谈基于学生认知能力的“化学能与热能”教与学

杨圣群

（湖南省泸溪县第一中学湖南泸溪416100）

谈基于学生认知能力的“化学能与热能”教与学

杨圣群

（湖南省泸溪县第一中学湖南泸溪416100）

根据学生的认知规律，通过对教材的比较分析和挖掘，从微观化学键角度和宏观能量角度分析化学反应中的能量变化，理清它们的相互关系，构建知识体系，加深学生对知识的理解和掌握，培养学生的思维能力，提高教学效率和学习效果，实现有效教学目的。

认知能力；能量；化学键；有效教学

在高一人教版《化学》(必修2)“化学能与热能”的教学过程中,由于概念多,又抽象,相互关系复杂,学生整体把握不好,尤其是“化学键与化学反应中的能量变化”。因为从微观角度(化学键)进行分析,它包含了断裂化学键吸收能量和形成键放出能量,当化学反应最终是吸收能量还是放出能量,又和这两者的相对大小有关,使学生晕头转向,无所适从。从宏观角度(能量)分析,学生又分不清能量是“体系”的能量还是“环境”的能量,只能机械的记住结论,运用时常常搞错。如果把微观分析和宏观分析相结合,学生难以将它们联系起来,经常得出自相矛盾的结论。另外,物质本身具有的能量和化学键的键能及物质的稳定性之间的关系,化学反应能量变化与反应条件之间的关系,也是学生难以区别和理解。在教学中只有明晰概念,理清关系,才能解决教学中的难点,使学生很好地掌握本节课知识,提高教学效率,实现有效教学,笔者就这些疑难问题进行深入探究。

一、通过教材分析，明确教学目标

能源与人类的生存和发展息息相关,化学反应在人类利用能源的历史过程中充当了关键角色,化学能在人类的生命活动、日常生活、生产和科研等领域都有重要应用。新课程标准关于化学反应和能量的内容在初中化学、高中必修模块和选修模块中均有安排,下面就相关内容在三种教材中的呈现方式进行比较。

表1 相关知识在不同教材的比较

一尧焓变反应热：提主要内容一尧化石燃料：介绍了煤尧石油和天然气的形成尧成分及用途二尧化学反应中的能量变化：介绍了放热和吸热现象，了解化学反应产生的能量的应用。一尧化学键与化学反应中能量变化的关系：从化学键知识入手，定性地分析化学键与能量之间的密切联系，揭示了化学反应中能量变化的主要原因。从宏观角度用示意图的形式表示化学反应的能量变化。二尧化学能与热能的相互转化：让学生在实验探究中认识和感受化学能与热能之间相互转化及其研究过程，引出吸热反应和放热反应的术语（涵义）。出了焓变（△H）和反应热，从微观角度（化学键）定量地分析化学反应过程中的能量变化。从宏观角度用图示的方法表示化学反应过程中的能量变化。二尧热化学方程式：通过热化学方程式来定量描述和计算反应热。实践活动：中和反应反，应热的测定。

从表中分析发现,初中化学从燃料的角度初步学习了“化学与能源”的一些知识,见识放热反应和吸热反应现象。必修模块侧重定性分析和描述,引出吸热反应和放热反应的术语(涵义)。在选修模块则从科学概念的层面和定量的角度深入地学习,得出吸热反应和放热反应的概念。这样的编排在具体内容上前后还有交叉和重叠,既体现了学习的阶段性,又体现了知识层次性,使学生概念的形成和发展呈现一种螺旋式上升的形态,符合辩证法的认识规律,通过认识教材编排意图,把握教学目标。

二、从微观角度分析，掌握能量变化的实质

我们知道物质中的原子之间是通过化学键结合而形成的,物质在发生化学反应时,不但有新物质的生成,同时有化学键的断裂和形成。断裂反应物的化学键要吸收能量〔称作Ε(反应物键能)〕,形成生成物的化学键要放出能量〔称作Ε(生成物键能)〕,化学键的断裂和形成是物质在化学反应中能量变化的主要原因。在反应中,既有反应物中化学键的断裂,又有生成物中化学键的形成,那么,化学反应究竟是吸收能量还是放出能量则由断键吸收能量和成键放出能量两者的相对大小决定。由于这样的分析比较抽象,学生难以理解和掌握,在教学中我们可以将“两者的相对大小”转化为数学语言“两者差”,借助焓变(△H)来学习,可以将上述分析表示成为一个公式：△H=Ε(反应物键能)-Ε(生成物键能)。

当△H为“-”或△H＜0时〔即Ε(反应物键能)＜Ε(生成物键能)〕,为放出能量(放热反应);

当△H为“+”或△H＞0时〔即Ε(反应物键能)＞Ε(生成物键能)〕,为吸收能量(吸热反应)。

虽然这种定量分析的方法要在高二选修模块学习,但是,通过必修教材对化学键的分析,提前引入该方法已是水到渠成的事。实践证明,这种借助于数学逻辑思维的方法,既能进行定性分析,又能进行定量计算,学生能够很好的掌握。

三、从宏观角度分析，把握能量守恒定律

任何一个化学反应,反应物所具有的总能量(或总化学能)与生成物所具有的总能量(或总化学能)均不相等,因此,在化学反应中总是伴随着能量变化。一个确定的化学反应结果是吸收热量还是放出热量,取决于反应物的总能量与生成物的总能量相对大小。

由于教材编排是在分析微观化学键后突然得出这样一个宏观的结论,对学生而言是难以理解的,虽然用水能、化学能变化对比示意图形象地进行表示,学生也只是知其然,不知其所以然,只是机械的记住结论,在应用时经常出错。究其原因,首先,要弄清“体系”和“环境”的关系,我们把“被研究的物质系统称为体系,体系以外的其他部分称为环境。”其次,这里的“反应物的总能量”和“生成物的总能量”是指“体系”即物质的总能量;“放出能量”和“吸收能量”是指“环境”接受的能量和提供的能量;就整个过程而言,能量是守恒的。在这些知识的铺垫之下,我们可以换用一种数学方程的形式表示,学生就一目了然,加深对结论的理解和掌握：

当放出能量时,反应物的总能量=生成物的总能量+放出能量,有Ε(反应物总能量)＞Ε(生成物总能量),即反应物所储存的能量一部分转移到生成物中,另一部分释放到环境中。

当吸收能量时,反应物的总能量+吸收能量=生成物的总能量,有Ε(反应物总能量)＜Ε(生成物总能量),即反应过程中需要从环境吸收能量,这部分能量和反应物的能量都储存在生成物中。

四、进行综合分析，理清相互关系

首先要理清物质本身的能量与化学键能量及热稳定性的辩证关系。这只是同一事物的不同方面,物质本身具有的能量越低时,化学键的键能越大,说明其结构越稳定,热稳定性就越强,断裂其化学键所吸收的能量就越高,而形成该化学键所释放的能量就越多。

其次要理清化学反应能量变化和反应条件的关系。化学反应的能量变化取决于吸收能量和放出能量的相对大小,与发生反应的条件没有必然的联系。有些放热反应需要先加热再反应放热,例如煤炭的燃烧;有些吸热反应在常温下就发生,例如氢氧化钡晶体和氯化铵晶体反应。

最后还要理清能量变化和物质变化的关系。化学变化一定伴有能量变化,但是伴有能量变化的物质变化不一定都是化学变化,也可能是物理变化,如冰、水、水蒸气的转化就有能量变化。

五、进行归纳总结，构建知识体系

将知识总结归纳,按知识的内在联系进行系统的整理,运用对比的方法可以使学生全面了解各种事物之间的区别和联系,形成准确的概念,有利于储存更多的信息。建构主义认为,学生主动参与知识的建构过程中,可以大大提高学生的认知结构的可利用性,顺利的升华为能力。

表2 化学反应与能量变化相互关系

六、精选习题，反馈教学效果

精选习题不但有训练、巩固、复习的功能,而且能发挥激励、反馈、和调控作用,还是对课堂教学的延伸和拓展,同时也是沟通知识与创新的桥梁。下面通过两道习题来检测学生对知识的掌握情况。

练习1.已知反应X+Y=M+n为吸热反应,对这个反应的下列说法中正确的是()

A.X的能量一定低于M的能量,Y的能量一定低于n的能量

B.X和Y的总能量一定低于M和n的总能量

C.破坏反应物中的化学键所吸收的能量小于形成生成物中化学键所放出的能量

D.因为该反应为吸热反应,故反应一定要加热才能进行

该题主要检测了学生对吸热反应和放热反应概念的掌握,同时从宏观物质能量角度和微观化学键角度考查了对化学反应与能量变化的判断方法,让学生进一步明确化学反应的能量变化与反应条件无必然联系。

练习2.下列表中的数据是破坏1mol物质中的化学键所消耗的能量(kJ)。

物质Cl2Br2I2HCl HBr HI H2能量（kJ) 243 193 151 432 366 298 436

根据上述数据回答下列问题：

(1)下列物质本身具有的能量最低的是()

A.H2B.Cl2C.Br2D.I2

(2)下列氢化物中最稳定的是()

A.HCl B.HBr C.HI

(3)X2+H2=2HX(X代表Cl、Br、I)的反应是吸热反应还是放热反应？----。

(4)相同条件下,等物质的量的氢气和X2(X代表Cl、Br、I)反应时,放出或吸收的热量最多的是-----。

(5)若无表中的数据,你能正确回答出问题(4)吗？-----,你的根据是----。

该题主要通过微观角度考查了化学键与物质的能量及性质之间的关系,通过定量计算得出化学反应能量变化的定性结论,同时和以前学过元素化合物性质及元素周期律知识结合在一起,使学生知道不但可以由实验方法得出结论,而且还可以由物理数据计算出结果,体现了理论对实践的指导作用和实践对理论的检验,给学生指出思考和解决问题的不同方法。

七、进行教学反思，提高对新课程的认识

新课程提出了有效教学,简单的说就是有效果、有效率、有效益的教学,在有限的课堂教学时间内,实现新课程教学目标。在本节课的教学中,通过对教学内容的合理处理,教学方法的改进,对教学中存在的疑难问题抽丝剥茧、层层深入,突破了本节知识的难点,其他知识就能迎刃而解,由练习反馈和课后调查了解得知,学生都掌握得很好,能很好的实现教学目标。

新课程改革,新教材的改变很大,与旧教材相比最大的区别就是不再讲究知识的系统性和逻辑性,有的相关知识多次出现,逐渐加深,体现和遵循学生的心理特征和认知规律。由于学科知识有其自身规律和系统性,这种知识阶段性学习的要求往往会使学生一知半解,在理解和掌握上产生一定的困难,这也是处在新课程改革最前沿的师生常常困惑的地方。当然,有压力才有动力,有挑战才有机遇,教师只有转变新课程理念,深入研究教材和学生,把握不同阶段的教学目标,想方设法提高教学效率和学习效果,才能实现有效教学。

［1]王必翔主编.高中新课标同步攻略.化学2：必修［M].北京：首都师范大学出版社，2009：27-31

［2]邝贤毅.提高化学习题教学效果的实施策略［J].化学教育，2008，（3）：30-32

［3]刘永红.新课程下化学习题教学的思考与尝试［J].中学化学教学参考，2008，（4）：10-11

［4]肖成全等编著.有效教学［M].大连：辽宁师范大学出版社，2006：15-17

1008-0546（2011）03-0020-03

G633.8

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10.3969/j.issn.1008-0546.2011.03.010