基于真实情境的问题解决在教学中的实践

2022-04-02 21:55吴蕾罗欣
化学教与学 2022年7期
关键词:真实情境问题解决

吴蕾 罗欣

摘要:以“化学反应与热能”为主题,具体阐述如何在真实情境中,激发学生的学习兴趣,通过图像变式分析、教师提问、学生自学提问等层层递进的问题解决活动,建构图像模型,驱动学生深度学习,发展能量观,促进学科核心素养的落实。

关键词:真实情境;问题解决;化学反应与热能;能量观

文章编号:1008-0546(2022)04-0061-05

中图分类号:G632.41

文献标识码:B

doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.013

一、问题的提出

“化学反应与热能”选自人教版化学必修第六章第一节第一课。人教版必修前五章分别编写了“离子反应”“氧化还原反应”和各种元素性质的学习内容,引导学生从物质变化角度认识化学反应,树立物质变化观。第六章“化学反应与能量”转化认识视角,引领学生从能量变化角度再认识化学反应,建构物质转化中的能量观。能量视角是认识和研究化学反应的重要角度,是高中深入和全面认识化学反应的重要理论部分,也是后续学习电化学、碰撞理论、过渡态理论等知识的基础。本节教材的编写依序为:实验感受化学反应中的热量变化→认识放热、吸热反应→反应中热量变化的原因→能源的有效利用。从课堂实施上来看,按照教材流程进行教学,环节流畅清晰,学生易于接受。但是如果只是按部就班地完成教材中的内容,学生的学习只能停留于“浅层次的接受和了解”,化学学科核心素养-物质变化中的能量观的形成还欠火候,学生应用这部分知识去解决实际生产生活中问题的能力仍有不足,社会责任感还不能真正有所感悟,学生在学习中可能出现的困惑仍然没有解决:不同状态的物质参与反应,热量如何变化?为什么有些放热反应需要加热,有些不需要?如何从宏微结合的角度综合分析化学反应的能量变化?等等。

本节课的授课对象为高一学生。高一学生化学思维还略显稚嫩,化学学习兴趣还需要不断催化并细心呵护。本节课侧重化学理论知识学习,对学生的思维能力要求较高。《普通高中化学课程标准(2017年版)》中提出:“以学科大概念为核心,使课程内容结构化,以主题为引领,使课程内容情境化,促进学科核心素养的落实。”[1]大部分主题增加了“情境素材建议”内容。教学情境的重要性毋庸置疑。如何设置有效情境,将核心素养在教学中“落地”,激发学生兴趣、主动提出问题、全员参与思考、自然生成新知,是新教材教学亟待解决的问题。

基于以上思考,笔者希望“化学反应与热能”这节课能联系生活生产,在富有生活气息的有趣的,充满化学味的深刻的学习活动中,在感性与理性不断交融的循环互动中,达成学习目标,促进化学学科核心素养的落实。因此笔者撰写如下教学案例,与各位同仁分享探讨。

二、教学设计思路

本节课的教学中,我们以生活燃料使用为学习情境,三种与燃料使用相关的图像为学习活动载体:

第一种为不同年代温州家庭燃料变迁的生活情境图。通过阅读历史中的旧照片,学生重温历史,感受化学在时代发展中的作用,弘扬化学正能量,同時关注化学变化中的能量转化。并借助实验,学生在亲自动手实验的过程中直观感受化学反应中的热量变化,发展化学分类观,认识吸热反应和放热反应。

第二种为能量-反应进程二维图。学生在探究家庭燃料变迁本质的学习活动中,通过作图、析图,将宏观物质能量、微观断键成键变化能量与热效应的关系融合在一张图像上,构建图像模型。从宏观、微观两个角度,直观、深刻地认识化学反应能量变化的原因,发展模型认知。再通过对图像的几种变式分析,以及生活燃料的选择等基于真实生活情境的问题讨论,解决学生的困惑,突破学生学习的难点,即反应条件与反应热效应的关系,促进学生的深度学习,建构能量观,解决燃料变迁的本质问题。学生用图像法解决复杂问题,提升了分析问题的能力,也为后续学习过渡态理论等提供一种学习方法指导。

第三种为能源结构图。通过阅读分析我国能源消费情况以及化工产品的应用图表,学生感受能源的利用与国民经济息息相关,认识到有效利用能源的迫切性,探讨优化燃料使用的措施,从而培养学生的社会责任、使命感和家国情怀。在实验感悟的基础上,通过三种与燃料使用相关图像的学习,既让学生回顾历史,了解社会发展,又启发学生思考,宏微结合,构建图像模型,达成由境生情,由情生问,由问生思的学习效果。

三、教学流程

教学设计流程如表1。

四、教学实践

1.回眸历史,实验感悟,发展分类观

[师]学习化学能为我们生活服务,比如对化学反应中热量变化的利用。请同学们观察温州家庭燃料使用的变迁(图1)。在上世纪60年代,烧水做饭都用蜂窝煤。到了上世纪90年代,液化石油气和管道煤气逐渐普及。到2013年,温州大部分家庭都用上了管道天然气。有放热的反应,是否也存在吸热的反应?请同学们动手实验感受一下。

[师]请同学们4人一组,用桌子上提供的药品,完成下列四个实验(图2),并将现象记录在学案上。

学生汇报实验现象。

[师]请同学们根据实验结果,尝试从热量变化的角度对化学反应进行分类。

[生1]释放热量的反应称为放热反应,吸收热量的反应称为吸热反应。

2.着眼现在,探究变迁本质,构建能量观

[师]为什么有些反应吸热,有些反应放热?请同学们在图3中,补充生成物的能量位置。如果是吸热反应,能量图又会如何?

[教师巡视,学生2上台绘制并解释原因,其他学生在学案上绘制放热反应(图4)、吸热反应图示(图5)。]

[投影]CH(4g)+2O(2g)→CO(2g)+2H2O(g)CH(4g)+2O2(g)→CO(2g)+2H2O(l)

[师]请看这两条反应,上述两个反应对应的能量图是否相同?

[生3]不同,产物状态不一样。液态水的能量要比气态水低,生成液态水放出的热量更多一点。(生3上台,把不同状态的生成物对应的能量标注在图像上。)

同理,反应物状态不同也会有差异。(图6)

[过渡]这是从宏观物质始态和终态能量的角度来认识反应放热还是吸热。我们也可以从反应过程,即微观化学键变化角度来解释。请同学们阅读书本33页第3、4两段文字,根据图7尝试回答下列问题,并将自学中产生的疑问记录在学案上。

1.断键过程需要(“吸收”“放出”)热量,成键过程需要(“吸收”“放出”)热量。

2.1molH2(g)和1molCl2(g)生成2molHCl(g)会(填“吸收”“放出”)热量kJ。

(学生自学教材,生生交流,完成填空。)

[师]我们把上述过程补充在图像上(图8)。注意,断开旧键或生成新键变化的能量一般针对气态物质而言。

[投影]请从化学键变化角度分析反应放热或吸热的原因。

[生4]如果断开旧键吸收的热量大于形成新键放出的热量,则反应吸热;如果断开旧键吸收的热量小于形成新键放出的热量,则反应放热。

[师]讲得非常好。接下来我们一起来交流解决同学们在自学过程中产生的疑问。

[生5]氢气和氯气燃烧是放热反应,放出的热量挺多的,为什么一开始需要点燃?

 [生6](台下直接回答)因为反应物断键需要吸收热量。

[师]说得很好!

[生7]老师,既然断键要吸收热量,为什么前面4个实验不用加热就能进行?

(台下陷入沉思)

[师引导]它们断键吸收的热量来自于哪里?

[生8]我明白了!它们断键需要的热量比较小,吸收外界环境的热量就能为断键提供能量。所以反应条件与斷键需要吸收的热量大小有关,与反应吸热还是放热无关。

[师]说得非常好!(台下同学恍然大悟)

[生9]氢气和氯气反应为什么一开始要加热,后续就不用加热了?

[生10]可能是成键放出的热量为后续断键提供热量。

[生11]应该是成键放出的热量比断键吸收的热量大,才能为后续断键提供热量。

(台下同学纷纷点头表示同意)

[生12]那放热反应是不是后续都不用持续加热了?

[生13]如果反应需要持续加热,是不是一定是吸热反应?

[师]这两个问题很有深度!对于某些放热反应,断键吸收的热量比较大,而反应放出的热量不是很多,考虑到热量会逸散等因素,放出的热量不足以提供后续断键,为了维持反应进行,反应也需要持续加热。比如浓硫酸和铜的反应就是一种需要持续加热的放热反应。像氢气和氯气的燃烧这种放热反应,成键放出的热量很大,放出的热量足够提供后续断键所需要吸收的热量,所以反应不用持续加热。因此持续加热的反应也可能是放热反应。具体的原因在以后的学习中我们还会进一步学习。(考虑学生的知识基础,教师在讲解这部分知识时做简化处理)

[投影]人类使用燃料经历了多次变迁。图9的三种示意图中,较为理想的燃料在空气中发生燃烧反应的能量变化示意图是哪一个?

学生们积极发言:第三种更好,断键需要吸收的热量比较少;第三种燃料燃烧放出的热量比较多;第三种燃料燃烧以后不用持续加热......

[师]同学们讲得都非常好。请问断键需要的能量是不是越小越好,太小会怎么样?

[生14](立即喊出来)自燃!

[师]对!所以燃料选择时,我们希望它燃烧放出的热量大一点,同时断键需要的热量小一点,但又不要太小。

3.展望未来,优化燃料使用,培育责任感

[投影]

[师]这是我国2019年的能源消费结构图(图10),可以看出,煤、石油、天然气仍然是我国的主要能源。除了做燃料外,化石能源通过石油炼制工业、煤的综合利用能得到许多化工产品,比如汽油、润滑油、沥青、焦炭等(图11、图12)。化石能源及其产品与我国的经济生活息息相关,在我们的生活中发挥了非常重要的作用。请同学们阅读学案上的资料卡,思考下列问题。

[投影]问题:为什么家庭燃料从煤炭逐渐变迁到液化石油气、煤气,到如今全部使用天然气?

学生们积极发言:煤炭中含有氮、硫元素,燃烧产物有污染;煤炭是固体,燃烧不如气体充分。

液化石油气中含有硫化物,燃烧产物有污染;液化石油气密度大于空气,泄漏后向下扩散,易引发爆炸。

煤气一旦泄漏,容易中毒,不安全;单位质量的煤气燃烧放出的热量最少。

天然气燃烧的产物是二氧化碳和水,无污染;单位质量的天然气燃烧放出的热量比煤气高;天然气是气体,燃烧更加充分;天然气密度远小于空气,泄漏后向上扩散,容易被空气带走,不易引发爆炸。

......

[师]那么更理想的燃料是什么呢?

有学生在台下喊:氢能。

[师追问]氢气做能源有哪些优缺点?为了发展氢能,科学家做了哪些研究?学生们积极发言:氢气燃烧产物无污染,可再生。单位质量的氢气燃烧放出的热量很大......氢气通过电解水制备,耗电,成本比较高;氢气分子量小,沸点很低,很难液化保存;氢气保存不当容易引发爆炸......

目前科学家已经研发了储氢合金,如Ti-Fe合金、La-Ni合金,可以安全高效地吸氢和脱氢。

[师]我们的生活离不开能源。目前广泛应用的化石燃料是不可再生能源,且煤和石油燃烧有一定的污染性。面对上述问题,我们主要从节能减排和开发新能源角度去解决。......教师播放视频,展示能源有效利用与国民经济发展的关系。

[板书设计]见图13。

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