中学化学教育改革问题(安徽年会).ppt

有关中学化学教育改革的认识与建议 宋心琦清华大学化学系2007年 化学教育改革研究的重点 新课标提出和强调的新理念教材在教学活动中的作用教学中如何全面落实三维教育目标探究性学习仍然是教学改革的突破口 教材设计和编写时的考虑 如何领会并体现新课标提出的基础性 时代性和选择性原则如何实现新课标规定的三维教育目标 知识技能 过程方法和情感态度价值观确定知识和技能教学目标时应该区分职业要求和素质要求必修和选修教材的定位 功能和联系 基础性和时代性 的关系 例如 对原子的认识外语教学重点的改变投影几何课程的消失计算技术功能的变化建筑物基础的改变 学科基础的陈述方式和教育价值是可变的 情感态度价值观教育问题 学科教育的价值观是教学质量评价的基础学科教育应当服务于素质教育如何全面评价国民科学素质 关于过程方法教育的思考 化学是一门既重视过程有时又容易忽略过程的学科化学是一门实验性科学 重现性和反复验证的要求 往往使得过程的终态 结果成为评价的主要依据 而对过程的描述或解释 学科理论至今尚不够完善 如何处理好这对矛盾是改进化学教学和推动教学改革中的一个值得认真研究的问题 关于过程方法教育的思考 教学过程是一个漫长 艰苦而又充满着激情的过程方法不仅依靠教师和教材的传授 教学过程本身所涉及的 通过潜移默化 思考争论 发现谬误和解题捷径的过程 都应当纳入方法教育的范畴 其中以学生对适合自己的方法的发现和构建最有价值对方法的领会与把握存在着因人因学科而异和循序渐进的心理学特点 教材框架设计思路简介 过程方法的教育 主要通过对科学方法的文字叙述和学生的实践活动过程 包括解题 扩展到其他事物的处理尝试及交流研讨等方面 来进行 运用科学方法于工作和生活应当成为公民基本素质组成之一 过程方法的教育要有针对性的指导 但是学生对过程的体验 包括因未知而产生的困惑 挫折或失败时的懊丧和反思 以及获得成功时的喜悦与经验 则更为重要 新教材中配有相关的栏目和活动内容 教材框架设计思路简介 情感态度价值观的教育 不仅在于提高学生对化学知识对于技术发展和经济生活的重要性的认识 以及对个人提高科学素质的意义 应该升华为对人类必须和自然界以及社会之间建立和谐关系的认识 即形成高素质的新世纪人才所必需的情感态度和价值观 须对于科学技术 生活质量和环境等有较全面的认识 教材中所建议的许多阅读和探究活动均与此有关 中学化学教学实验改革问题 化学实验体系的三要素符合探究目标而且不确定因素最少的化学反应体系合理的实验装置 包括安全措施等合理的实验步骤和合乎规范的操作技术 实验与探究式学习 案例1 拉瓦西测定空气组成的实验步骤12Hg O2 2HgO步骤22HgO 2Hg O2步骤3步骤2得到的O2和步骤1剩余的N2混合 得到 原来 的空气学习要点 1 为什么选择Hg 2 为什么3个步骤都有必要性 3 还能想到些什么 实验与探究式学习 案例2 空气组成测定体系的选择4P 5O2 2P2O51 已知S C Mg Na 蜡烛等都可以满足和空气中的O2发生燃烧反应的条件 为什么P是最佳选择 2 对这个探究性实验来说 为什么以Hg方案最为理想 3 实施 磷 方案时 最重要的前提假设是什么 4 采用 磷 方案时 除去经典的体积测定法外 还能想到哪些方法 值得进一步思考的问题 选择这类实验体系来探究类似于空气组成问题时 共同的前提假设是什么 同名分子间的不可区分性用气体分压或分体积的改变来提供有关气态化学物质变化的信息时 理论依据是什么 气体摩尔体积 气态物质的 之间的关系某些单质或化合物和氧发生反应的条件和氧化物的组成与性质 在水中的溶解度 是否和氮也能反应等 化学物质体系的物理性质和化学性质 氧能否全部耗尽 化学反应进行程度如果希望提高实验所得数据的精确程度 除去改进装置外 还应当考虑哪些问题 更多的化学教育内容 进一步认识和区分物质的化学变化和物理变化进一步认识和区分纯净物和混合物对物质性质的了解 在思考与构成最佳实验探究方案时极其重要加深对化学学科定义和思维特点的了解科学精神和科学方法是化学课程的精髓 化学基础的价值 化学学科定义是学科的灵魂化学学科定义是组织教材和教学设计的基点 应体现循序渐进 虚实结合的原则化学基本概念的教与学应当贴近学科 帮助学生了解化学 形成化学观点 并成为基本素质的组成部分分类法 模型法 归纳法 演绎法的学习要通过教学和学习过程从不同角度 通过练习 思辨和研讨来完成 要引导学生结合实际扩展认识 案例3 Na和O2的反应通常包含以下两个实验 常温放置于空气中2Na O2 2Na2O钠点燃后在空气中2Na O2 Na2O2应当观察和思考的问题 1 试剂或物质的存放 稳定性和活性2 Na和Mg在空气中燃烧时现象的比较3 Na2O和Na2O2相比 能想到些什么 对了解Na2O2性质有什么启示4 Na在空气中燃烧只有Na2O2一种产物吗 一个可以作为探究性实验的案例影响碳酸钙和盐酸反应速率的表面积因素1 应当如何确定CaCO3和盐酸的用量 化学计量关系的应用 2 如何大致地估算出试样的表面积之比 较难 但有挑战性 3 实验数据的可重现性 结论不确定性的原因之一 4 实验得出的反应速率和试样表面积的比例关系 非常有趣 5 实验中可能忽略了的其他方面 科学素养问题 两种学习理论 蚂蚁的智慧 非智力因素不可忽视并非寓言的寓言关于蜘蛛网和可降解塑料的讨论科学史教育中的问题科学家的特征 化学反应速率 1 速率方程 v x t 对于化学反应 x取反应物或产物的分子数变化最为方便 所以物质的量 及物质的量浓度 成为常用的计量单位之一分子发生反应的必要条件是相遇 碰撞 充分条件是分子相遇时 其能量高于平均能量 活化能 亦即活化分子的碰撞才可能有效 简单而且直观的初级理论模型 化学反应速率 2 所有能够影响反应速率的因素 都可以用活化分子有效碰撞模型来理解建立这个模型的基本假设和理论基础 同名分子的全同性 气体分子运动论 理想气体定律 Maxwell Boltzmann分布定律 化学反应速率观念的建立 将有助于理解化学平衡的动平衡性质 而平衡状态及其移动的理解与应用 在化工流程设计 化学合成与分析中都很重要 化学反应速率 3 化学反应速率的测定了解物质的稳定性或活性 测定给定反应的活化能 提供反应进行机制的信息 如确定该反应的瓶颈 了解物质变化的主要过程等 了解外界因素的影响力度慢反应自然界的极慢反应 如化石燃料的形成 地质变化 元素在地壳中的迁移等 一般的慢反应 如金属在一般环境中的腐蚀 酸雨对岩石或建筑物的损坏 环境中某些污染物的自降解过程等 化学反应速率 4 超快速及快速反应 如爆炸 分子间或分子内的质子 电子传递过程 分子吸收光子或其他能量后的能量弛豫过程 同位素混杂 简单分子的异构化 激发态分子的非辐射弛豫和荧光发射过程等 测量方法由可测量的性质或变化而定 特殊情况下会用到同位素纪年 过程强化模型 时间分辨光谱等方法 化学反应的限度 1 区分可逆反应与不可逆反应不可逆反应是存在的 如金属腐蚀 塑料老化 淀粉发酵 复杂分子裂解等都属于不可逆反应 过程 最典型的如葡萄糖的氧化C6H12O6 6O2 6CO2 6H2O 区分在外力作用下的可逆 如光合作用可以使上述反应反向进行等 和由化学反应本质决定的可逆性 如SO2 O2变为SO3 C H2O在高温下生成CO H2 FeO CO在高炉中转变为Fe CO2等反应 后者才存在反应限度问题 化学反应的限度 2 可逆反应的终点是这个化学体系在给定条件下的化学平衡态 也就是所说的 反应的限度 大量粒子组成的物质体系的平衡态具有能量相对最低和粒子在体系中的分布均匀程度 混乱度 最大的特点 在热力学上用 G 0 也可以近似地用 H 0 和 S 0来表示 处于热力学平衡态的化学体系既不吸收也不释放能量 体系内的所有物质的物质的量均保持不变 体系内的任何同种粒子的相互交换 对于粒子的分布方式均不会产生影响 从外界观察不到体系具有任何的宏观变化 似乎是一种寂静态 实际上是一种动平衡状态 化学反应的限度 3 G 0和 S 0 可以用来判断在无外力作用时 热力学 可逆体系的自发过程的方向 假如体系中粒子的均匀度基本保持不变时 即 S 0 H G 0也可以用于判断 在中学化学中 通常是先给定平衡常数 然后应用勒夏特里原理来推断平衡移动的方向 自发过程将趋向于平衡态 平衡态受到外力扰动后 有可能移向新的平衡态 由新状态下的 G 0作为新的自发过程方向判据 化学反应的限度 4 自发性过程指不需要外力推动就可能发生的过程 过程的方向为趋向于与体系状态最邻近的平衡态化学平衡原理在化学中不仅可用于可逆的化学反应 对于溶解 电离 相平衡等过程 都可以作为严格的理论工具加以应用 但已不属于中学化学所要求的了 化学反应的限度 5 当体系的变化过程包括多个平衡态时 每个平衡态的判据只适用于和它相邻近的非平衡态 此时 反应的限度将因体系所处的状态而变 如复杂化学过程 包括某些生命过程 初等化学中出现的许多与可逆过程相关的化学术语 如电离度 溶解度中的 度 字 已体现出相关过程是有限度的 化学反应的限度 6 G 0的关系式 可以推衍出许多有用的公式 如计算平衡常数 电极电势等 以及体系温度 参加反应的物质的物质的量浓度等对平衡状态的影响对于像溶解 扩散这样的过程 S可以作为独立判据 因为混合熵 纯组分熵 Smix RT ASAln A BSBln B 0从而说明为什么溶解 扩散和掺杂后的均匀化过程 都具有自发性的特征 也可以回答纯净物难以得到 在放置过程中纯度会不断下降的原因 热力学判据的再审视 从 G H T S的关系式 可以得知当体系到达平衡时 G 0 H T S 纯物质发生相变时 因为H和S是状态函数 H和 S在给定始态和终态时为一定 相应地 T是一个固定值 同一纯物质的S固 S液 S气 热力学判据仅适用于大量微粒组成的体系 它的前提仍然是 同种 微观 粒子的不可区分性 据此归纳出与体系能量和粒子分布状态有关的判据 因为不考虑微粒的化学结构和相互作用时的反应机制 在化学中的应用有一定的局限性 化学教育怎样和环境教育结合 污染物的确定 捡出 监测 提供化学清除方案污染物推定 组成 结构 性质 变化 污染物的化学源头和对策污染物的污染渠道污染物的寿命和环境的承受能力工艺绿色程度评价指标 原子利用率和污染物质量与原材料质量之和的比率社会监督和专职部门监管相结合的前提 化学教育怎样和环境教育结合 过程自发性概念很重要 气体的互相扩散 溶质溶解于溶剂形成溶液和溶液中溶质浓度的均匀化过程 杂质向固体物质内部的扩散 或掺杂工艺 均与原理 mixS RT ASAln A BSBln B 0有关 污染物属于化学物质 污染过程则归因于某些自然过程的自发性 防止污染的关键在于阻止这类自发过程的实现 化学和素质教育 化学以单个纯净的化学物质为研究对象 在于准确地识别 有效地分离 有目的地仿制 修饰和创新 为此 必须尽可能地获得目标物性质的全部信息 选择关键信息的思路与方法 化学对于物质的认识 以原子分子为基础 具有统计平均的特点 精确度必定与时俱进 信息遗漏将不可避免 因此化学对培育求精求新意识和细致缜密的思维与工作习惯极为有利 化学有助于公民了解现代生活 卫生保健 环境安全方面的相关知识 政策 法规 与化学相关的素质 以定义为纲 化学研究物质的组成 结构 性质和变化 以及变化过程中伴随着的能量变化 这个定义体现了化学的特点 思维 探究方式 由表及里 由宏观到微观 再回到宏观 由已知到未知 由已有到创新 着重于分类法 模型法 归纳法 实验验证重于理论证明 较易入手并取得成果 理论成果的难度越来越大 最适宜于兴趣各异的广大人群 更适合于善于和乐于迎接挑战的人群 素质教育任重道远 由一堂小学英语课引发的思考 审查科学教材过程中想到的问题 几节中学化学示范课听后的感想 参加中学社会活动总结答辩会获得的启示 一堂