核心素养为本的化学教学设计与实践——以“化学反应限度”为例

广东

(作者单位：广东第二师范学院附属番禺中学)

一、教学主题内容及教学现状分析

1.1教学主题内容

化学反应的限度为人教版《化学2(必修)》第二章“化学反应与能量”的第三节“化学反应的速率和限度”第二课时的内容，属于化学反应原理的范畴，是高中化学的一个教学难点。化学反应的限度是中学生建构化学反应及相关认识的重要维度，通过这部分的学习，学生将进一步认识化学变化所遵循的基本原理，初步形成物质变换的学科理念，了解控制反应条件在生产和科学研究中的作用，为深入学习化学平衡、平衡移动、勒夏特列原理等知识打下基础。

1.2 教学现状分析

1.2.1 文献分析

对于化学反应的限度这一节的教学设计，有许多案例，例如以“合成氨”反应为载体开展主题式教学；借助于演示实验、探究实验、图像绘制、图形解读、错误辨析等教学设计与核心问题引导进行教学尝试；基于知识体系的建构，采用问题教学法，引导学生从定性与定量角度理解反应的限度。然而这些研究大多是采用旧课程标准的要求，并没有提出化学学科的核心素养。

1.2.2 学生学习现状分析

化学反应的限度较抽象，而高中课程标准建议要在必修阶段帮助学生建立可逆反应和化学平衡的概念，形成“化学反应存在限度”“可逆反应达限度时处于化学平衡状态”“外界条件可以改变平衡状态”等观点。其教学难点在于学生不能深刻理解可逆反应和化学平衡状态的特点，尤其是理解化学平衡是一种动态平衡，以及如何判断一个可逆反应达到平衡状态。

二、教学思想与创新点

新课程标准提出重视开展“素养为本”的教学，化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“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”“科学态度与社会责任”5个方面。那么如何以化学课堂为载体，渗透化学核心素养，培养学生的化学素养，是值得深思的问题。本节课主要体现“变化观念与平衡思想”和“宏观辨识与微观探析”两个化学核心素养的教学设计，为实现学生核心素养的发展做了初步探索。

三、教学目标

(1)认识可逆反应及其特征。(宏观辨识与微观探析)

(2)理解化学反应限度的概念，学习科学探究的基本方法，培养科学探究的能力。(证据推理与模型认知)

(3)体会化学知识在生产、生活中的作用，培养学生对化学学科的热情。(科学态度与社会责任)

四、教学与评价思路

图1 教学设计思路

五、课堂实录

环节1 建立情境，提出问题

【设计意图】充分发挥化学史实的作用，从破解高炉炼铁问题入手，营造真实的教学情境，将“可逆反应”的核心概念的建构与其历史发展过程有机地结合起来。使学生从学科本质上把握化学核心概念发展中所蕴含的学科思想观念。让学生感受到化学知识渗透于生产生活的方方面面，并与之紧密联系。

环节2 “宏观—微观—符号”三重表征认识可逆反应

【投影】本节课要探讨的问题：

1.什么样的反应具有限度？

2.这样的反应具有什么特征？

3.化学反应达到反应限度时具有什么特点？

4.如何判断一个反应是否达到反应限度(平衡状态)？

【板书】一、可逆反应

(1)可逆反应：在同一条件下，既能向正反应方向进行，同时也能向逆反应方向进行的反应。

(2)可逆反应的特征：双向、两同、共存。

【典例辨析】列出SO2与H2O、NH3与H2O、SO2与O2、工业合成氨等反应让学生判断是否属于可逆反应。

【问题1】水的生成(H2+O2)和电解、二次电池的放电与充电、CO2和H2O在植物体中通过光合作用合成糖与糖在人体内氧化生成CO2和H2O，它们是否属于可逆反应？

【学生活动】思考交流。

【投影图片】水的生成即H2与O2反应，条件是点燃，而电解水的条件是通电。

【学生回答】二者反应条件不同，不符合可逆反应的特征。进而能够准确判断其他两个反应不是可逆反应。

【动画展示】同位素原子示踪的实验：向一个密闭容器中充入一定量的SO2和18O2，一定条件下进行充分反应，经过检测发现18O不仅存在于SO3和O2中，也存在于SO2中(图2)。让学生领会在生成SO3的同时，SO3也在分解为SO2和O2，真切感悟可逆反应的双向、共存的特征。

图2 同位素原子示踪的实验

环节3 数形结合构建化学平衡状态的认知模型

【投影】以SO2和O2反应生成SO3反应为例，观察表1数据，获取相关信息。

表 SO2和O2反应制备SO3的实验各物质浓度变化的数据

【师生合作】由表数据得到浓度与时间关系c-t图(见图3)，即可得出：可逆反应存在限度。在可逆反应中，随着时间的推移，反应物浓度不断减小，生成物浓度不断增大，一段时间后，反应物浓度和生成物浓度不再随时间变化。那么，可逆反应在反应过程中，正反应速率和逆反应速率如何变化？同时画出化学反应速率随时间变化关系v-t图(见图4)。

图3 浓度随时间变化关系c-t图

图4 化学反应速率随时间变化关系v-t图

【问题2】什么是化学平衡状态？它有哪些特征？是一定程度下反应停止还是反应依旧双向进行？

【板书】二、化学平衡状态

(1)化学平衡状态：一定条件下，可逆反应进行到一定程度时，正反应速率与逆反应速率相等，反应物的浓度与生成物的浓度不再变化。

(2)化学平衡状态特征：逆(可逆反应)、等(v正=v逆)、动(动态平衡)、定(各物质浓度保持不变)、变(外界条件发生改变，化学平衡发生移动)。

(3)化学平衡状态是可逆反应达到的一种特殊状态，是在给定条件下化学反应所能达到或完成的最大程度，即该反应进行的限度决定了最大的转化率。

【设计意图】教材中虽然展示了反应速率随时间的变化图像，但却没有具体数据，学生短时间内较难理解正反应速率和逆反应速率的变化关系，所以在教学过程中要列出具体的反应，以及各反应物和生成物的物质的量浓度的变化数据，再结合曲线表征，让学生较好地理解可逆反应的概念，即反应进行一定程度时，微观上表现为某一物质的正反应速率和逆反应速率相等，而宏观上表现为各物质的浓度不再变化时即达到平衡状态。此处问题的设计对教材内容进行了延伸和拓展，同时又紧紧围绕着教材的内容，层层递进，利用问题的设置与教师的合理引导，以及数形结合的思想来促进学生更深层次地认识和理解“化学反应的限度”。当化学反应处于平衡状态时，正反应速率和逆反应速率相等且大于0，达到表面静止的状态，但实际上正向和逆向的反应仍在进行，因此可让学生建立变化与平衡相统一的学科观念。但当外界条件(浓度、温度、压强等)改变时，化学平衡将发生移动。

环节4 宏观和微观相结合判断化学平衡状态

【问题3】可以从哪些参数判断反应是否处于平衡状态？师生可以从上表数据绘制的图3和图4上进行探讨。

【板书】三、化学平衡状态的判断

(1)直接判断法：

v正(A)=v逆(A)>0

(1)A的消耗速率与C的________速率之比等于________。

(2)A的生成速率与B的________速率之比等于________。

【小结】同一种物质的生成速率等于消耗速率，即v消(A)=v生(A)；对于不同物质，反应方向相反时，速率之比=系数之比。

【问题设计】结合表1数据、图3和图4曲线判断平衡状态。

①c(H2)=c(I2)=c(HI)

②c(H2)∶c(I2)∶c(HI)=1∶1∶2

③c(H2)∶c(I2)∶c(HI)不再变化

④单位时间内生成nmol H2的同时生成2nmol HI

⑤单位时间内生成nmol H2的同时生成nmol I2

⑦一个H—H键断裂的同时有两个H—I键断裂

⑨温度和体积一定时，混合气体的颜色不再变化。

【学生活动】思考、讨论、分析。

【师生合作】属于平衡状态的有③④⑦⑨。

【板书】(2)间接判断法：

各物质的物质的量或物质的量分数保持不变(平衡)

(3)其他方法：

反应体系(有颜色变化)颜色保持不变(平衡)

( )

①v生成(O2)=v消耗(O2)

②SO2、O2、SO3的浓度之比为2∶1∶2

③单位时间内消耗1 mol O2，同时生成2 mol SO2

④SO2、O2、SO3的浓度不再发生变化

⑤容器内各物质的浓度相等

A.①③④ B.②③ C.①②③④⑤ D.①②③④

【设计意图】化学平衡状态的判断是学习的重点和难点。首先要引导学生深入理解微观判断依据，即正反应速率和逆反应速率相等，可逆反应达到平衡状态。再列出具体的反应方程式，让学生理解正反应速率即反应物的消耗速率或生成物的生成速率，而逆反应速率即生成物的消耗速率或反应物的生成速率，进而学会判断。最后，通过引导学生运用数据、图像素材，从宏观和微观、直接和间接法讲授化学平衡状态的判断依据，使其领悟化学平衡状态的特征，并准确判断。充分发挥学生的主观能动性，培养科学探究与创新意识，以及实事求是的科学态度。

六、教学效果与总结