促進(jìn)高階思維發(fā)展的深度學(xué)習(xí)課堂教學(xué)

沈劍

摘要： 化學(xué)反應(yīng)是存在歷程的，催化劑調(diào)控反應(yīng)速率也是通過改變了反應(yīng)歷程實(shí)現(xiàn)的。選用過氧化氫催化分解反應(yīng)為例，以深度學(xué)習(xí)的方式探究均相和非均相兩類催化劑的催化過程。通過實(shí)驗(yàn)與文獻(xiàn)分析，結(jié)合宏觀現(xiàn)象和微觀分析，將催化劑參與反應(yīng)歷程這一事實(shí)可視化呈現(xiàn)，幫助學(xué)生理解這一抽象過程。同時(shí)通過模型構(gòu)建和知識(shí)遷移，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)科認(rèn)知和高階思維的層層進(jìn)階。

關(guān)鍵詞： 反應(yīng)歷程； 過氧化氫； 均相催化； 非均相催化

文章編號(hào)： 10056629（2023）07005705

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

深度學(xué)習(xí)指的是在原有知識(shí)基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者能批判地接受新知識(shí)，并將前后進(jìn)行有效整合，構(gòu)建新的知識(shí)體系。并在知識(shí)遷移中不斷完善模型結(jié)構(gòu)和內(nèi)化認(rèn)知思維［1］。將深度學(xué)習(xí)的思想滲透到課堂教學(xué)的過程有助于提高學(xué)生獨(dú)立思考、動(dòng)手探究、問題解決的能力，促進(jìn)他們的認(rèn)知方式從淺層記憶轉(zhuǎn)向概念核心本質(zhì)的高階發(fā)展。

1 主題分析

1.1 教學(xué)內(nèi)容分析

催化劑是影響反應(yīng)速率的重要因素之一，也是高中化學(xué)反應(yīng)原理模塊中的重要內(nèi)容?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中對(duì)“化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控”的要求為：知道化學(xué)反應(yīng)是有歷程的，認(rèn)識(shí)基元反應(yīng)活化能對(duì)反應(yīng)速率的影響。知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程，對(duì)調(diào)控反應(yīng)速率具有重要的意義［2］。這也是新課標(biāo)中首次將“化學(xué)反應(yīng)歷程”“基元反應(yīng)”等概念納入到高中化學(xué)教學(xué)中。高中教材上介紹催化劑改變反應(yīng)速率是通過參與反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)的活化能，使得反應(yīng)過程變得更加容易。然而在化學(xué)動(dòng)力學(xué)的教學(xué)中，依舊更傾向于強(qiáng)調(diào)反應(yīng)速率，而忽視了反應(yīng)歷程的重要性。

1.2 教學(xué)背景分析

反應(yīng)歷程屬于微觀和抽象概念，如果沒有具體的反應(yīng)例子，學(xué)生很難理解化學(xué)反應(yīng)并不都是直接一步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，而是通過一定的路徑分多步進(jìn)行。更不要說催化劑能夠改變反應(yīng)歷程。因此該例子還需要具備簡單直觀等特征。筆者查閱人教版、蘇教版、魯科版三本教材在該章節(jié)都選用了過氧化氫催化分解實(shí)驗(yàn)，但目的皆為探究催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響。通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)在教學(xué)中的功能并不僅局限于驗(yàn)證催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響。

不少研究者發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)中微小的異常現(xiàn)象。向明禮等［3， 4］發(fā)現(xiàn)并探究碘化鉀催化過氧化氫分解中的異常副反應(yīng)，從側(cè)面證明了催化劑參與反應(yīng)歷程。朱偉長［5］通過氨基羧酸鐵（Ⅲ）配合物催化分解過氧化氫實(shí)驗(yàn)中溶液由紫紅色變?yōu)辄S色的過程，說明催化劑參與反應(yīng)并提出可能的機(jī)理。夏添［6］發(fā)現(xiàn)重鉻酸鉀催化過氧化氫過程中，溶液先變成棕褐色，隨著反應(yīng)進(jìn)行顏色逐漸變淺最終回到重鉻酸鉀的黃色。

本文通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究、文獻(xiàn)研究等手段讓學(xué)生學(xué)習(xí)、理解、分析、評(píng)價(jià)過氧化氫均相催化和非均相催化兩個(gè)過程，從宏觀現(xiàn)象和微觀過程兩個(gè)角度幫助學(xué)生理解催化劑參與反應(yīng)歷程這一事實(shí)。

1.3 學(xué)情分析

該課程授課學(xué)段為浙江省高二年級(jí)，學(xué)生在此之前已經(jīng)掌握了外因?qū)Ψ磻?yīng)速率的影響規(guī)律，也知道催化劑參與反應(yīng)是通過降低反應(yīng)活化能這一結(jié)論。同時(shí)通過高一必修階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生也具備了一定的實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)探究能力。在認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)上，一方面能夠通過宏觀和微觀兩個(gè)視角來分析物質(zhì)變化和轉(zhuǎn)化；另一方面也能從反應(yīng)歷程、反應(yīng)速率視角分析反應(yīng)原理。然而學(xué)生的學(xué)習(xí)僅僅只停留在淺層學(xué)習(xí)，缺乏對(duì)所學(xué)知識(shí)的深度理解，對(duì)開放性問題缺乏合理的思路和方法，無法將所學(xué)的知識(shí)遷移應(yīng)用到新的情境中，難以構(gòu)建完整的學(xué)科體系和學(xué)科思維。因此以高階思維為主導(dǎo)的深度學(xué)習(xí)顯得特別重要且更有意義。

2 教學(xué)目標(biāo)確定

（1） 了解催化劑影響反應(yīng)速率是通過改變反應(yīng)歷程，并調(diào)節(jié)反應(yīng)的活化能。同時(shí)從定量的角度深度學(xué)習(xí)催化劑增大過氧化氫分解速率的程度。

（2） 通過了解過氧化氫被催化分解的均相催化和非均相催化過程，建立新舊知識(shí)的關(guān)聯(lián)，為深度學(xué)習(xí)、深度探究、深度思考的思維建立生長點(diǎn)。

（3） 通過實(shí)驗(yàn)與文獻(xiàn)研究分析，對(duì)均相催化和非均相催化過程中的宏觀現(xiàn)象和微觀反應(yīng)歷程進(jìn)行探析，深入認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力。

（4） 通過總結(jié)歸納，建立認(rèn)識(shí)催化劑參與反應(yīng)歷程的認(rèn)知模型，實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移。

3 深度學(xué)習(xí)教學(xué)任務(wù)及流程

基于教學(xué)主題分析，本文確定了以探究過氧化氫均相/非均相催化分解過程為情境的深度學(xué)習(xí)課堂教學(xué)，并設(shè)計(jì)了四個(gè)層層遞進(jìn)的深度學(xué)習(xí)任務(wù)。通過教師創(chuàng)設(shè)情境，提供實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)資料，引導(dǎo)學(xué)生從定性、定量、宏觀、微觀、建模等角度進(jìn)行一系列深度學(xué)習(xí)的活動(dòng)探究。學(xué)生通過合作提出假設(shè)、證據(jù)推斷、結(jié)論評(píng)價(jià)和總結(jié)歸納，進(jìn)一步理解與遷移運(yùn)用知識(shí)，也發(fā)展了“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。具體教學(xué)任務(wù)及流程如圖1所示。

4 深度學(xué)習(xí)教學(xué)任務(wù)實(shí)施過程

4.1 任務(wù)一：定量分析催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響

［情境導(dǎo)入］教師實(shí)驗(yàn)展示“大象牙膏”實(shí)驗(yàn)。

［教師］大象牙膏的原理是過氧化氫、催化劑、發(fā)泡劑（洗發(fā)水等）混合時(shí)，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氧氣，使泡沫噴涌而出。

［設(shè)疑］催化劑影響反應(yīng)速率的原理是什么？并結(jié)合資料卡中的信息，思考如何定量速率的增加？

［資料卡］

資料卡：

阿倫尼烏斯公式：表示化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式

k=Ae-EaRT

其中k為速率常數(shù)，R為摩爾氣體常量，T為熱力學(xué)溫度，Ea為表觀活化能，A為指前因子（也稱頻率因子）

［學(xué)生］催化劑降低了反應(yīng)的活化能，改變了反應(yīng)歷程。根據(jù)圖2資料卡的信息，要定量速率的增加，必須要知道活化能的數(shù)據(jù)。

［數(shù)據(jù)提供］20℃時(shí)H2O2分解活化能：Ea1=75kJ/mol（未加催化劑）、Ea2=58kJ/mol（以MnO2催化為例）。

［學(xué)生作答展示］見圖3。

［設(shè)疑］大家所熟知的催化過氧化氫分解反應(yīng)的催化劑種類有哪幾類？

4.2 任務(wù)二：探究過氧化氫均相催化分解過程

［教師］在大家列舉的催化劑中按照與過氧化氫的互溶性可以分為兩類。我們把與催化底物互溶的催化劑稱為均相催化劑，如FeCl3、 KI、 CuSO4等。而與催化底物不相溶的催化劑稱為非均相催化劑，如MnO2、 Fe2O3、 CuO等。

［設(shè)疑］上述均相催化劑在催化過氧化氫分解過程中除了產(chǎn)生氧氣速率增大還有什么其他的現(xiàn)象？我們既然說催化劑調(diào)控反應(yīng)速率是參與反應(yīng)改變了歷程。那么歷程改變了是否會(huì)出現(xiàn)特殊的現(xiàn)象？

［學(xué)生］催化劑確實(shí)能改變反應(yīng)歷程，但如果組成該反應(yīng)的多步基元反應(yīng)路徑都是快反應(yīng)，那也很難看到特殊現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)化學(xué)真理的手段，必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

［實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象］分別吸取15mL 15%的過氧化氫溶液和15mL蒸餾水（對(duì)照組）加到兩塊表面皿中。然后分別往里面加入2mL 5%的氯化鐵溶液（黃色）。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見圖4。

［設(shè)疑］根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中顏色的改變能說明什么問題？

［學(xué)生1］過氧化氫溶液中滴加氯化鐵溶液的顏色變?yōu)樯铉晟藭r(shí)并無氣泡產(chǎn)生，說明形成了琥珀色中間體。隨著反應(yīng)進(jìn)行，溶液顏色加深并逐漸產(chǎn)生大量氣泡。溶液顏色最深時(shí)，氣泡產(chǎn)生的速率也最快。

此時(shí)說明琥珀色中間體可能開始發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，同時(shí)產(chǎn)生顏色更深的物質(zhì)。最終隨著氣泡產(chǎn)生的停止，溶液的顏色重新回到三價(jià)鐵離子顏色與對(duì)照組相同。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程證明了催化劑參與了反應(yīng)，并存在多步基元反應(yīng)的歷程。

［學(xué)生2］顏色的改變不足以作為改變反應(yīng)歷程的證據(jù)，因?yàn)闊o法檢測(cè)到中間體的存在。

［教師］通過查閱文獻(xiàn)，目前認(rèn)為氯化鐵催化過氧化氫分解機(jī)理可能是通過下述（見圖5）類芬頓自由基的過程［7］。

［學(xué)生］三價(jià)鐵離子的水解階段溶液中產(chǎn)生的微粒共同組成了我們所看到的三價(jià)鐵水溶液的顏色。而從引發(fā)階段產(chǎn)生的三價(jià)鐵的過渡絡(luò)合離子中間體來看，可能的顏色變化來自［FeⅢ（HO2）］2+、 ［FeⅢ（OH）（HO2）］+

水解階段：

Fe3++H2OFeOH2++H+

Fe3++2H2OFeO2H+2+2H+

2Fe3++2H2OFe2（OH）4+2+2H+

類芬頓（Fentou）引發(fā)階段：

Fe3++H2O2FeⅢ（HO2）2++H+

FeOH2++H2O2FeⅢ（OH）（HO2）++H+

FeⅢ（HO2）2+Fe2++O-2·+H+

FeⅢ（OH）（HO2）+Fe2++O-2·+H2O

芬頓反應(yīng)階段：

Fe2++H2O2Fe3++·OH+OH-

O-2·+·OHO2+OH-

這些中間體的顏色。因此結(jié)合反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)現(xiàn)象能夠說明催化劑確實(shí)參與了反應(yīng)歷程。至于催化劑直接降低了哪一步的活化能還需要查閱更多文獻(xiàn)。

［學(xué)生歸納并評(píng)價(jià)］均相催化劑與反應(yīng)物在同一相中接觸并參與反應(yīng)，改變反應(yīng)歷程將反應(yīng)分為多步。降低了反應(yīng)的活化能。雖然導(dǎo)致反應(yīng)路徑增加，但總的結(jié)果是增大了反應(yīng)速率。優(yōu)點(diǎn)：催化劑與底物處于同一相能有效地增大接觸面積，少量催化劑即可達(dá)到催化效果。缺點(diǎn)：反應(yīng)后難以分離回收，不利于催化劑的重復(fù)利用。

4.3 任務(wù)三：探究過氧化氫非均相催化分解過程

［設(shè)疑］二氧化錳屬于過氧化氫的非均相催化劑，回憶二氧化錳加到過氧化氫溶液中與上述均相催化過程是否一致？

［學(xué)生］非均相催化實(shí)驗(yàn)在宏觀上可觀察到氣泡是在催化劑表面產(chǎn)生而非整個(gè)溶液體系。同時(shí)并無均相催化過程中那樣豐富的顏色轉(zhuǎn)變。

［學(xué)生］唯一能猜測(cè)的是催化過程可能在催化劑的表面進(jìn)行，如果能夠觀測(cè)到催化劑表面的微觀過程那么就能了解催化劑是否參與了反應(yīng)。

［教師］通過查閱文獻(xiàn)，科學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn)，過氧化氫在Pd（鈀）催化劑表面的微觀過程見圖6［8］。

［設(shè)疑］根據(jù)圖6，分析梳理過氧化氫在Pd表面的催化過程。

［學(xué)生］首先步驟1游離的過氧化氫分子被催化劑的表面吸附，這種吸附作用剛開始可能是物理吸附，但隨著過氧化氫的兩個(gè)氧原子都被吸附后，氧原子之間的過氧鍵被削弱，而催化劑表面與氧原子開始形成以化學(xué)鍵為基礎(chǔ)的化學(xué)吸附。緊接著步驟2～4過氧化氫分子在催化劑的表面發(fā)生反應(yīng)最終產(chǎn)生O*。重復(fù)步驟14產(chǎn)生另一個(gè)自由基O*，隨著兩個(gè)自由基O*相互成鍵形成O*2， O*與催化劑表面的化學(xué)吸附逐漸轉(zhuǎn)化為物理吸附。最后經(jīng)過步驟6脫附過程，擴(kuò)散離開催化劑表面完成整個(gè)反應(yīng)。

［追疑］根據(jù)反應(yīng)過程的能量變化（見圖7），找出該催化過程的決速步驟，并分析原因。

［學(xué)生］兩個(gè)H2O*2在催化劑表面形2個(gè)OH*的過程為反應(yīng)的決速步。（1）從相對(duì)能量的角度：該過程反應(yīng)的相對(duì)能量最大。（2）從圖6的反應(yīng)歷程來看，一個(gè)H2O2只能在催化劑表面形成一個(gè)O*自由基，而形成的O*自由基會(huì)占據(jù)催化劑表面的位點(diǎn)，同時(shí)生成的O*2也占據(jù)著催化劑表面的位點(diǎn)。因此導(dǎo)致H2O2與催化劑的吸附過程變緩慢，進(jìn)而解離生成OH*的過程變得更慢。

［學(xué)生歸納并評(píng)價(jià)］非均相催化過程在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)歷程經(jīng)歷（1）底物擴(kuò)散至催化劑表面；（2）催化劑與底物吸附；（3）催化劑表面反應(yīng)；（4）產(chǎn)物與催化劑解離；（5）產(chǎn)物的擴(kuò)散等步驟。優(yōu)點(diǎn)：非均相催化劑與底物處于不同相，容易實(shí)現(xiàn)催化劑的回收利用。缺點(diǎn)：固相表面積有限、易產(chǎn)生副反應(yīng)。

4.4 任務(wù)四：模型構(gòu)建—知識(shí)遷移

［引入新情境］參照過氧化氫催化分解過程對(duì)合成氨的催化過程作分析。

［學(xué)生模型建構(gòu)］詳見圖8。

［學(xué)生課后任務(wù)］收集資料并分析合成氨表面催化過程機(jī)理。

5 教學(xué)效果與反思

5.1 教學(xué)效果

本教學(xué)案例以發(fā)展學(xué)生的高階思維為核心，指向知識(shí)遷移的深度學(xué)習(xí)。通過宏觀微觀角度重新探尋過氧化氫催化分解過程，深入認(rèn)識(shí)催化劑參與反應(yīng)歷程的本質(zhì)。首先通過引導(dǎo)學(xué)生觀察過氧化氫催化分解中的顏色變化現(xiàn)象，提出催化劑參與反應(yīng)歷程形成中間體的猜想假設(shè)；然后根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道中的機(jī)理驗(yàn)證猜想，發(fā)展學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究思維；再通過非均相催化過程與均相催化過程的現(xiàn)象差異，引導(dǎo)學(xué)生探究非均相催化劑參與反應(yīng)的微觀歷程；

最后通過建立催化劑參與反應(yīng)歷程的認(rèn)識(shí)模型，實(shí)現(xiàn)從特殊到一般的辯證認(rèn)識(shí)的深度學(xué)習(xí)過程。學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)像科學(xué)家那樣思考問題、研究問題和解決問題。實(shí)現(xiàn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科思維從觀察宏觀現(xiàn)象到思考微觀本質(zhì)再上升到形成原理和理論的層層遞進(jìn)。

5.2 教學(xué)反思

要實(shí)現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，教師必須先要深度選材、深度備課才能有深度教學(xué)。本文選取過氧化氫催化分解實(shí)驗(yàn)作為知識(shí)的載體原因有兩點(diǎn)：（1）過氧化氫分解實(shí)驗(yàn)學(xué)生比較熟悉，在看到伴隨顏色變化的現(xiàn)象和自己認(rèn)為的只有氣泡產(chǎn)生加快的現(xiàn)象發(fā)生沖突時(shí)，引發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的探究興趣；（2）過氧化氫催化分解實(shí)驗(yàn)，教師要比學(xué)生更加熟悉，反應(yīng)雖然簡單，但對(duì)原理的研究一直在持續(xù)更新報(bào)道。因此教學(xué)設(shè)計(jì)的過程，也是授課者深度研究、深度挖掘、深度思考、深度反思、深度總結(jié)的過程。

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