基于“证据推理与模型认知”的单元教学设计与实践.doc

基于“证据推理与模型认知”的单元教学设计与实践以催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响为例 李莉 （镇海区龙赛中学 浙江 宁波315200）摘 要 学科教学的根本诉求是学科的素养或能力，而不是单纯知识点的堆积。教师要从“教的专家”走向“学的专家”，把侧重教的“教材”转化为学生学的“学材”。课堂的转型要从单元设计做起，基于学科素养的单元设计是一线教师的基本功。关键词 学科素养 证据推理与模型认知 单元设计随着高中课程改革的进一步深入，教学从关注双基到三维目标再到学科核心素养。高中化学核心素养包含“宏观辨析与微观探析”，“变化观念与平衡思想”，“证据推理与模型认知”，“科学探究与创新意识”，“科学精神与社会责任”等五个要素。这就要求教师在教学活动中把教学目标从“知识是学习的目标”转向“知识是学习的工具”。教学方法从关注学生学什么（知识与技能）怎样学（过程与方法）到学会什么（能力与品质）。教学设计从关注课时设计到关注课程教学设计，学段教学设计，单元教学设计。师生关系从知识的传递者转变为共同学习者。在众多转型中，一线教师应该从哪里做起？课程专家钟启泉认为：“核心素养学科素养单元设计课时计划，这是环环相扣的教师教育活动的基本环节，教学转型要从课堂转型做起，而课堂转型又必须从“单元设计”做起。选修课程化学反应原理是为对化学感兴趣并将进入高校学习理科的学生所设计，通过对纷繁复杂的化学现象背后的共同规律和普遍原理的认识，让学生体会到不同现象背后的统一性。学习该模块对培养高中学生的化学核心素养起重要的作用。在学习化学反应原理第二专题第一单元时，教学设计围绕“证据推理与模型认知”素养开展教学，使学生初步学会1、能运用事实证据，说明化学现象的的本质或规律。2、能通过观察、实验、研究等手段收集寻找证据，揭示化学现象背后的本质或规律。3、能建立模型、运用模型解释化学现象背后的本质或规律。通过启发式、探究式和合作式学习，把活动性、协同性、反思性学习作为一个单元来组织。下面以第一单元4.催化剂对反应速率的影响为例，来反映如何围绕上述目标开展教学。1运用事实证据，说明化学现象的的本质或规律课程专家钟启泉认为：单元目标的设定一般是复数，一节课没有必要也不可能覆盖所有目。为此，围绕“证据推理与模型认知”设计了3课时教学，第一课时要达到的水平是：能从物质及其变化的事实中提取证据，对有关的化学问题提出假设；能识别常见的化学反应的理论模型，将化学事实和理论模型之间进行关联和合理匹配。教学过程设计为：诱导学习动机-领会新知识-巩固运用知识提出新问题。1.1诱导学习动机（师生）用演示实验导入课堂教学，实验设计如下：方案1：取6个试管编号，在试管中分别加入3ml 15%的H2O2 溶液，A试管留作对比，B试管中加入0.1克金属氧化物（MnO2），C、D、E三试管分别加入1ml浓度为1mol/L的NaOH溶液、FeCl3溶液、NaCl溶液，F试管中加入少量切碎的新鲜土豆，记录反应速度的变化（如表1.1所示）表1.1 记录反应速度的变化加入物质B试管MnO2C试管NaOHD试管FeCl3E试管NaClF试管新鲜土豆反应速率变化加快加快加快无影响加快方案2：待H2O2分解反应结束，不再放出氧气时，再向B、C、D试管中加入1ml 15%的H2O2 溶液，又重新加快H2O2分解。（学生）由以上证据得出结论：1、MnO2、OH- 、Fe3+、酶等，能显著加快过氧化氢分解反应速率。2、MnO2、OH- 、Fe3+、酶等，在第一次反应结束后仍可以在第二次反应中起作用。12领会新知识（学生）通过以上实验证据，得出催化剂的定义：加入少量能显著加快化学反应速率，而本身质量和化学性质在反应前后保持不变的物质。（教师）解释催化剂的催化原理：分别用有效碰撞理论、过渡态理论、酶催化的锁钥原理等图像、模型来描述。1.3巩固运用知识：(学生)描述催化剂的特征：催化剂改变了反应路径，降低了活化能，加快了正反应速率和逆反应速率。催化剂参与反应但在反应前后自身的数量、组成和化学性质不变。催化剂有选择性、易中毒、可再生。催化剂不能改变化学反应的方向，即不能使不可能发生的化学反应得以发生。1.4提出新问题（学生）问题：在实验中观察到催化剂能改变反应速率，但没有观察到催化剂参与了反应，如何能证明催化剂在过氧化氢分解中参与了反应？2收集证据，揭示化学现象背后的本质或规律关于“如何证明催化剂在反应中参与了反应”这一问题，设计第二课时教学，要达到的水平是：能从宏观和微观、定性与定量结合上收集证据，能依据证据从不同视角分析问题，推出合理的结论。教学设计为：提出假设文献调研设计方案寻找证据得出结论反思交流。探究活动分两个小组进行，第一小组“探究OH- 在H2O2分解中所起的作用” ，第二小组“探究Fe3+在H2O2分解中所起的作用”。2.1第一小组探究活动如下提出假设：OH- 在H2O2分解中参与了反应文献调研：过氧化氢按以下历程分解，H2O2+OH- HO2- +H2O H2O2+ HO2-O2+OH-+H2O 由于反应是可逆反应，增加OH-离子浓度，有利HO2-离子的形成，从而加快分解反应。设计方案：H2O2在碱性条件下反应速度很快，且OH-离子在反应前后数量、组成和化学性质不变，因此需要采用传感器技术，用PH传感器跟踪反应进程，通过数据采集器自动记录反应进程中PH的突变。配制浓度约为10%，经测定PH值为3.1的 H2O2 溶液和浓度约为40%的NaOH溶液。实验装置如图所示：寻找证据得出结论：传感器数据采集与图像分析（如图2.1所示）：图2.1 PH值在10.66到10.72之间，OH- 离子参与反应的PH值突变曲线证据解释：实验共采集六组数据，横坐标为反应采集时间，每组采集时间为120秒。纵坐标为PH值的变化，反应起始时溶液PH值为10.665。两条曲线为反应刚开始时溶液的PH变化曲线，由于反应十分剧烈，放出大量氧气，溶液PH值从10.66增大到10.69，PH值变化相对较大，反应进程中PH值突变不明显。两条曲线为反应趋于平缓时PH值变化曲线，此时H2O2分解速度变慢，溶液PH值从10.69增大到10.70，PH值变化相对不大，这时可以明显地看到反应进程中PH值突然增大和突然减少的突变。两条曲线为反应已接近尾声，此时看到极少量的氧气气泡产生，但反应进程中PH值的突变还在进行中。以上实验证明了OH- 离子在H2O2分解中参与了反应。2.2第二小组探究活动如下提出假设：Fe3+在H2O2 分解中参与了反应文献调研：过氧化氢按以下历程分解，2Fe3+H2O22Fe2+O2+2H+ Fe2+H2O2+2H+ 2Fe3+H2O ,由于催化剂改变了反应路径，降低了活化能，从而加快反应速率。设计方案：配制浓度为10%的 H2O2 溶液、浓度为1mol/L的FeCl3溶液、浓度为0.1mol/L的铁氰化钾K3Fe(CN)6溶液。第1课时已验证NaCl在H2O2分解中催化作用不明显，若在加了FeCl3的H2O2溶液中检出Fe2+，则表明反应的发生。寻找证据得出结论：在试管中加入3ml 10%的H2O2 溶液，滴加1mol/L的FeCl3溶液1ml,H2O2 迅速分解产生气泡，马上取1ml正在反应的溶液用铁氰化钾K3Fe(CN)6溶液检验， 如图所示：出现蓝色沉淀，Fe2+ +Fe(CN)63= Fe3Fe(CN)62 以上证据证明了Fe3+离子在H2O2分解中参与了反应。反思与交流：第一小组在交流中谈到了方案设计中的创新意识采用传感器技术，此灵感来自于用PH传感器实时跟踪酸碱中和滴定，数据采集器能自动记录PH变化、绘制PH-V曲线、显示滴定过程中的突跃现象。由此想到若OH-离子参加反应，数据采集器能测到PH微小变化，并能在图像上显示突变。在实验过程中还发现控制不同的PH值，对测量有较大的影响。若PH10时图像曲线很不稳定（如图2.2.1所示）图2.2.1PH值在9.79到9.82之间，OH- 离子参与反应的PH值突变曲线若PH11时图像突跃又不明显（如图2.2.2所示）图2.2.2 PH值在11.34到11.42之间，OH- 离子参与反应的PH值突变曲线为了寻找既稳定又明显的证据，实验重复了多次，终于在PH值为10.6910.70之间找到两条既稳定又突跃明显的图像，由此体验到科学探究的艰辛与喜悦，感受化学世界的奇妙与和谐。第二小组在交流中谈到，有同学在用KSCN检验30%H2O2中滴加的Fe3+时，观察到溶液先变红再褪色现象，同时闻到有强烈刺激性气味的气体产生，推测可能发生了副反应 SCN- + 3H2O2 HCN + SO4 2-+ 2H2O+ H+，由此体会到实验时要考虑方案设计的科学性、药品使用的安全性及环境保护的重要性。在交流中学生又提出了新的问题：能否用其他试剂代替Fe3+在H2O2分解中起催化作用，如果有，如何寻找这样的催化剂？3建立模型，运用模型解释化学现象背后的本质或规律关于“如何寻找催化剂？”这一问题，设计第三课时教学，要达到的水平是：能对复杂的化学问题的关键要素进行分析以建构相应的模型,能分析模型和化学现象及本质的关系。第三课时教学设计为：建立模型分析与猜想设计方案实验验证反思交流。3.1建立模型分析与猜想建立催化剂起催化作用的过渡态模型： 根据模型分析反应历程。无催化剂时，反应物生成物2H2O22H2O+O2，活化能为Ea()。有催化剂时，反应物+催化剂反应中间物生成物+催化剂2Fe3+H2O2 2Fe2+O2+2H+ Fe2+H2O2+2H+2Fe3+H2O ，活化能为Ea()。催化剂降低了反应的活化能，猜想1：能否通过查找活化能数据Ea()Ea()来寻找催化剂。经查找,发现用阿累尼乌斯公式计算活化能难度太大而放弃。猜想2：能否通过键能估算活化能，经查找，发现溶液中的键能难以估算而放弃。学生在学习化学反应原理第一专题第二单元化学能与电能的转化时，一部分对该内容感兴趣的学生自习过电极电势水溶液中的氧化还原反应，知道可以运用标准电极电势（E）判断氧化还原反应方向（如表3.1所示）表3.1 某些反应的标准电极电势（298K）电极反应氧化型+ne-还原型标准电势E/V电极反应氧化型+ne-还原型标准电势E/VH2O2（aq）+2H+2e-2H2O1.77Fe3+e-Fe2+0.77O2+2H+2e-H2O2（aq）0.68Br2+2e-2Br-1.08MnO2+4H+2e-Mn2+2H2O1.23I2+2e-2I-0.543.2设计方案实验验证：在2H2O2 =2H2O+O2的分解反应中，H2O2（aq）作为氧化剂、还原剂的电极电势分别为：氧化剂：H2O2（aq）+2H+2e-2H2O EH2O2/ H2O1.77V还原剂：O2+2H+2e-H2O2（aq） EO2/ H2O20.68V由EH2O2/ H2O- EO2/ H2O21.09 V（n=2）表明，H2O2（aq）的自氧化还原极为完全，许多物质可以做这个反应的催化剂。权威著作引用的机理是：电极电势介于1.77V和0.68V的某些电对，可催化H2O2（aq）分解。对照表中数据，MnO2和Fe3+可做催化剂已在实验中证明。根据EBr2/ Br-1.08V， 猜想Br2或Br-可做H2O2（aq）分解的催化剂。实验验证：在试管中加入3ml 15%的H2O2 溶液，加入0.1克NaBr固体, H2O2中产生大量气泡，溶液颜色变化从无色浅黄（Br2）无色 。发生的反应可能为： H2O2+2Br-+2H+Br2+ H2O Br2+ H2O22Br-+2H+ O2 由此证明Br2或Br-可做H2O2（aq）分解的催化剂。 根据EI2/ I-=0.54V , 猜想I2或I-不能做H2O2（aq）分解的催化剂。实验验证：在试管中加入3ml 15%的H2O2 溶液，加入0.1克NaI固体, H2O2中没有气泡产生，颜色变化从无色红棕（I2）。发生的反应为：H2O2+2I-+2H+I2+ H2O 由此证明I2或I-不能做H2O2（aq）分解的催化剂。3.3反思交流学生在交流中谈到，建立模型不仅可以让抽象的概念和理论容易被理解，而且可以对科学探究进行预测和推论。学生还谈到，以催化剂为单元的系列学习，不仅能了解关于催化剂的更多知识，如催