基于學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的實驗設(shè)計

鄧育紅

摘要：中學(xué)生從微觀層次上認識物質(zhì)具有一定的難度，巧妙的實驗設(shè)計可以變抽象為形象，幫助學(xué)生克服認知困難。精心設(shè)計了3個實驗：影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素及液態(tài)均相體系中催化劑作用機理的探究、熵增吸熱反應(yīng)和鐵離子顏色的探究。這些實驗?zāi)苌鷦印⒅庇^地呈現(xiàn)化學(xué)學(xué)習(xí)的對象，有助于學(xué)生理解知識，以及促進學(xué)生在宏微結(jié)合、變化守恒、實踐創(chuàng)新等方面學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；實驗設(shè)計；化學(xué)反應(yīng)速率；熵變與焓變；鐵離子顏色

文章編號：1005–6629（2017）7–0052–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科。對于中學(xué)生來說，從微觀層次認識物質(zhì)具有一定的難度?；瘜W(xué)實驗?zāi)苓m應(yīng)中學(xué)生的認知特點，為他們形成化學(xué)知識技能提供直觀、生動、具體的感性材料和例證，幫助他們克服認知困難和提高認知質(zhì)量[1]。在多年的教學(xué)實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)教學(xué)中有一些難以講清講透的知識點和學(xué)生困惑的問題，為解決這些問題進行了實驗設(shè)計。如學(xué)生對于催化劑參與化學(xué)反應(yīng)的過程十分感興趣，但教材中沒有均相體系中催化劑參與反應(yīng)過程的相關(guān)實驗，因此在學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容時設(shè)計了氯化鈷催化酒石酸鉀鈉與過氧化氫的實驗，通過溶液顏色的變化證明催化劑參與了化學(xué)反應(yīng)；熵變與焓變比較抽象，學(xué)生難以理解，一直是教學(xué)的難點之一，用生活中常用的自發(fā)熱熱敷袋和學(xué)生熟悉的碳酸氫鹽與氯化鈣的反應(yīng)實驗，通過觀察物態(tài)和溫度的變化來幫助學(xué)生理解熵變與焓變；銅鹽和鐵鹽在生活中很常見，但它們的顏色卻令人困惑，鐵離子顏色的探究實驗?zāi)軒椭鷮W(xué)生答疑解惑。通過這些實驗設(shè)計，巧妙地變抽象為形象，破譯教材難點，解答學(xué)生困惑，促進學(xué)生在宏微結(jié)合、變化守恒、實踐創(chuàng)新等方面學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

1 影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素及液態(tài)均相體系中催化劑作用機理的探究

化學(xué)反應(yīng)速率是高中化學(xué)的重要內(nèi)容。溫度、濃度、壓強、催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，教材中通過不同類型的典型實驗來展現(xiàn)。其中，催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的改變最為顯著，學(xué)生對催化劑改變化學(xué)反應(yīng)速率的作用機理十分感興趣。與溫度、濃度、壓強這幾種因素對反應(yīng)速率的影響機理相比，催化劑的催化原理較難理解。各版本高中選修教材《化學(xué)反應(yīng)原理》中均有闡述：催化劑能改變反應(yīng)的路徑，使發(fā)生反應(yīng)所需的活化能降低，從而加快反應(yīng)速率。但這一反應(yīng)機理光靠理論闡述和圖示講解很難使學(xué)生信服。通過以下實驗可讓學(xué)生明白催化劑確實參與了化學(xué)反應(yīng)，但反應(yīng)前后的質(zhì)量及化學(xué)性質(zhì)并未改變。

實驗1 液態(tài)均相體系中催化劑作用機理的探究

（1）在錐形瓶中加入5%的酒石酸鉀鈉溶液40mL和10%的過氧化氫溶液10mL，加熱至40℃。

（2）在錐形瓶中再加入2%的氯化鈷溶液10mL，注意觀察錐形瓶內(nèi)溶液及其顏色變化。

[反應(yīng)現(xiàn)象]加入氯化鈷后，溶液呈鈷離子（Co2+）的淡紅色，很快變?yōu)闇\棕色，有小氣泡產(chǎn)生。隨著反應(yīng)的進行，溶液逐漸變?yōu)榫G色。反應(yīng)最劇烈時，溶液呈深綠色，并伴隨著大量氣體放出。然后顏色逐漸變淺，反應(yīng)結(jié)束后又恢復(fù)為原來的淡紅色。

酒石酸根離子與過氧化氫反應(yīng)生成二氧化碳，加入氯化鈷作為催化劑，氣體迅速產(chǎn)生。反應(yīng)中鈷離子顏色的變化十分清楚地顯示催化劑參與了反應(yīng)，有中間體生成。催化反應(yīng)的途徑不是越過單一的高能壘，而是越過兩個較低的能壘。

酒石酸鉀鈉與過氧化氫的反應(yīng)不僅可以揭示催化劑的催化原理，也能用于其他有關(guān)影響化學(xué)反應(yīng)速率因素的實驗。

擴展實驗1 濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

（1）取兩個錐形瓶，在錐形瓶1中加入5%的酒石酸鉀鈉溶液40mL和10%的過氧化氫溶液10mL；在錐形瓶2中加入10%的酒石酸鉀鈉溶液40mL和15%的過氧化氫溶液10mL，均加熱至40℃。

（2）在兩個錐形瓶中均加入2%的氯化鈷溶液10mL，注意觀察錐形瓶內(nèi)溶液的變化并加以比較。

[實驗現(xiàn)象]兩錐形瓶溶液顏色的變化一致，但可以觀察到瓶2中產(chǎn)生的氣泡更多，比瓶1反應(yīng)更劇烈。

擴展實驗2 溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響

（1）取兩個錐形瓶，均加入10%的酒石酸鉀鈉溶液40mL和15%的過氧化氫溶液10mL。

（2）瓶1加熱至40℃，停止加熱；瓶2繼續(xù)加熱，觀察現(xiàn)象并加以比較。

[實驗現(xiàn)象]瓶1中無現(xiàn)象；瓶2加熱至近沸，看到有小氣泡產(chǎn)生，停止加熱，仍有氣泡產(chǎn)生（但沒有加入催化劑時反應(yīng)劇烈），用盛過澄清石灰水的燒杯罩在錐形瓶口，可看到燒杯壁出現(xiàn)白色渾濁。

此組實驗直觀明了地詮釋影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素及其機理，尤其是將催化劑參與化學(xué)反應(yīng)這一微觀過程通過顏色變化形象鮮明地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，幫助學(xué)生理解有效碰撞模型、活化分子和活化能的概念。有助于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理與模型認知、宏觀辨識與微觀探析等學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 生活中的實例與化學(xué)反應(yīng)的熵變與焓變

化學(xué)反應(yīng)進行的方向是一個比較復(fù)雜的問題，焓判據(jù)和熵判據(jù)均有道理，綜合了熵變和焓變的自由能變化對高中生來說較難理解。平時在教學(xué)中，講授化學(xué)反應(yīng)時我們更重視新物質(zhì)的生成，書寫化學(xué)方程式也只寫出反應(yīng)物和生成物的化學(xué)式，一般不標注反應(yīng)物和生成物的狀態(tài)和反應(yīng)的能量變化（熱化學(xué)方程式除外）。而國外的一些教材，在開始介紹化學(xué)反應(yīng)時即強調(diào)物質(zhì)變化和能量變化是化學(xué)反應(yīng)的標志，化學(xué)方程式必須標注物質(zhì)的狀態(tài)和反應(yīng)是吸熱還是放熱[2]。因此我們的學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)中的能量變化（焓變）和物態(tài)變化（熵變）不太關(guān)注。其實，熵變和焓變不僅在自然界中普遍存在，也廣泛存在于我們所熟悉的化學(xué)實驗以及日常生活中。

市場上出售的自發(fā)熱熱敷袋就利用了熵減放熱的原理：

CH3COONa·3H2O（l）→CH3COONa·3H2O（s）+熱量

液態(tài)的水合醋酸鈉處于無序狀態(tài)，在金屬片的觸發(fā)下結(jié)晶成為固態(tài)，混亂度減小，放出能量。將結(jié)晶后的熱敷袋放在熱水中吸熱融化，即可反復(fù)使用，故名為“自發(fā)熱”。

如果將結(jié)晶后的袋子放在身體需要冷敷的部位，發(fā)熱袋就變成了冷敷袋。冷熱均可，備受歡迎。

泡騰片的溶解是熵增吸熱的過程。夏天，在涼開水中放入一片泡騰片，看到氣泡翻騰，同時可以喝到?jīng)鏊娘嬃希蔚葠芤?。這是因為泡騰片中的檸檬酸與碳酸氫鈉反應(yīng)，生成二氧化碳氣體，體系的混亂度增大，同時該反應(yīng)吸收熱量，溶液變冷。

生活是最大的課堂，實踐是最佳的老師。課余，抱著熱（冷）敷袋，喝著泡騰飲料，回味熵增（減）原理，別有一番情趣。

在課堂上，亦可用如下實驗釋疑，幫助學(xué)生化解某些吸熱反應(yīng)能夠自發(fā)進行的難點。

實驗2 熵增吸熱反應(yīng)示例

（1）分別量取1mol/L的氯化鈣溶液和2mol/L的碳酸氫鉀溶液各50mL，測量此時溶液的溫度。

（2）將兩溶液同時倒入錐形瓶中，觀察現(xiàn)象并測量混合液溫度。

[實驗現(xiàn)象及解釋]溶液混合后即出現(xiàn)白色渾濁，同時有大量氣泡產(chǎn)生，同時觀察到溫度降低。（當(dāng)時室溫為14℃，兩室溫下的溶液混合后溫度降為12℃。）氯化鈣溶液和碳酸氫鉀溶液反應(yīng)生成了二氧化碳氣體，體系混亂度增大。同時，溫度的測量直觀地顯示了反應(yīng)的焓變，提供了現(xiàn)象明顯的熵增吸熱反應(yīng)示例。

教材中一般較多討論碳酸氫鈉溶液和氯化鈣溶液的反應(yīng)，而本實驗用溶解度相對較大的碳酸氫鉀替換碳酸氫鈉，反應(yīng)原理相同，但實驗現(xiàn)象變得十分清晰。

此實驗可用于探究氯化鈣溶液鑒別碳酸鹽和碳酸氫鹽的方法是否嚴密，以此培養(yǎng)學(xué)生嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度和證據(jù)意識。本實驗亦可用來展示碳酸氫根離子電離平衡的移動，從而培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)變化觀念與平衡思想。

化學(xué)可以說是應(yīng)用宏觀與微觀結(jié)合、思維與實驗結(jié)合的方法研究實物材料（化學(xué)物質(zhì)）的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，以及它們的相互聯(lián)系，為人類利用自然、改造自然、保護自然、提高生活質(zhì)量和生存安全服務(wù)，滿足人類的實際需要以及有關(guān)的好奇心和興趣的科學(xué)[3]。此組實驗貼近生活和學(xué)生已有的知識經(jīng)驗，從新視角審視熟悉的問題，突出了實驗是一種重要的科學(xué)方法和思維方法，很好地演繹了學(xué)習(xí)化學(xué)的意義和目的。

3 鐵離子顏色的探究

在教學(xué)中，經(jīng)常會遇到這樣的問題：實驗時，學(xué)生往往不關(guān)注教師著重強調(diào)的問題，冷不防提出其他問題。這時，教師或因與教學(xué)內(nèi)容無關(guān)，或因相關(guān)解釋超越學(xué)生的知識水準，往往避而不答。其實，認知是多層面的，如此時趁熱打鐵，借臺唱戲，可取得意想不到的效果。

在做電解氯化銅水溶液的實驗時，學(xué)生敏銳地發(fā)現(xiàn)氯化銅溶液呈綠色，與硫酸銅溶液顏色不一樣，違背了他們認為銅鹽溶液呈藍色的常識。面對學(xué)生的質(zhì)詢，教師可隨手取少量氯化銅溶液，加水稀釋，發(fā)現(xiàn)溶液由綠變藍，并發(fā)問：能否變回綠色？讓學(xué)生課后思考并探究原因。

氯化銅溶液稀釋過程中顏色的變化很好地詮釋了化學(xué)平衡的移動。

在硫酸銅溶液中加入濃鹽酸或氯化鈉固體，可觀察到溶液顏色逐漸由藍變綠，十分悅目。

受這一問題的啟發(fā)，學(xué)生討論三氯化鐵溶液的顏色問題，有學(xué)生說因氯離子存在的緣故三價鐵離子才呈黃色，立即有學(xué)生反駁說：三氯化鐵溶液稀釋時溶液顏色只是變淺，所以三氯化鐵溶液的顏色應(yīng)是水合鐵離子的顏色。針對這種情況，我們從實驗室分別取不同鐵鹽少許，觀察樣品顏色：無水硫酸鐵為白色粉未，九水合硝酸鐵是接近無色的淺紫色晶體，六水合氯化鐵呈黃棕色。為什么同樣是結(jié)晶水合物，硝酸鐵與氯化鐵顏色相去甚遠？

實驗3 鐵（Ⅲ）離子的顏色

（1）配制0.5mol/L的硝酸鐵溶液100mL，觀察溶液的顏色（呈黃色）并備用。

（2）在三支試管中分別加入等量上述硝酸鐵溶液，在一支試管中滴加濃硝酸，在一支試管中滴加濃鹽酸（對照組試管中加水，保持體積相等），觀察溶液顏色的變化。

[實驗現(xiàn)象及解釋]

九水合硝酸鐵雖然晶體接近無色，但配制成0.5mol/L的硝酸鐵溶液呈黃色，這是因為：

鐵鹽、銅鹽的顏色問題是生活中極普通的問題，但卻蘊含著較復(fù)雜的原理。我們不能因為原理深奧就繞著問題走，使化學(xué)變成空洞無用的學(xué)問。促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的化學(xué)課堂應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)真實的化學(xué)，不拘泥于原理，用事實說話，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，以促進學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。銅鹽和鐵鹽的顏色差異，起源于真實的問題情境。此實驗探究的開展，可鼓勵學(xué)生面對“異常”現(xiàn)象敢于提出自己的見解，啟迪學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題，學(xué)會從問題和假設(shè)出發(fā)，確定探究目的，設(shè)計探究方案，在探究中學(xué)會思考。

化學(xué)實驗是化學(xué)科學(xué)賴以形成和發(fā)展的基礎(chǔ)，是檢驗化學(xué)科學(xué)真理性的標準，是化學(xué)教學(xué)中學(xué)生獲取化學(xué)經(jīng)驗知識和檢驗化學(xué)知識的重要媒介和手段，是提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的重要內(nèi)容和途徑[4]。巧妙的實驗構(gòu)思，可起到變虛為實、化難為易、答疑解惑的功能，促進學(xué)生化學(xué)知識與技能的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新意識和社會責(zé)任感的形成，從而達到提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的目標。

參考文獻：

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[4]梁慧姝，鄭長龍.化學(xué)實驗論[M].南寧：廣西教育出版社，1996：1.

[5]吳星.從三維目標走向核心素養(yǎng)[J].化學(xué)教學(xué)，2017，（1）：3～7.