优化整合实验 提高课堂效率
2022-06-08
摘要：以苏教版选修4“化学反应速率”高三复习课为例，通过实验的优化整合，提高复习课教学效率，提升课堂思维品质，培养学生探究、分析、综合应用知识的能力。
教育期刊网http://www.jyqkw.com/
关键词：化学实验；优化整合；反应速率；高三复习
文章编号：1005?6629（2014）3?0041?03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 设计思想
关于化学核心知识与化学学科意识，高剑南教授提出了八条，其中两条是：化学反应是化学研究的中心问题；提高反应速率是实现化学反应的关键因素之一[1]。说明化学反应速率在化学学科中有着重要的学科价值和社会价值。从学科价值看，反应速率是属于化学动力学范畴的内容，是中学化学重要的理论知识之一，是理解化学平衡移动的基础，它前后还联系了元素化合物的性质、电化学、物质合成实验等知识。同时，化学反应速率还是进行“定性和定量”、“控制变量法”科学方法教育的有效载体，它包含着化学学科中重要的“变化观”、“能量观”、“实验研究法”等核心观念。从社会价值看，化学反应速率的问题在生活生产中的应用俯拾皆是：食品的保存和变质、金属制品的使用和防腐、加酶洗衣粉的高效净化、工业生产的效率和效益、化石燃料的形成、生活垃圾的降解等等。因此，对这部分内容的复习，教师应揭示其背后蕴含的学科观念和方法论，并展现化学学科在生活生产中的应用实例。
既然，事物的发展是“内外因共同决定”的，那么在内因确定的情况下，外因就成为可调控的唯一因素。宋心琦先生曾说过：物质体系的性质是多因素的函数[2]。这么多变量的调控下，到底结果会怎样？实验是最权威的答案。教学中，教师非常有必要引导学生利用实验的手段去分析各种具体问题。
复习课上，实验除了回顾旧知外，还兼具情境创设，促进学生知识迁移，培养学生解决实际问题的能力的功能。对实验进行优化整合，从实验体系三要素（研究体系、仪器和操作）的选择，再到实验机理的分析讲解，最后是实验结论的应用延伸都是提高复习课效率的关键环节。基于“化学反应速率”复习课的教学目标，笔者选用了“草酸与高锰酸钾反应”这一化学体系进行优化整合，从教材经典实验回顾，到反应速率的实验方案探索，再对实验数据的绘图和分析，最后是实验原理的解析和应用，努力促成学生主动参与到知识的探索中，体验知识的建构过程，训练化学特有的研究方法和思维方式，形成核心的化学观念。
2 教学过程
2.1 回顾经典实验，厘清知识脉络
[投影]《化学反应原理》（苏教版第37页）“影响化学反应速率的因素”实验：
原理：2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4=K2SO4+2MnSO4+8H2O+10CO2↑
内容：将三支盛有相同高锰酸钾溶液和草酸溶液的试管分别置于冷水、热水和常温下，观察实验现象。
师：结合以上实验，请同学回顾哪些变量可以用来描述化学反应速率？它有哪些影响因素？
[整理]化学反应速率的概念、表达方式、影响因素。
2.2 问题驱动，加密思维
为了让学生更清晰地观察实验现象，教学中使用了实物投影仪，反应容器选用了培养皿。
（1）试计算0～4 min、4～8 min时段的高锰酸钾反应速率并填入表格空白处。
（2）若用H2C2O4表示0～4 min的平均反应速率，ν（H2C2O4）= 。
（3）以下表示的反应速率中，你认为速率最大的是哪一项，并说明判断理由。
A.ν（KMnO4）=0.14×10-4 mol?L-1?min-1
B.ν（H2C2O4）=0.25×10-4 mol?L-1?min-1
C.ν（KMnO4）=0.10×10-4 mol?L-1?min-1
[小结]
①同一化学反应中，用不同物质的浓度变化所表示的速率，其数值之比等于方程式化学计量数之比。
②一段时间内某物质的化学反应速率是平均速率而不是瞬时速率。
③比较同一反应中不同物质的反应速率快慢要注意转化。
师：为使数据更直观地呈现，结合速率随时间变化的数据，我们可以建立“速率―时间”坐标，通过速率描点，以直观呈现“速率随时间”的变化趋势（如图1）。
[问题2]请同学们观察以上“ν-t”变化图，试分析反应速率随时间变化特点，并推测可能的原因。
生：开始速率随着时间变化而逐渐增大，反应一段时间后速率随着时间变化而逐渐减小。
师：那可能是什么因素导致速率发生如此变化？能否设计实验方案进行证明？
生：开始一段时间速率增大的原因：①可能是该反应是放热反应，导致溶液温度升高，使反应速率加快。验证方法：测定反应过程的温度变化。②可能是生成物对反应有催化作用。反应一段时间后，由于反应物浓度逐渐减小，速率逐渐减小。
师：实验2说明什么问题？
生：试管内溶液温度无明显变化，说明开始一段时间反应速率的增大不是由温度升高引起的。
师：如果反应速率的增大是由生成物的催化作用引起，那么起催化作用的物质又是什么呢？
生：起催化作用的应该是Mn2+。
师：你是如何推导的？该如何证明呢？
生：因为只有Mn2+是新生成的，可以设计对照实验加以证明：取两份草酸和酸性高锰酸钾混合液，向一份中加入2滴硫酸锰溶液，另一份中加入2滴水，比较两溶液褪色速度。
师：为何在一份溶液中加入2滴硫酸锰溶液的同时，要在另一份溶液中加入2滴水？
生：这样才可以保证各反应物浓度的相同，排除浓度对反应速率的干扰。（因学生的精彩回答，迎来其他同学热烈的掌声） 师：很好，分析相当到位，实验设计也非常严谨。但老师想用更简单的方法，请大家注意观察下面的实验现象。
[实验3]往实验1已褪色溶液中加入2 mL KMnO4（H+）溶液。KMnO4溶液的紫红色快速褪去。
师：该实验能证明反应速率的增大的原因吗？为什么？
生：可以，因为实验1已褪色的溶液中含有Mn2+，可以证明反应速率增大是由Mn2+的催化作用引起的。
此时有一学生质疑：“老师，实验1中的H2C2O4溶液是否过量呀？”
师：你的想法是对的。根据这一想法能说明既然有Mn2+的催化影响，但反应一段时间后，速率为何又随时间的变化而逐渐减小呢？
生：因为反应一段时间后，反应物浓度逐渐减小对反应速率的影响占主导地位，反应速率又逐渐减小。
师：可见，有多因素影响反应速率时，在不同阶段，其“主导因素”是不同的。在科学研究时，可以使用实验的手段，同时还要注意控制变量。除了上述的影响因素外，大家认为还有其他方法改变一个化学反应的速率吗？
生：有物质本身的性质，还有改变浓度、压强、光照、反应物接触面积大小或组装成原电池等。
师：很好，今后大家还可能会认识到影响反应速率的其他因素。事实上，任何事物的发展亦是如此，都是内外因共同决定的结果。比如，地球上化石燃料的形成，就是自然地理环境中诸多因素的合力。所以在认识任何事物时，我们要学会全面周到地考查分析，学会透过表象看本质。
……
3 教学反思
这是笔者在温州市高考化学备考研讨会中执教的一节复习课片段。作为高三一轮复习，本节课突破了传统教学中为“巩固知识”而设计教学步骤的做法，从“能力立意”的新理念出发，通过实验的优化整合、问题的有效设计，诱发学生积极思考；通过教师有效引导，让学生在问题和实验的探索与交流中进行有效的学习，达到复习、巩固和加深理解化学反应速率有关知识的目的，实现学生思维能力的培养。下面笔者就本节课的教学，谈几点想法。
3.1 重视实验优化与整合
在本节复习课中，以高锰酸钾溶液与草酸溶液的优化实验为教学主线，既达到梳理旧知的目的，也利用新情境中的问题解决训练了学生获取信息、分析信息、综合应用知识的能力，培养了学生的化学探究能力、化学思维方式和化学学习方法。
3.2 渗透“内因和外因的辩证关系”
宋心琦先生曾说过：绝对正确的唯一答案，只存在于目前的习题、考题和竞赛题之中[3]。就一个反应的速率来说，可能的影响因素有很多，只有实验才是最权威的答案，当然实验结果的测定还依赖于科技的进步。本节课中，利用简单的实验素材、鲜明的实验现象和“控制变量法”的方法来验证反应速率的影响因素，并结合对实验数据的绘图和分析，培养学生大胆假设、科学论证的思维方式，感悟“事物的发展是受多种内外因素影响”的哲学思想。
3.3 塑造“互动”的课堂
教学是要在“对话”中进行的，包括师生对话、生生对话。学生的头脑不是一个被填满的容器，而是需要被点燃的“火把”。教师的责任就是点燃“火把”，让他们燃烧。一旦燃烧开始，那么课堂就会充满乐趣，洋溢激情和创意。
参考文献：
[1]高剑南.试论化学核心知识与化学学科意识[J].化学教学，2004，（3）：1～2.
[2][3]宋心琦.再谈中学化学实验教学改革（上）[J].化学教学，2013，（3）：3～7.
[4]高瑛，马宏佳，颜桂芹.化学反应速率教学概念导入的实验设计[J].化学教学，2005，（5）：8～9.
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关键词：化学实验；优化整合；反应速率；高三复习
文章编号：1005?6629（2014）3?0041?03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
1 设计思想
关于化学核心知识与化学学科意识，高剑南教授提出了八条，其中两条是：化学反应是化学研究的中心问题；提高反应速率是实现化学反应的关键因素之一[1]。说明化学反应速率在化学学科中有着重要的学科价值和社会价值。从学科价值看，反应速率是属于化学动力学范畴的内容，是中学化学重要的理论知识之一，是理解化学平衡移动的基础，它前后还联系了元素化合物的性质、电化学、物质合成实验等知识。同时，化学反应速率还是进行“定性和定量”、“控制变量法”科学方法教育的有效载体，它包含着化学学科中重要的“变化观”、“能量观”、“实验研究法”等核心观念。从社会价值看，化学反应速率的问题在生活生产中的应用俯拾皆是：食品的保存和变质、金属制品的使用和防腐、加酶洗衣粉的高效净化、工业生产的效率和效益、化石燃料的形成、生活垃圾的降解等等。因此，对这部分内容的复习，教师应揭示其背后蕴含的学科观念和方法论，并展现化学学科在生活生产中的应用实例。
既然，事物的发展是“内外因共同决定”的，那么在内因确定的情况下，外因就成为可调控的唯一因素。宋心琦先生曾说过：物质体系的性质是多因素的函数[2]。这么多变量的调控下，到底结果会怎样？实验是最权威的答案。教学中，教师非常有必要引导学生利用实验的手段去分析各种具体问题。
复习课上，实验除了回顾旧知外，还兼具情境创设，促进学生知识迁移，培养学生解决实际问题的能力的功能。对实验进行优化整合，从实验体系三要素（研究体系、仪器和操作）的选择，再到实验机理的分析讲解，最后是实验结论的应用延伸都是提高复习课效率的关键环节。基于“化学反应速率”复习课的教学目标，笔者选用了“草酸与高锰酸钾反应”这一化学体系进行优化整合，从教材经典实验回顾，到反应速率的实验方案探索，再对实验数据的绘图和分析，最后是实验原理的解析和应用，努力促成学生主动参与到知识的探索中，体验知识的建构过程，训练化学特有的研究方法和思维方式，形成核心的化学观念。
2 教学过程
2.1 回顾经典实验，厘清知识脉络
[投影]《化学反应原理》（苏教版第37页）“影响化学反应速率的因素”实验：
原理：2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4=K2SO4+2MnSO4+8H2O+10CO2↑
内容：将三支盛有相同高锰酸钾溶液和草酸溶液的试管分别置于冷水、热水和常温下，观察实验现象。
师：结合以上实验，请同学回顾哪些变量可以用来描述化学反应速率？它有哪些影响因素？
[整理]化学反应速率的概念、表达方式、影响因素。
2.2 问题驱动，加密思维
为了让学生更清晰地观察实验现象，教学中使用了实物投影仪，反应容器选用了培养皿。
（1）试计算0～4 min、4～8 min时段的高锰酸钾反应速率并填入表格空白处。
（2）若用H2C2O4表示0～4 min的平均反应速率，ν（H2C2O4）= 。
（3）以下表示的反应速率中，你认为速率最大的是哪一项，并说明判断理由。
A.ν（KMnO4）=0.14×10-4 mol?L-1?min-1
B.ν（H2C2O4）=0.25×10-4 mol?L-1?min-1
C.ν（KMnO4）=0.10×10-4 mol?L-1?min-1
[小结]
①同一化学反应中，用不同物质的浓度变化所表示的速率，其数值之比等于方程式化学计量数之比。
②一段时间内某物质的化学反应速率是平均速率而不是瞬时速率。
③比较同一反应中不同物质的反应速率快慢要注意转化。
师：为使数据更直观地呈现，结合速率随时间变化的数据，我们可以建立“速率―时间”坐标，通过速率描点，以直观呈现“速率随时间”的变化趋势（如图1）。
[问题2]请同学们观察以上“ν-t”变化图，试分析反应速率随时间变化特点，并推测可能的原因。
生：开始速率随着时间变化而逐渐增大，反应一段时间后速率随着时间变化而逐渐减小。
师：那可能是什么因素导致速率发生如此变化？能否设计实验方案进行证明？
生：开始一段时间速率增大的原因：①可能是该反应是放热反应，导致溶液温度升高，使反应速率加快。验证方法：测定反应过程的温度变化。②可能是生成物对反应有催化作用。反应一段时间后，由于反应物浓度逐渐减小，速率逐渐减小。
师：实验2说明什么问题？
生：试管内溶液温度无明显变化，说明开始一段时间反应速率的增大不是由温度升高引起的。
师：如果反应速率的增大是由生成物的催化作用引起，那么起催化作用的物质又是什么呢？
生：起催化作用的应该是Mn2+。
师：你是如何推导的？该如何证明呢？
生：因为只有Mn2+是新生成的，可以设计对照实验加以证明：取两份草酸和酸性高锰酸钾混合液，向一份中加入2滴硫酸锰溶液，另一份中加入2滴水，比较两溶液褪色速度。
师：为何在一份溶液中加入2滴硫酸锰溶液的同时，要在另一份溶液中加入2滴水？
生：这样才可以保证各反应物浓度的相同，排除浓度对反应速率的干扰。（因学生的精彩回答，迎来其他同学热烈的掌声） 师：很好，分析相当到位，实验设计也非常严谨。但老师想用更简单的方法，请大家注意观察下面的实验现象。
[实验3]往实验1已褪色溶液中加入2 mL KMnO4（H+）溶液。KMnO4溶液的紫红色快速褪去。
师：该实验能证明反应速率的增大的原因吗？为什么？
生：可以，因为实验1已褪色的溶液中含有Mn2+，可以证明反应速率增大是由Mn2+的催化作用引起的。
此时有一学生质疑：“老师，实验1中的H2C2O4溶液是否过量呀？”
师：你的想法是对的。根据这一想法能说明既然有Mn2+的催化影响，但反应一段时间后，速率为何又随时间的变化而逐渐减小呢？
生：因为反应一段时间后，反应物浓度逐渐减小对反应速率的影响占主导地位，反应速率又逐渐减小。
师：可见，有多因素影响反应速率时，在不同阶段，其“主导因素”是不同的。在科学研究时，可以使用实验的手段，同时还要注意控制变量。除了上述的影响因素外，大家认为还有其他方法改变一个化学反应的速率吗？
生：有物质本身的性质，还有改变浓度、压强、光照、反应物接触面积大小或组装成原电池等。
师：很好，今后大家还可能会认识到影响反应速率的其他因素。事实上，任何事物的发展亦是如此，都是内外因共同决定的结果。比如，地球上化石燃料的形成，就是自然地理环境中诸多因素的合力。所以在认识任何事物时，我们要学会全面周到地考查分析，学会透过表象看本质。
……
3 教学反思
这是笔者在温州市高考化学备考研讨会中执教的一节复习课片段。作为高三一轮复习，本节课突破了传统教学中为“巩固知识”而设计教学步骤的做法，从“能力立意”的新理念出发，通过实验的优化整合、问题的有效设计，诱发学生积极思考；通过教师有效引导，让学生在问题和实验的探索与交流中进行有效的学习，达到复习、巩固和加深理解化学反应速率有关知识的目的，实现学生思维能力的培养。下面笔者就本节课的教学，谈几点想法。
3.1 重视实验优化与整合
在本节复习课中，以高锰酸钾溶液与草酸溶液的优化实验为教学主线，既达到梳理旧知的目的，也利用新情境中的问题解决训练了学生获取信息、分析信息、综合应用知识的能力，培养了学生的化学探究能力、化学思维方式和化学学习方法。
3.2 渗透“内因和外因的辩证关系”
宋心琦先生曾说过：绝对正确的唯一答案，只存在于目前的习题、考题和竞赛题之中[3]。就一个反应的速率来说，可能的影响因素有很多，只有实验才是最权威的答案，当然实验结果的测定还依赖于科技的进步。本节课中，利用简单的实验素材、鲜明的实验现象和“控制变量法”的方法来验证反应速率的影响因素，并结合对实验数据的绘图和分析，培养学生大胆假设、科学论证的思维方式，感悟“事物的发展是受多种内外因素影响”的哲学思想。
3.3 塑造“互动”的课堂
教学是要在“对话”中进行的，包括师生对话、生生对话。学生的头脑不是一个被填满的容器，而是需要被点燃的“火把”。教师的责任就是点燃“火把”，让他们燃烧。一旦燃烧开始，那么课堂就会充满乐趣，洋溢激情和创意。
参考文献：
[1]高剑南.试论化学核心知识与化学学科意识[J].化学教学，2004，（3）：1～2.
[2][3]宋心琦.再谈中学化学实验教学改革（上）[J].化学教学，2013，（3）：3～7.
[4]高瑛，马宏佳，颜桂芹.化学反应速率教学概念导入的实验设计[J].化学教学，2005，（5）：8～9.