΔfGmθ＜ 0，該反應更合適。

5.3 從熱力力學角度分析以上三種固氮反應的條件（溫度）

從復合判據(jù)的角度，預測在一定條件下某種物質可能發(fā)生的化學變化。

化學反應的吉布斯自由能判據(jù)：通過問題二的解決，學員已經(jīng)知道吉布斯函數(shù)的定義式和吉布斯函數(shù)變判據(jù)。在此基礎上，教員引導學員進行定性判斷和定量計算，并用隨堂練習進行鞏固強化。

（1）定性判斷：①熵增焓減，恒自發(fā)；②熵減焓增，恒不自發(fā)；③熵增焓增，高溫自發(fā)，低溫不自發(fā)；④熵減焓減，低溫自發(fā)，高溫不自發(fā)。

根據(jù)化學反應方向的復合判據(jù)ΔG=ΔH-TΔS中ΔH、ΔS與零的大小關系，定性判斷化學反應能否自發(fā)進行及反應自發(fā)進行的條件。如圖1所示，可用數(shù)軸的形式表示用自由能判斷反應進行方向的規(guī)律，便于學員理解記憶溫度對化學反應方向的影響。

圖1 自由能判斷反應進行方向的規(guī)律

（2）定量計算：吉布斯-亥姆霍茲公式（Gibbs-Helmholtz equation）ΔrGmθ=ΔrHmθ-TΔrSmθ

定量計算標準摩爾吉布斯函數(shù)變可用公式①ΔrGmθ=ΣvBΔfGmθ或②ΔrGmθ=ΔrHmθ-TΔrSmθ。需注意的是：通過查課本后附表-某些物質的標準摩爾生成吉布斯函數(shù)（標準態(tài)壓強Pθ=100kPa,25℃）可知ΔfGmθ，但該數(shù)據(jù)使用時對溫度和壓強有限制，因此公式①僅適用于100kPa、25℃時；因為ΔrGmθ、ΔrSmθ受溫度影響小，公式 ΔrGmθ=ΔrHmθ(298.15K)-TΔrSmθ(298.15K)適用于任何溫度，因此計算標準摩爾吉布斯函數(shù)變時優(yōu)先選擇公式②。

此外，不能直接用公式①計算所得ΔrGmθ與零的大小關系來判斷化學反應的方向，因為該方法判斷的只是標準大氣壓下、室溫時化學反應的自發(fā)性。故我們常用ΔH、ΔS與零的大小關系來定性判斷化學反應的自發(fā)性。

通過計算發(fā)現(xiàn)：①反應N2（g）+O2（g）=2NO（g），在標準狀態(tài)下，溫度高于7 287K時該反應可以自發(fā)進行。但由于溫度過高，直接通過加熱由N2和O2反應生成NO氣體的反應實際操作性差。②反應 N2（g）+2O2（g）=2NO2（g） 的ΔrHmθ＞0，ΔrSmθ＜0，ΔrGmθ＞0，該反應不能自發(fā)進行。③反應N2（g）+ 3H2（g）=2NH3（g）在標準態(tài)下，溫度低于464.0K時該反應可自發(fā)進行。這一部分與導入環(huán)節(jié)相互呼應，解決問題。

5.4 非標準狀態(tài)下，吉布斯函數(shù)變與標準摩爾吉布斯函數(shù)變的關系

通過問題三的解決，學員已經(jīng)能定性判斷化學反應的方向和定量計算標準摩爾吉布斯函數(shù)變。但是，一般反應不是在標準態(tài)下進行的，ΔG隨系統(tǒng)中反應物和生成物的壓強或濃度的變化而變化，由此問題過渡到非標準狀態(tài)下的吉布斯函數(shù)變。再介紹由熱力學推導出的范特霍夫等溫方程（Van 't Hoff equation）。

范特霍夫等溫方程：對于化學反應aA（aq）+dD（aq）=eE（aq）+fF（aq），在等溫等壓條件下，可用下式表示：

應用熱力學數(shù)據(jù)和本次課學到的方法對工業(yè)上經(jīng)常使用的金屬材料是否能和大氣中的氧氣直接反應進行判斷和估算。

6 總結

教員引導學員對本次課的要點進行回顧，并用思維導圖進行歸納總結，再次明確學習目標。對學員的參與情況和學習情況進行總結與評價，肯定學員的學習成果，讓學員感受到學習的成就感。通過本講的學習，學員會計算標準狀態(tài)下的吉布斯函數(shù)變，知道化學反應方向如何判斷。提出新的問題：人們通過一氧化氮與一氧化碳反應生成氮氣和二氧化碳來處理汽車尾氣，通過本節(jié)課所學知識可知該反應可以自發(fā)進行，但汽車尾氣中還是排放出大量的一氧化碳、一氧化氮，這與反應速率有關，讓學員對下次課產(chǎn)生一定的學習預期。

7 后評估

由于在參與式環(huán)節(jié)中已通過部分測試題檢驗課中學習效果，并且每次課的課時是有限的，學員的消化吸收也需要一個過程，因此在課后設置后評估環(huán)節(jié)。后測題包含選擇題（Smθ大小關系的比較、根據(jù)ΔrGmθ來判斷標準狀態(tài)下反應能否自發(fā)進行）、計算題（吉布斯函數(shù)變判據(jù)判斷反應的自發(fā)性、反應溫度的確定）、拓展閱讀（熵的故事），最后布置下節(jié)課的預習任務。學員通過后測題復習理解所學內容，教員根據(jù)作業(yè)情況和預習反饋對下節(jié)課“化學反應速率”進行課堂教學設計。見圖2。

圖2 基于BOPPPS改進模型的“化學反應方向”教學處理

以上是結合BOPPPS改進模型和實例教學的環(huán)節(jié)，7個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，層層遞進，通過“評價-反饋-改進”建立閉環(huán)形成了持續(xù)改進機制，實現(xiàn)了教師對“課前-課中-課后”全過程的學情掌控。幫助學員運用對比、概括、歸納總結等方法對已知信息進行加工、建構化學反應方向的判據(jù)，提高應用吉布斯自由能判據(jù)判斷化學反應方向的能力。