基于学科核心素养的高中化学教学设计——以“影响化学反应速率的因素”教学为例

四川 张东贵 陈淑伟

(作者单位：四川省泸州市泸州老窖天府中学)

一、理论基础

《教育部关于全面深化课程改革 落实立德树人根本任务的意见》中强调要以学生发展核心素养体系为主体，从不同维度发展学生核心素养，进一步明确各学段、各学科具体的教书育人目标和任务，强化各学段课程教学标准。

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》中凝练了化学学科素养，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”五个方面。在化学课堂教学活动中开展“素养为本”的教学改革，是深化课程改革，落实立德树人根本任务的重要方法。

本节内容从教材编排的知识体系来看，既是必修2第二章第三节“化学反应速率和限度”的内容延伸与深化，又为后续学习化学平衡奠定基础，同时又与教材绪言中介绍的有效碰撞理论相呼应，起着承上启下的作用。本节内容的知识在生活、生产和科学研究中有着广泛的应用和价值。通过必修2的学习，学生已具备了一定的实验能力和理性思维能力，但学生的抽象思维仍不够成熟。因此本课时主要是对影响化学反应速率的外界条件(浓度、温度、催化剂)进行实验探究，引导学生构建有效碰撞理论模型，并应用有效碰撞理论模型进行微观解释，从而实现由感性认识到理性认识的升华，有助于学生从本质上理解新知识，进一步完善学生的认知结构，培养发展学生的化学学科核心素养。

二、教学设计

(一)教学与评价目标

1.教学目标

(1)通过探究实验，研究浓度、温度和催化剂等外在因素对化学反应速率的影响，通过独立设计实验来培养学生科学探究与创新能力，形成并发展“对照实验”“控制变量”和“定量分析”的实验思想，发展学生演绎推理、系统思维(或假设思维)能力。

(2)通过组织学生讨论宏观条件对化学反应速率的影响原因，引导学生体会微观(碰撞)理论模型的建构过程。理解学科素养中的宏观辨识与微观探析。

(3)通过外界因素对反应速率的影响的理解，转化为在生产、生活中的运用，来培养学生利用科技手段改善人们的生活条件，增强学生的社会责任感，以及对学习的成就感。

2.评价目标

(1)通过对浓度、温度、催化剂等外界因素对化学反应速率影响的探究，提高学生们对抽象的定性、定量概念的理解。

(2)通过运用微观碰撞理论来解释宏观条件对化学反应速率影响原因，提高学生从宏观角度与微观角度对化学反应本质的认识进阶，以及视角层面及内涵层面的深入。

(3)通过工业制硫酸的条件控制的讨论，发展学生孤立水平及系统水平的解决生活中实际问题的能力和学科价值及社会价值的认识水平。

(二)教学与评价思路

图1

(三)教学流程图

图2

(四)主要教学活动设计

1.课前预习

[问题]回忆并查阅《必修2》中关于化学反应速率的相关内容，回答以下两个问题：

(1)影响化学反应速率的因素有哪些？列举控制化学反应速率在生活中的运用实例，并思考改变的是影响化学反应速率的何种因素？

(2)再利用互联网或其他途径查找在化学动力学角度影响化学反应速率的领域获得诺贝尔化学奖的情况，感悟研究化学动力学的价值。

2.课中探究

(1)情景引入

[师]播放视频——在研究化学动力学角度影响化学反应速率的领域获得诺贝尔化学奖的部分科学家。

[生]感受研究影响化学反应速率的因素的巨大价值。

设计意图：创设真实情境，激发学生的学习兴趣和对探索新知识的渴望与追求。

(2)合作探究

①活动元一：探索发现——外界条件影响化学反应速率的宏观辨识

[师]影响化学反应速率的因素有哪些？

[生]结合课前学习情况进行归纳总结。

[师]物质自身的性质没法改变，能改变的是外界条件，外界条件是如何影响化学反应速率的？研究其变化又可以选择哪些方法？

[生]实验探究……

[师]今天我们就走“实验之道”，求“速率之理”，以草酸、高锰酸钾和硫酸的反应为例来探究同一个反应在改变不同的外界条件下对化学反应速率的影响。

[师]如何增大该反应的速率？如何定量测定该反应的速率？

[生]交流、讨论得出一致意见：增大浓度、升高温度、使用MnSO4作催化剂可增大反应速率。应选择测定溶液褪色的时间来定量测定该反应的速率。

[任务1]设计实验方案

[投影]实验目的：探究浓度、温度、催化剂等外界因素对化学反应速率的影响

实验用品：KMnO4溶液(0.01 mol·L-1、0.05 mol·L-1)、H2C2O4溶液(0.1 mol·L-1、0.2 mol·L-1)、H2SO4溶液(4.6 mol·L-1)、MnSO4固体、热水、试管、烧杯、秒表

[师]在研究某一因素对反应速率的影响时，要学会控制变量。

[投影]对照实验

表1

[师]请同学们根据实验目的、实验原理、实验用品和对照实验，在小组内合作设计实验方案。

[生]小组内合作完成实验方案的设计。

[生]各小组依次派代表汇报实验方案，学生互相对实验方案进行评价，体会“对照实验”“控制变量”和“定量分析”思想在实验设计中的运用，最终形成具体的实验方案。

[投影]具体的实验方案

表2

设计意图：学生经过思考、讨论、小组合作设计实验方案，并运用同一个化学反应完成三个影响因素的探究，充分体现了学生学习的自主性和创新性。由小组代表汇报实验方案，并进行相互评价，进一步培养了学生的综合素养，深刻感受“对照实验”“控制变量”和“定量分析”三大实验思想在实验方案设计中的运用。

[任务2]动手实验

[师]强调实验安全和实验操作规范，并明确要求应认真观察现象、记录数据、分析数据、得出结论并对结论进行理论分析，做好展示准备。

[生]小组合作，完成实验。

设计意图：学生分工合作，发展学生的合作探究意识和动手能力。

[任务3]数据处理

[生]各小组逐一汇报实验数据。

[师]在黑板上如实记录各组汇报的实验数据。

[生]分析实验数据，找到变化规律，得出实验结论。

设计意图：培养学生分析、解决问题的能力，体验科学探究的乐趣，收获成功的喜悦。

②活动元二：追根溯源——外界条件影响化学反应速率的微观探析

[任务1]构建有效碰撞理论基本模型

[师]浓度、温度、催化剂在微观上是如何影响化学反应速率的？能否从微观的角度去解释这些宏观现象呢？接下来老师带领同学们进入微观世界，一探究竟。

[师]化学反应的本质是旧键的断裂和新键的形成，旧键的断裂和新键的形成必须经过分子的有效碰撞来实现。是不是每一次碰撞都能发生反应呢？

[资料卡片]在一密闭的容器中，在500℃和101 kPa时，0.001 mol·L-1的HI气体，每升气体，分子碰撞每秒达3.5×1028次之多，若每次碰撞都能发生反应，反应速率将达到5.8×104mol·L-1·s-1，但实际速率仅为1.2×10-8mol·L-1·s-1。

[生]不是每次碰撞都能发生化学反应。

[师]那怎样的碰撞才能发生化学反应呢？

[师]播放HI分解视频。

[生]结合动画，提炼有效碰撞理论的核心概念：有效碰撞，活化分子，活化能。

[师]普通分子能否转化为活化分子？

[生]升高温度，可使普通分子吸收能量变为活化分子；使用催化剂，降低反应活化能，可使普通分子变为活化分子。

【构建模型】构建有效碰撞理论的基本模型：

图3

设计意图：通过具体数据与视频播放相结合的形式引导学生建立有效碰撞基本模型，并运用模型解释实验结论，培养学生的证据推理意识，发展学生对化学反应本质的认识进阶和认识思路的结构化水平。

[任务2]运用有效碰撞理论基本模型，解释实验结论

[师]请同学们结合有效碰撞理论模型解释：为什么升高温度，化学反应速率加快?为什么使用催化剂，化学反应速率加快?为什么增大浓度，化学反应速率加快?

[生]运用有效碰撞理论模型解释实验结论。

设计意图：学生通过模型解释结论，培养学生利用宏微结合解决实际问题的能力。

③活动元三：学以致用——感受调控外界条件对化学反应速率的影响价值

图4

[生]产生更大更好的经济效益。

[师]本节课你学到了什么？

[生]总结本节课的内容。

设计意图：在实验探究时要研究某一因素的影响时要控制单一变量，而在实际的生产中是多变量，产生认知冲突的同时培养学生用辩证的观点看待问题和运用所学知识解决实际问题的能力，提升学生的社会责任感和总结、归纳、表达能力。

三、教学反思

课堂教学内容是指课堂上要教的东西，不只是学科基本知识、基本技能，还包括学生应知道的教学设计思路、情境素材、评价方式以及师生交互过程中生成的学科思想、认知模型、情感态度与价值观等成分。教学就是“教”与“学”的双边活动，最好的课堂就是让学生做思维体操。本节课以三个活动元贯穿始终，不断制造认知冲突，层层递进，层层深入，在解决问题的过程中培养方法和能力，实现“教—学—评”一体化。