基于“模型认知”的“化学反应速率的影响因素”教学探究

摘 要：“证据推理与模型认知”是化学学科的五大核心素养之一.“模型认知”可分为两大方面，一是利用模型认识事物及其变化.二是过建构认知模型建立解决问题的思考框架.前者指科学模型，后者指科学认知模型.《化学反应速率》的教学实践中，学生对浓度、温度、压强、催化剂等外界条件的改变如何影响化学反应的速率有一定的困难，因此我进行了基于“模型认知”的“化学反应速率的影响因素”的教学探究.

关键词：模型认知;化学反应速率;影响因素;高中化学

中图分类号：G632      文献标识码：A      文章编号：1008-0333（2021）24-0107-02

收稿日期：2021-05-25

作者简介：吴春霞（1976.3-），女，福建省永安人，本科，中学一级教师，从事高中化学教学研究.

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出的化学学科核心素养包括“证据推理与模型认知”，因此“模型”“模型认知”引起了很多化学教学研究者的关注，不同研究者提出的关于“模型”“模型认知”不同观点.

例如：陆军提出模型包括实物模型和形式模型两类，形式模型包括数学模型、图像模型和语义模型等，化学学科核心素养中的“模型认知”是“基于模型的认知”.杨玉琴认为“模型认知”能力是指能够运用模型描述化学研究对象、解释化学现象和规律、预测可能的结果，并建构模型展示自己对化学事实的理解和解释能力.冯品钰、何彩霞提意把“模型认知”分为两大方面，一是利用模型认识事物及其变化.二是过建构认知模型建立解决问题的思考框架.前者指科学模型，后者指科学认知模型.罗炳杰认为“模型”是研究对象的替代物，是按比例或特征制成的与实物相似的物体或图形，数轴模型、坐标模型、思维模型等是中学化学教学中常见的模型.吴克勇、蔡子华则把化学学科中的模型可分为物质模型（包括天然物质模型、人工物质模型）和思想模型（包括想象模型、符号模型和数学模型），“模型认知”是指人们利用模型认识事物或通过建模解决问题.

上述研究者的观点为一线教师的教学实践指出了一个方向，也为教学评价提供了一种思路，还为多视角理解“模型认知”打开了通道.

在鲁科版高二化学反应原理第二章第三节“化学反应速率”的教学实践中，学生对浓度、温度、压强、催化剂等外界条件的改变如何影响化学反应的速率有一定的困难，因此笔者进行了基于“模型认知”的“化学反应速率的影响因素”的教学探究.

一、“打篮球”模型

用“打篮球模型”帮助学生理解有效碰撞理论.NBA的明星们很容易把篮球投入篮筐中，因为他们有力量（相当于活化分子）又有合适的角度（相当于发生有效碰撞）.而小朋友则因为力量小（不是活化分子）再怎么努力，方向正确也很难投入篮筐中（碰撞是无效的）.

如果温度升高，某些普通的分子获得能量转化为活化分子，反应速率加快.相当于让小朋友们好好吃饭获得能量，长大了也可以轻松打球.

而使用催化剂降低活化能（使本来变通的分子有一部分变成了活化分子）.相当于给小朋友们一个迷你的篮筐，筐的高度下降，让他们不用长大（获得能量）也可以轻松灌篮（如图1所示）.图1

反应物浓度增大化学反应速率加快，相当去投篮的人数增加了，当然也能提高进球的次数.

二、“分数”模型

如果把一个反应的活化能看成是某次考试的及格线，全班人数看成是参加反应的分子，那么如果及格线高（即活化能高），则及格率低（活化分子百分数低）.

使用催化剂相当于是把及格线降低（活化能变低），则及格率高（活化分子百分数高）.

温度升高可以看成是老师另外给加分了（一部分反应物能量升高），但是及格线不变（活化能不变），这样的及格率也提高了（活化分子百分数提高）.

反应物浓度增大化学反应速率加快，其中活化分子百分數没有变，但活化分子总数增加，反应速率加快.这相当于参加考试的人数（分子总数）增加了，但是及格率（活化分子百分数）没有变，及格人数（活化分子数）多了.

三、“爬山”模型

催化剂参与反应改变反应历程，因此可以较大幅度地降低反应的活化能，活化分子数和有效碰撞增多，从而能提高化学反应速率.

从反应物到生成物，看成是从山的一边到另一边，如果只有一条路（有效碰撞）能从山顶（活化能）翻过去，现在有一队人开始爬山，只有找对路而且有体力到山顶的人可以过去（活化分子发生了有效碰撞）.

使用催化剂可以加快化学反应速率，相当于在半山上挖了一条隧道，这样可以到半山和穿过隧道的人就变多了（活化分子百分数和有效碰撞变多）.

升高温度可以加快化学反应速率，可以看成是其中有一部分体力不足的人坐了缆车到山顶而且也找到了路（活化分子百分数和有效碰撞变多）.

增大浓度可以加快化学反应速率，可以看成是比原先更多的人来爬山，但翻过去的人数比例不变（活化分子百分数不变），总人数增多了（活化分子数增多）.

四、“骰子”游戏模型

“骰子”游戏模型的前提假设：某一个反应中活化分子的百分比受压力、温度、催化剂等因素影响，而不受浓度影响.

作为一个假想的反应，在不加热和加入催化剂的情况下，活化分子仅占所有分子的1/3左右（所以假定骰子点数大于等于5时为活化分子）.当加热和加入催化剂后，这个比例就会发生改变.反应的发生不仅是能量因素（分子是否达到活化能），还有空间分子的运动因素（即分子间碰撞是否有效），并非活化分子间的每一次碰撞都是有效碰撞.

游戏的说明：

活化裁决：每人投掷一枚骰子，若点数大于等于5则活化.

有效碰撞裁决：活化成功的人再投掷一次骰子，若点数大于等于4则发生有效碰撞，发生有效碰撞后视作转化为生成物，不再投掷.

请成功变为“生成物”的学生站起来进行人数统计.

（1）浓度对化学反应速率的影响（见表1）

（2）温度对化学反应速率的影响（见表2）

（3）催化剂对化学反应速率的影响（见表3）

因第二轮游戏代表使用催化剂，将活化裁决改变为：每人投掷一枚骰子，若点数大于等于3则活化.

有效碰撞裁决改变为：活化成功的人再投掷一次骰子，若点数大于等于2则发生有效碰撞，发生有效碰撞后视作转化为生成物，不再投掷.

【数据分析：以上表格中的数据为笔者在一个46人的班级上课时的游戏记录.】学生在课堂上游戏并记录的数据可以比较直观的知道：增加浓度，升高温度，使用催化剂均可以提高活化分子的数目和有效碰撞概率.当然，如果能多做几组游戏，数据应该可以更科学合理.

在高中化学这门课程中，它的核心素养包含着“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”以及“证据推理与模型认知”等，虽然每一个核心素养的侧重点都有所不同，但它们可以相互作用，促使学生们得到更为全面的发展和教育，促进学生们拥有未来发展中对能力以及品质方面的需求.

通过本节课“化学反应速率影响因素”的教学探究，进一步让笔者深刻的体会到模型认知的重要性，在一些抽象问题的学习上，合适的模型可以让学生更容易理解和体悟学习的内容，可以让学生学会分辨化学现象与模型之间的关系，并能够使用种类多样的模型来形容以及解释化学现象，进而在自己的思维中建立起解决重难点化学问题的框架.

参考文献：

[1]卓高峰，魏樟庆.基于“模型认知”的元素化合物教学认知[J].化学教学，2018（381）：34-37.

[2]杨玉琴.化学核心素养之“模型认知”能力的测评研究[J].化学教学，2017（7）：9-14.

[3]冯品钰，何彩霞.发展学生模型认知的化学教学实践—以“离子晶体”为例[J].教育与装备研究，2018（4）：29-33.

[责任编辑：季春阳]