基于概念圖促進學(xué)生認識發(fā)展的教學(xué)實踐

基金項目：本文系2022年度廣東省教育研究院教育研究課題“促進學(xué)生認識發(fā)展的化學(xué)反應(yīng)原理微課程群的應(yīng)用與評價”（GDJY-2022-A-b04）、2023年度廣東省中小學(xué)教師教育科研能力提升計劃一般項目“基于發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng)的主題式教學(xué)實踐研究”（2023YQJK050）、廣州市教育研究院2022年度科研課題“基于真實情境的化學(xué)微專題教學(xué)研究”（2022jxp11）的階段性研究成果。

摘" 要：

《普通高中化學(xué)課程標

準（2017年版2020年修訂）》

在“化學(xué)反應(yīng)原理”模塊新增了反應(yīng)歷程、基元反應(yīng)等內(nèi)容。針對這些變化，本課例將選取三個真實的催化反應(yīng)歷程，幫助學(xué)生建立物質(zhì)變化和能量變化兩個認識角度，理解催化劑具有高效性和選擇性的本質(zhì)原因；通過小組合作，共同繪制概念圖，促進知識結(jié)構(gòu)化，使學(xué)生對催化劑的認識方式由定性變?yōu)槎?、由宏觀進入微觀、由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)、由孤立變?yōu)橄到y(tǒng)，促進學(xué)生的認識發(fā)展。課后限時訓(xùn)練統(tǒng)計結(jié)果表明，本節(jié)課目標達成度良好。

關(guān)鍵詞：概念圖；認識發(fā)展；催化劑

文章編號：

1008-0546（2024）14-0057-05

中圖分類號：

G632.41""" 文獻標識碼：

B

一、問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》

（以下簡稱《高中新課標》）

在“化學(xué)反應(yīng)原理”模塊增加了以下內(nèi)容：知道化學(xué)反應(yīng)是有歷程的，認識基元反應(yīng)活化能對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程。［1］

《高中新課標》頒布以來，“催化劑”和“反應(yīng)歷程”成為近幾年高考的熱門考點。關(guān)于這部分內(nèi)容的研究主要集中在高考題和高三復(fù)習(xí)課的教學(xué)上，如謝葉歸［2］在剖析高考真題的基礎(chǔ)上，提出了高考題的考點框架；金雄鷹和毛楊林［3］提出催化劑知識整合式教學(xué)；

江合佩等［4］提出“情境解構(gòu)，模型建構(gòu)”的教學(xué)。對于《高中新課標》、新教材背景下高二新授課的文獻研究很少，較為典型的是唐隆健［5］對高中化學(xué)增加“反應(yīng)歷程”內(nèi)容提出“因材施教，使教學(xué)價值再升級”的建議，但文獻對于這部分知識在高二新授課教學(xué)中的實踐研究極少。

通過課前調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對催化劑的認識主要存在以下三個方面的問題：①學(xué)生對一些知識存在誤解和爭議。例如，學(xué)生知道催化劑改變反應(yīng)歷程這個結(jié)論，卻對催化劑是否參與了反應(yīng)存在爭議。學(xué)生對催化劑的選擇性非常陌生，在判斷催化劑的選擇性時，認為更容易生成穩(wěn)定性更強的物質(zhì)。

②學(xué)生不會看反應(yīng)的能量變化圖，不懂如何從中獲取信息，對催化劑改變反應(yīng)歷程的認識是抽象的而非具體的。

③學(xué)生對催化劑的相關(guān)認識是結(jié)論性的而非生成性的，是羅列的而非關(guān)聯(lián)的。

二、教學(xué)目標

基于前面的調(diào)查，筆者決定在進行人教版

高中

化學(xué)選擇性必修1

第二章第一節(jié)“化學(xué)反應(yīng)速率”教學(xué)時，開設(shè)“神奇的催化劑”的微專題教學(xué)，并設(shè)定了如下的教學(xué)目標。

（1）知道從物質(zhì)變化和能量變化兩個角度分析反應(yīng)的能量變化圖。

（2）會判斷催化劑和中間產(chǎn)物，會判斷決速步驟。

（3）了解異相催化的常見步驟，知道催化劑對氣體的吸附是化學(xué)吸附。

（4）能根據(jù)反應(yīng)的能量變化圖判斷催化劑對哪種產(chǎn)物選擇性更強。

（5）能建構(gòu)關(guān)于催化劑的知識網(wǎng)絡(luò)。

三、教學(xué)流程

為了糾正學(xué)生原有的錯誤觀念，筆者精心選取了三個真實的催化反應(yīng)歷程，旨在幫助學(xué)生從物質(zhì)變化和能量變化兩個維度建立認識角度，并學(xué)會全面有序地看懂反應(yīng)的能量變化圖。通過以微觀動態(tài)的方式展現(xiàn)催化劑的高效性和選擇性，引導(dǎo)學(xué)生從本質(zhì)上理解與催化劑緊密相關(guān)的概念，并促使這些概念之間建立起關(guān)聯(lián)。隨后，組織學(xué)生進行小組合作，共同繪制概念圖，這一過程不僅促進了知識的結(jié)構(gòu)化，還使得學(xué)生對催化劑的認識方式實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變：由定性轉(zhuǎn)變?yōu)槎?，由宏觀視角轉(zhuǎn)向微觀，由靜態(tài)分析轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)理解，以及由孤立發(fā)展為系統(tǒng)。這一系列教學(xué)活動有效地促進了學(xué)生的認識發(fā)展。具體教學(xué)流程如圖1所示。

四、教學(xué)實錄

1. 環(huán)節(jié)一" 形成研究化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)和熱力學(xué)認識視角

［教師］某位同學(xué)提出這樣一個問題：氮氣和氫氣反應(yīng)生成氨氣，該反應(yīng)在常溫下的平衡常數(shù)K＝5×108，說明該反應(yīng)正向基本進行完全，但是為什么不在常溫下合成氨？

［教師活動］播放視頻：2021年10月2日《透視新科技》欄目

以“奇妙

的催化”

為主題，

參訪包信和院士

與何鳴元院士

節(jié)選。

［教師］觀看視頻后，你能否解釋剛才提出的問題？

［學(xué)生］K值大，只代表反應(yīng)正向進行的程度大，不代表反應(yīng)速率快。一個反應(yīng)要用于生產(chǎn)，必須有足夠快的速率。

［教師］反應(yīng)正向進行的程度屬于熱力學(xué)的研究范疇，而反應(yīng)速率是動力學(xué)的研究范疇。

2. 環(huán)節(jié)二" 對催化劑高效性的認識方式由定性轉(zhuǎn)為定量

［教師］如何改變反應(yīng)條件來加快合成氨反應(yīng)的速率？你最推崇哪種做法？原因是什么？

［學(xué)生］可以升高溫度、增大反應(yīng)物濃度、增大壓強或使用催化劑等。最推崇使用催化劑，因為催化劑可以降低成本、在較低溫度下反應(yīng)、可以重復(fù)使用、對設(shè)備要求低。

［教師活動］展示700K時使用鐵催化劑和不使用催化劑時合成氨反應(yīng)的速率之比［v（催）/v（無）］及活化能數(shù)據(jù)，指出使用催化劑是因為其具有高效性，可以將反應(yīng)速率提高上百萬倍。

［教師］那么催化劑為何能這么大程度地加快化學(xué)反應(yīng)速率？

［學(xué)生］因為催化劑能降低活化能。

［教師］請畫出不使用催化劑（用實線表示）和使用鐵催化劑（用虛線表示）的能量圖。

［學(xué)生活動］繪制能量圖。

［教師活動］展示學(xué)生所畫的兩個比較有代表性的能量圖（見圖2），引導(dǎo)學(xué)生對左右兩幅圖進行對比并從作圖的規(guī)范性和準確性兩個角度進行評價。

兩個能量圖

［學(xué)生］

圖2（b）中橫坐標應(yīng)標注為“反應(yīng)過程”，有具體活化能數(shù)據(jù)的應(yīng)表示出活化能數(shù)據(jù)，標注具體反應(yīng)熱數(shù)據(jù)時應(yīng)同時標注反應(yīng)物和生成物的物質(zhì)的量和狀態(tài)。合成氨的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，生成物的能量比反應(yīng)物的能量低，而圖2（b）表示的是吸熱反應(yīng)的能量變化。

［教師］通過以上討論，我們達成了兩個共識：①催化劑不改變反應(yīng)熱的大小；②催化劑降低了反應(yīng)的活化能。但也能看出，兩位同學(xué)所畫的使用鐵催化劑的能量圖有一個明顯不同：一位同學(xué)畫了一個峰，另一位同學(xué)畫了兩個峰。那么，使用鐵催化劑時到底應(yīng)該畫幾個峰？峰的個數(shù)與什么有關(guān)？

［學(xué)生］峰的個數(shù)與催化反應(yīng)歷程有關(guān)。

［教師］鐵催化合成氨的反應(yīng)歷程是怎樣的？

［學(xué)生活動］思考并交流。

3. 環(huán)節(jié)三" 形成分析反應(yīng)歷程的物質(zhì)變化和能量變化

認識

視角，對催化劑的認識由宏觀進入微觀，由靜態(tài)轉(zhuǎn)為動態(tài)

［教師活動］展示臭氧分解反應(yīng)以及氯自由基催化臭氧分解反應(yīng)過程中的能量變化示意圖（見圖3），列出總反應(yīng)和催化反應(yīng)的方程式。

［教師］首先請大家關(guān)注反應(yīng)過程中的物質(zhì)變化，在催化反應(yīng)中，出現(xiàn)了兩個總反應(yīng)式中沒有的物質(zhì)，哪個是催化劑？哪個是中間產(chǎn)物？依據(jù)是什么？

［學(xué)生］Cl·先參與反應(yīng)隨后又生成，反應(yīng)前后其質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變，是催化劑。ClO·先在反應(yīng)過程中生成后又被反應(yīng)掉，是中間產(chǎn)物。

［教師］催化劑是否參與了反應(yīng)？

［學(xué)生］催化劑參與了反應(yīng)，改變了反應(yīng)歷程。

［教師］請大家再關(guān)注能量的變化，可以看到催化劑確實降低了反應(yīng)的活化能。但兩步反應(yīng)的活化能是不同的。該反應(yīng)的決速步驟是哪一步？判斷依據(jù)是什么？（提示：反應(yīng)歷程中速率最慢的一步?jīng)Q定了總反應(yīng)的反應(yīng)速率，稱為決速步驟）

［學(xué)生］第①步活化能比第②步高，反應(yīng)速率更慢，是總反應(yīng)的決速步驟。

［教師活動］提問鐵催化合成氨的反應(yīng)歷程又是怎樣的，并展示合成氨的催化反應(yīng)歷程

示意圖

（見圖4）。

［教師］合成氨的催化歷程一般要經(jīng)歷反應(yīng)物擴散至催化劑表面、吸附在催化劑表面、發(fā)生表面反應(yīng)、產(chǎn)物從催化劑表面脫附、產(chǎn)物擴散離開反應(yīng)區(qū)等五個步驟。從圖4中還可以看出，催化劑對氣體的吸附導(dǎo)致了物質(zhì)化學(xué)鍵的斷裂，所以這個過程不是物理過程，而是化學(xué)吸附。另外，從圖中可以看出，表面反應(yīng)也不是一步完成的。那么，這些步驟中的能量變化是怎樣的？請根據(jù)合成氨各步反應(yīng)的能量變化圖（見圖5），補充各步反應(yīng)歷程，并指出決速步驟。

［學(xué)生活動］書寫表面反應(yīng)的反應(yīng)歷程，指出決速步驟。

4. 環(huán)節(jié)四" 對催化劑選擇性的認識由定性轉(zhuǎn)為定量

［教師］催化劑的特性除了高效性還具有選擇性，催化劑為什么具有選擇性？催化劑的選擇性與什么有關(guān)？請根據(jù)酸性條件下人工光合固碳裝置中反應(yīng)物在二維銻片表面催化生成甲酸、一氧化碳等的能量變化圖（見圖6），分析二維銻片對哪種產(chǎn)物的選擇性更好？并講出你的理由。

［學(xué)生活動］小組討論，交流觀點。觀點一：活化能低的反應(yīng)速率快，相同時間內(nèi)得到的產(chǎn)物量更多。所以該催化劑對HCOOH的選擇性更好。觀點二：CO＋H2O的能量更低，能量低的物質(zhì)更穩(wěn)定。所以該催化劑對CO的選擇性更好。

［教師］催化劑的選擇性指在能發(fā)生多種反應(yīng)的反應(yīng)系統(tǒng)中，同一催化劑促進不同反應(yīng)的程度的比較。實質(zhì)上是反應(yīng)系統(tǒng)中目標反應(yīng)與副反應(yīng)間反應(yīng)速率競爭的表現(xiàn)。因此，催化劑對活化能低的反應(yīng)產(chǎn)物HCOOH的選擇性更好。

5. 環(huán)節(jié)五" 對催化劑的認識由孤立變?yōu)橄到y(tǒng)

［教師］在剛才的學(xué)習(xí)中，我們提到了與催化劑相關(guān)的一些概念，明確了催化劑反應(yīng)前后質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不變，討論了催化劑具有高效性和選擇性的原因。大家能否用知識網(wǎng)絡(luò)圖整理出這些概念、性質(zhì)之間的聯(lián)系？

［學(xué)生活動］小組合作，制作知識網(wǎng)絡(luò)圖。

［教師活動］拍照并展示部分小組的成果，再次強調(diào)催化劑參與反應(yīng)，改變了反應(yīng)歷程，而看反應(yīng)歷程圖應(yīng)先關(guān)注物質(zhì)變化，再關(guān)注能量變化。在評價、討論的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進一步完善知識網(wǎng)絡(luò)圖，

最終形成的知識

網(wǎng)絡(luò)圖如圖7所示。

五、教學(xué)效果與反思

1. 教學(xué)效果

本節(jié)課在廣州市某中學(xué)進行異地授課，并于一周后開展了限時訓(xùn)練，以檢測學(xué)生對相關(guān)知識的掌握程度。

限時訓(xùn)練共兩大題，六個小題，涵蓋了五個考點，總分為9分，限時7分鐘完成。

例題1" 我國科學(xué)家以MoS2為催化劑，在不同電解質(zhì)溶液中實現(xiàn)常溫電催化合成氨，其反應(yīng)歷程與相對能量計算結(jié)果如圖8所示。

常溫電催化合成氨

反應(yīng)能量變化圖

（1）（4分）請用方程式表示該反應(yīng)的歷程（提示：共八步，編號①～⑧）。

（2）（1分）判斷：哪一步是決速步驟？""" （填編號）。

（3）（1分）你會選擇哪種電解質(zhì)溶液？" 。

（4）（1分）你認為兩種電解質(zhì)環(huán)境下N2→NH3的焓變是否相同？" 。

例題2" 甲醇可以部分氧化生成甲醛（HCHO），同時也可以完全氧化生成CO2。有催化劑和無催化劑時甲醇分別氧化生成HCHO和CO2的能量變化

圖如圖9所示。

請思考并回答下列問題。

（1）（1分）無催化劑時，反應(yīng)的主產(chǎn)物是""""" 。

（2）（1分）有催化劑時，反應(yīng)的主產(chǎn)物是""""" 。

甲醇氧化能量變化圖

由限時訓(xùn)練

題目的考

點覆蓋情

況和學(xué)生

答題情況

的統(tǒng)計表

（見表1）

可知，經(jīng)過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以很好地根據(jù)反應(yīng)的能量變化圖，判斷出決速步驟、選擇合適的反應(yīng)條件?？键c4對應(yīng)的

“例題1" （4）”因為最終產(chǎn)物分別為氣態(tài)NH3和吸附態(tài)NH3*，

雖然

干擾性強，有一定難度，但學(xué)生的得分率為73%?？键c5對應(yīng)的

例題2，題目情境陌生、圖像復(fù)雜，在有限的時間內(nèi)學(xué)生仍能取得74%的得分率?？键c1學(xué)生的得分率只有60%，比較異常，經(jīng)過反思發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)的能量變化圖每步只給出了主要反應(yīng)物和產(chǎn)物，其它反應(yīng)物和產(chǎn)物需要學(xué)生經(jīng)過分析自己補足，而不少學(xué)生只寫了圖中給出的物質(zhì)，從而導(dǎo)致失分。

通過以上分析可以看出，本節(jié)課在幾個既定目標上都取得了良好的效果。

2. 反思

在內(nèi)容選取上，本節(jié)課選用了真實的數(shù)據(jù)和圖片資料，相比于單純的講解概念，顯得更加鮮活、生動，讓學(xué)生印象深刻。

在教學(xué)方式上，以學(xué)情為本，以問題為導(dǎo)向，采用對話式教學(xué)，學(xué)生思維參與度高，通過不同方式的評價放大共同認知，突出不同觀點，及時糾正錯誤觀念，相比于引導(dǎo)式教學(xué)更能暴露學(xué)生問題、思維誤區(qū)，解決問題更具針對性。

在促進學(xué)生認識發(fā)展上，本節(jié)課引導(dǎo)學(xué)生利用概念圖及時整理相關(guān)概念，突出核心概念和概念之間的關(guān)聯(lián)，并不斷完善概念圖，促進知識結(jié)構(gòu)化；通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對催化劑的認識方式由定性變?yōu)槎俊⒂珊暧^進入微觀、由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)、由孤立變?yōu)橄到y(tǒng)，很好地促進了學(xué)生的認識發(fā)展。［6］

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］謝葉歸.剖析高考真題" 突破反應(yīng)歷程［J］.教學(xué)考試，2021（5）：29-32.

［3］金雄鷹，毛楊林.催化劑知識整合式教學(xué)的實踐與思考［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2020（19）：57-60.

［4］江合佩，劉炯明，鄭玉海.“情境解構(gòu)，模型建構(gòu)”促進催化劑反應(yīng)歷程有效復(fù)習(xí)——以“合成氨的反應(yīng)歷程分析”為例［J］.化學(xué)教學(xué)，2020（11）：57-64.

［5］唐隆健.對高中化學(xué)增加“反應(yīng)歷程”內(nèi)容特殊意義的思考［J］.化學(xué)教學(xué)，2021（10）：87-91.

［6］王磊.基于學(xué)生核心素養(yǎng)的化學(xué)學(xué)科能力研究［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2018.