核心素養為本的化學教學設計與實踐——以“化學反應限度”為例

廣東

(作者單位：廣東第二師范學院附屬番禺中學)

一、教學主題內容及教學現狀分析

1.1教學主題內容

化學反應的限度為人教版《化學2(必修)》第二章“化學反應與能量”的第三節“化學反應的速率和限度”第二課時的內容，屬于化學反應原理的范疇，是高中化學的一個教學難點?；瘜W反應的限度是中學生建構化學反應及相關認識的重要維度，通過這部分的學習，學生將進一步認識化學變化所遵循的基本原理，初步形成物質變換的學科理念，了解控制反應條件在生產和科學研究中的作用，為深入學習化學平衡、平衡移動、勒夏特列原理等知識打下基礎。

1.2 教學現狀分析

1.2.1 文獻分析

對于化學反應的限度這一節的教學設計，有許多案例，例如以“合成氨”反應為載體開展主題式教學；借助于演示實驗、探究實驗、圖像繪制、圖形解讀、錯誤辨析等教學設計與核心問題引導進行教學嘗試；基于知識體系的建構，采用問題教學法，引導學生從定性與定量角度理解反應的限度。然而這些研究大多是采用舊課程標準的要求，并沒有提出化學學科的核心素養。

1.2.2 學生學習現狀分析

化學反應的限度較抽象，而高中課程標準建議要在必修階段幫助學生建立可逆反應和化學平衡的概念，形成“化學反應存在限度”“可逆反應達限度時處于化學平衡狀態”“外界條件可以改變平衡狀態”等觀點。其教學難點在于學生不能深刻理解可逆反應和化學平衡狀態的特點，尤其是理解化學平衡是一種動態平衡，以及如何判斷一個可逆反應達到平衡狀態。

二、教學思想與創新點

新課程標準提出重視開展“素養為本”的教學，化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”5個方面。那么如何以化學課堂為載體，滲透化學核心素養，培養學生的化學素養，是值得深思的問題。本節課主要體現“變化觀念與平衡思想”和“宏觀辨識與微觀探析”兩個化學核心素養的教學設計，為實現學生核心素養的發展做了初步探索。

三、教學目標

(1)認識可逆反應及其特征。(宏觀辨識與微觀探析)

(2)理解化學反應限度的概念，學習科學探究的基本方法，培養科學探究的能力。(證據推理與模型認知)

(3)體會化學知識在生產、生活中的作用，培養學生對化學學科的熱情。(科學態度與社會責任)

四、教學與評價思路

圖1 教學設計思路

五、課堂實錄

環節1 建立情境，提出問題

【設計意圖】充分發揮化學史實的作用，從破解高爐煉鐵問題入手，營造真實的教學情境，將“可逆反應”的核心概念的建構與其歷史發展過程有機地結合起來。使學生從學科本質上把握化學核心概念發展中所蘊含的學科思想觀念。讓學生感受到化學知識滲透于生產生活的方方面面，并與之緊密聯系。

環節2 “宏觀—微觀—符號”三重表征認識可逆反應

【投影】本節課要探討的問題：

1.什么樣的反應具有限度？

2.這樣的反應具有什么特征？

3.化學反應達到反應限度時具有什么特點？

4.如何判斷一個反應是否達到反應限度(平衡狀態)？

【板書】一、可逆反應

(1)可逆反應：在同一條件下，既能向正反應方向進行，同時也能向逆反應方向進行的反應。

(2)可逆反應的特征：雙向、兩同、共存。

【典例辨析】列出SO2與H2O、NH3與H2O、SO2與O2、工業合成氨等反應讓學生判斷是否屬于可逆反應。

【問題1】水的生成(H2+O2)和電解、二次電池的放電與充電、CO2和H2O在植物體中通過光合作用合成糖與糖在人體內氧化生成CO2和H2O，它們是否屬于可逆反應？

【學生活動】思考交流。

【投影圖片】水的生成即H2與O2反應，條件是點燃，而電解水的條件是通電。

【學生回答】二者反應條件不同，不符合可逆反應的特征。進而能夠準確判斷其他兩個反應不是可逆反應。

【動畫展示】同位素原子示蹤的實驗：向一個密閉容器中充入一定量的SO2和18O2，一定條件下進行充分反應，經過檢測發現18O不僅存在于SO3和O2中，也存在于SO2中(圖2)。讓學生領會在生成SO3的同時，SO3也在分解為SO2和O2，真切感悟可逆反應的雙向、共存的特征。

圖2 同位素原子示蹤的實驗

環節3 數形結合構建化學平衡狀態的認知模型

【投影】以SO2和O2反應生成SO3反應為例，觀察表1數據，獲取相關信息。

表 SO2和O2反應制備SO3的實驗各物質濃度變化的數據

【師生合作】由表數據得到濃度與時間關系c-t圖(見圖3)，即可得出：可逆反應存在限度。在可逆反應中，隨著時間的推移，反應物濃度不斷減小，生成物濃度不斷增大，一段時間后，反應物濃度和生成物濃度不再隨時間變化。那么，可逆反應在反應過程中，正反應速率和逆反應速率如何變化？同時畫出化學反應速率隨時間變化關系v-t圖(見圖4)。

圖3 濃度隨時間變化關系c-t圖

圖4 化學反應速率隨時間變化關系v-t圖

【問題2】什么是化學平衡狀態？它有哪些特征？是一定程度下反應停止還是反應依舊雙向進行？

【板書】二、化學平衡狀態

(1)化學平衡狀態：一定條件下，可逆反應進行到一定程度時，正反應速率與逆反應速率相等，反應物的濃度與生成物的濃度不再變化。

(2)化學平衡狀態特征：逆(可逆反應)、等(v正=v逆)、動(動態平衡)、定(各物質濃度保持不變)、變(外界條件發生改變，化學平衡發生移動)。

(3)化學平衡狀態是可逆反應達到的一種特殊狀態，是在給定條件下化學反應所能達到或完成的最大程度，即該反應進行的限度決定了最大的轉化率。

【設計意圖】教材中雖然展示了反應速率隨時間的變化圖像，但卻沒有具體數據，學生短時間內較難理解正反應速率和逆反應速率的變化關系，所以在教學過程中要列出具體的反應，以及各反應物和生成物的物質的量濃度的變化數據，再結合曲線表征，讓學生較好地理解可逆反應的概念，即反應進行一定程度時，微觀上表現為某一物質的正反應速率和逆反應速率相等，而宏觀上表現為各物質的濃度不再變化時即達到平衡狀態。此處問題的設計對教材內容進行了延伸和拓展，同時又緊緊圍繞著教材的內容，層層遞進，利用問題的設置與教師的合理引導，以及數形結合的思想來促進學生更深層次地認識和理解“化學反應的限度”。當化學反應處于平衡狀態時，正反應速率和逆反應速率相等且大于0，達到表面靜止的狀態，但實際上正向和逆向的反應仍在進行，因此可讓學生建立變化與平衡相統一的學科觀念。但當外界條件(濃度、溫度、壓強等)改變時，化學平衡將發生移動。

環節4 宏觀和微觀相結合判斷化學平衡狀態

【問題3】可以從哪些參數判斷反應是否處于平衡狀態？師生可以從上表數據繪制的圖3和圖4上進行探討。

【板書】三、化學平衡狀態的判斷

(1)直接判斷法：

v正(A)=v逆(A)>0

(1)A的消耗速率與C的________速率之比等于________。

(2)A的生成速率與B的________速率之比等于________。

【小結】同一種物質的生成速率等于消耗速率，即v消(A)=v生(A)；對于不同物質，反應方向相反時，速率之比=系數之比。

【問題設計】結合表1數據、圖3和圖4曲線判斷平衡狀態。

①c(H2)=c(I2)=c(HI)

②c(H2)∶c(I2)∶c(HI)=1∶1∶2

③c(H2)∶c(I2)∶c(HI)不再變化

④單位時間內生成nmol H2的同時生成2nmol HI

⑤單位時間內生成nmol H2的同時生成nmol I2

⑦一個H—H鍵斷裂的同時有兩個H—I鍵斷裂

⑨溫度和體積一定時，混合氣體的顏色不再變化。

【學生活動】思考、討論、分析。

【師生合作】屬于平衡狀態的有③④⑦⑨。

【板書】(2)間接判斷法：

各物質的物質的量或物質的量分數保持不變(平衡)

(3)其他方法：

反應體系(有顏色變化)顏色保持不變(平衡)

( )

①v生成(O2)=v消耗(O2)

②SO2、O2、SO3的濃度之比為2∶1∶2

③單位時間內消耗1 mol O2，同時生成2 mol SO2

④SO2、O2、SO3的濃度不再發生變化

⑤容器內各物質的濃度相等

A.①③④ B.②③ C.①②③④⑤ D.①②③④

【設計意圖】化學平衡狀態的判斷是學習的重點和難點。首先要引導學生深入理解微觀判斷依據，即正反應速率和逆反應速率相等，可逆反應達到平衡狀態。再列出具體的反應方程式，讓學生理解正反應速率即反應物的消耗速率或生成物的生成速率，而逆反應速率即生成物的消耗速率或反應物的生成速率，進而學會判斷。最后，通過引導學生運用數據、圖像素材，從宏觀和微觀、直接和間接法講授化學平衡狀態的判斷依據，使其領悟化學平衡狀態的特征，并準確判斷。充分發揮學生的主觀能動性，培養科學探究與創新意識，以及實事求是的科學態度。

六、教學效果與總結