化学实验“探究浓度对化学反应速率的影响”的教学改进＊

文 孙黎颖 张国华

一、案例背景

“探究浓度对化学反应速率的影响”是中英两国高中化学的常规定性实验。学生实验均为硫代硫酸钠溶液和酸反应，得出实验结论“反应物的浓度越大，化学反应速率越快”。中英的实验教学却各有侧重（见表1）。

表1 实验的各种对比

我国教材中的实验案例主要目的是通过实验学习化学原理，将抽象的知识形象化和感官化，缺少定量分析，难以提高学生的实验能力。英国教材中的实验操作方法与沪科版类似，不仅记录数据，还根据数据绘制图形，教学更注重过程和理性的数据分析。英国的常规实验采用了锥形瓶和量筒，污染较大。英国的微型实验主要仪器是井穴板和胶头滴管。井穴板微型实验试剂用量少，污染小，5 组现象一同呈现。但1个井穴要加入50 滴溶液，操作烦琐，误差较大。

根据上述几个实验版本，笔者以英国微型实验方案为蓝本，将胶头滴管改为微型注射器，这样精确度更高。实验操作步骤如下（实验装置如图1 所示）：

图1 井穴板和画X 的白纸

(1)画X。用HB 或2H 铅笔在白纸上轻轻地画一排X，共5 个。

(2)配制不同浓度的硫代硫酸钠溶液。一个井穴的体积约为0.8 mL。用1 mL 微型注射器在1 至5 号井穴中分别注入0.10，0.20，0.30，0.40 和0.50 mL 的0.2 mol/L 硫代硫酸钠溶液，再向1 至5 号井穴中分别注入0.40，0.30，0.20，0.10 和0.00 mL 的蒸馏水。

(3)计时。向1 号井穴中注入0.2 mL 的2 mol/L 盐酸，并立即用秒表计时。俯视X，X 一消失就停止计时。

(4)记录数据。

(5)重复（2）至(4)步操作，完成2 至5 号井穴的实验。

主要反应物微粒经历了离子、胶体、悬浊物和沉淀的变化过程，所以比较容易观察到可辨认点X 消失。二氧化硫的气泡不明显，不作为反应标志。化学反应速率是单位时间内反应物或生成物浓度的变化 r=△c/△t。X 消失代表硫的浑浊程度相同，即生成物和反应物的浓度变化相同。X 消失时间的倒数1/△t 可以表示化学反应速率。

二、教学设计思路

这节实验课既吸收了英国实验教学注重数据处理的特色，又体现了我国理科教学严谨的优点。教学时间为60 分钟。

1.以碘时钟经典演示实验引入课题

三个高型烧杯盛有相同浓度、相同体积的A 溶液，教师向烧杯中同时倒入体积相同、浓度不同的双氧水。无色的A 溶液分别突然变为黑棕色，有快有慢。神奇的现象激发学生的探究热情。

配制溶液A 的方法：取0.2 g可溶性淀粉加入100 mL沸水中，搅拌后再稀释到800 mL。取30 mL 醋酸，4.1 g醋酸钠，40 g碘化钾，15 g五水合硫代硫酸钠，加入溶液中，再加水到1 L。

三个高型烧杯分别倒入200 mL 溶液A。双氧水的体积均为200 mL，浓度分别为15%，7.5%和3.8%。主要离子反应方程式为：

醋酸和醋酸钠发挥了缓冲溶液的作用。

2.指导学生选取合适的自变量和因变量

选择合适的变量是定量探究的基础。教师用通俗浅显的例子介绍变量知识：孙老师饭量越来越大，体重越来越重，身高却不变。身高是常量，饭量是自变量，体重是因变量。这样学生很容易明白这些概念。盐酸和硫代硫酸钠都可以是常量，但这次探究指定盐酸为常量，硫代硫酸钠是自变量，X 消失的时间是因变量。理论指导实践，学生设计实验的困难就迎刃而解。学生设计5组实验。盐酸是常量，体积固定为0.2 mL。为了确保盐酸的浓度不变，硫代硫酸钠溶液体积固定为0.5 mL，每组的浓度不同。交代清楚变量的类型，有利于学生设计探究。

3.选取适合的图形，延伸基础化学知识

这个实验的数据处理方法多样，可以用平均偏差法，可以绘制浓度和时间的关系图，还可以绘制浓度和时间倒数的关系图。之所以选择最后一种方法，是因为教学中想引入反应级数的概念。化学反应速率和反应物浓度的n 次方成正比。根据n 的数值，反应可以分为0 级反应、1 级反应、2 级反应等。n=0，n=1，n=2 时，浓度和化学反应速率即时间的倒数的关系如图2 所示［5］。采用这种方法绘图，不仅能清晰地分辨反应级数，而且巧妙地结合了大学的化学知识。这个反应中，硫代硫酸钠属于1级反应。如果用浓度和时间的关系绘图，n=1 和n=2 时，图形均为曲线，学生不具备分析这种图形的能力。

图2 反应速率和反应物级数的关系

4.重视后实验过程

实验教学不仅仅是体验，还要从体验中分析事物的本质，掌握认识科学世界的方法。实验操作后，整理记录现象，处理数据，绘制图形，分析结论等环节，可以概括为后实验过程。后实验过程是实验操作过程的延伸。后实验过程用文字、计算、绘图等方法总结实践，把实践上升为理论。

英国的实验教学充分体现后实验过程，侧重分析数据，定性实验定量分析。这个实验用计算、绘图等手段翻译(interpret)实验数据，根据图形直接理性地分析实验结论。英国的后实验过程方法多样，很值得我们学习。

在这个案例中体现在三个方面：

(1)计算消除实验误差。这个实验画了5 个X，每个X 的颜色深浅可能略有不同，通过数据处理可以消除颜色差异造成的误差(见表2)［6］。所以，实验时并不需要绘制颜色深浅一模一样的X。

表2 两个颜色略有差异的X 做第一组实验的数据

(2)细化绘图要求。参考《英国剑桥国际考试中心A-level 化学考试大纲》［7］要求，学生绘图要标明x 轴、y 轴的方向、单位和名称，取合适的坐标单位，描出的点的面积占坐标纸面积的一半。描点成线，如果是直线，点要均匀地分布在直线的两侧。如果是曲线，曲线必须圆滑，没有明显的节和拐点。只有实验操作精确，才能绘出正确的图形，分辨图形是直线还是曲线。学生需要长期训练，才能达到要求。

(3)选取合适的坐标原点消除误差。左边的原点是（0.04，0）。0.04 是硫代硫酸钠溶液的最小浓度。实验数据是经验值，而不是标准值。0.04 为X 轴的坐标原点，可以减少实验误差。某组学生的实验数据见表3，绘图如图3 所示。如果将y 轴坐标向左平移0.04 个单位，以(0，0)为原点描线，点距离直线较远，说明这样作图误差较大。

表3 某组学生的实验数据

图3 浓度和化学反应速率的关系

三、课堂实录

1.碘时钟经典演示实验引入化学反应速率

教师：同学们，大家喜欢做化学实验吗？

学生：喜欢。

教师：现在，我给大家露一手。讲台上三个高型烧杯中有A 溶液，体积相同，浓度相同。现在，向高型烧杯中倒入体积相同但浓度不同的双氧水。请观察并描述主要现象。

学生：烧杯中的溶液突然变为黑棕色，有快有慢。

教师：物理中用什么量定义“有快有慢”？

学生：物理中用“速度”表示快慢，速度是单位时间内物体移动的距离。

教师：那把这个概念迁移到化学中，就是速率。什么是化学反应速率？

学生：单位时间内反应物或生成物的物质的量的变化。

（教师板书R=△n/△t)

教师：相同溶液，物质的量相同，但溶液的体积有大有小，对反应速率有影响。

（教师在板书中增加△v，变为R=△n/△v △t)

教师：△n/△v 是我们学过的什么概念？

学生：物质的量浓度c。

教师：化学反应速率的定义就是“单位时间内反应物或生成物浓度的变化”，即r=△c/△t。

教师：请假设浓度和化学反应速率的关系。

学生：反应物的浓度越大，化学反应速率越快。

教师：有不同观点的同学请举手。今天我们就定量探究反应物浓度和化学反应速率的关系。

2.实验设计

(1)引入

教师：现在，我们以这个反应为例进行探究。我把两种无色溶液硫代硫酸钠和盐酸倒入锥形瓶中混合。锥形瓶的后侧衬一张画X 的白纸。大家现在可以看见八叉吗？

学生：可以。

教师(片刻后)：现在观察到什么现象？

学生：X 消失，锥形瓶中有淡黄色的悬浊物。

教师：请大家扇闻瓶口的气体。

学生：有刺激性气味。

（教师写出化学反应方程式：Na2S2O3+2HCl →S ↓+SO2↑+2NaCl+H2O)

教师：用什么现象作为判断化学反应速率的标志？

学生：X 消失的时间。

教师：为什么不用二氧化硫气体作为标志？

学生：没有观察到明显的气泡。

教师：X 消失说明硫的浑浊程度△c 相同，也就是反应物或生成物的浓度变化相同。X 消失时间的倒数1/△t 表示化学反应速率。

(2)变量知识介绍

教师：现在我介绍一些设计实验的知识。孙老师饭量越来越大，体重越来越重，身高却不变。这三个量中，哪个是常量？哪个是变量？常量就是不发生变化的量。变量就是发生变化的量。

学生：身高是常量，饭量和体重是变量。

教师：变量包括自变量和因变量。自变量就是先发生变化的量，因变量就是因为其他量变化而发生变化的量。哪个是自变量？哪个是因变量？

学生：饭量是自变量，体重是因变量。

教师：这个反应，盐酸和硫代硫酸钠都可以是常量，但这次探究我们以盐酸为常量。那自变量和因变量分别是哪个？

学生：硫代硫酸钠是自变量，X 消失的时间是因变量。

3.实验操作

(1)实验操作过程介绍

学生阅读英文的实验操作过程，小组讨论，并翻译。

教师及时纠正学生理解不当之处，提示实验的技巧。

(2)动手实验

学生动手操作实验。时间约20 分钟。教师巡视，指导帮助学生实验。

4.实验数据处理

(1)数据计算

教师：请计算稀释后硫代硫酸钠溶液的浓度。这个实验忽略了溶液混合时的体积变化。

学生计算稀释后硫代硫酸钠的浓度。教师对个别学生进行辅导。

教师：请同学们计算时间的倒数，精确到小数点后三位。时间的倒数代表了什么？

学生：化学反应速率。

(2)画图并分析结论

教师讲述绘图要求。

学生根据教师的要求绘图。

教师展示学生的绘图，表扬取得进步的学生。

教师：为什么没有以(0，0)为原点绘图？可将y轴坐标向左平移0.04 个单位，尝试以(0，0)为原点描线。

学生：以(0，0)为原点描线，点距离直线较远，说明这样作图误差较大。

教师：实验数据是经验值，而不是标准值。所以选择第一组浓度0.04 为X 轴的坐标原点，可以减少实验误差。

教师：请从图形分析实验结论。

学生：反应物的浓度越大，化学反应速率越快。

教师：那与你实验前的假设一致吗？

学生：一致。

教师：如果实验结论和假设不一致，那就要重新假设，重新设计实验。

5.实验后问题

教师：井穴板是微型实验仪器，它与传统的烧杯、锥形瓶相比有哪些优点？

学生：用井穴板实验需要的试剂量少，污染少，而且五组实验可以一起呈现。

学生：属于一级反应。

6.课堂总结

教师和学生共同总结本节实验课的结论：在一定条件下，反应物的浓度越大，化学反应速率越快。

教师总结本节实验课的科学方法(见表4)。

表4 科学方法和教学过程的关系

教师：英国化学实验考试中经常出现变量控制实验。下节课学生选择实验案例，独立实践探究浓度和化学反应速率的关系。方案一，硫代硫酸钠和盐酸的反应，盐酸为自变量。方案二，双氧水和碘化钾的碘时钟实验。

四、教学反思和启示

1.科学方法的暗线贯穿实验教学

科学方法是探究自然科学的基石。科学方法的主要步骤是观察－假设－实验－分析结论－对比结论和假设。“假设”引出学生的好奇心，“对比结论和假设”验证了假设的正确性，前后呼应。授人以鱼，不如授人以渔。学生通过具体的实验探究，掌握科学探究的规律。

2.实验设计有效消除学生的认知误区

“化学反应速率和物质的量有关”这是学生普遍存在的误区。反思时，教师认为教学中的强势辩驳有不妥之处，没有充分尊重学生的认识。下一课时的教学中，教师做了弥补，让学生以碘时钟实验为例设计方案，探究化学反应速率的定义。实验事实彻底消除了学生的误解。

这节实验课对英国实验教学进行了本土化改造。中英教学交流，带来很多启示。英国的实验设计以实验现象为基础，后实验过程充分发挥了实验教学的功能，有效提高学生的实验能力。注重实验的过程和方法，实验课堂就需要较长的时间，最好两节连上。我国化学实验教学不可能完全照搬西方的实验教学模式，但可以在教材中选取合适的点，适当采用本土化的西方优秀案例。化学考试要体现学生的实验数据处理能力。

[1]高级中学课本：化学（高中一年级）[M].上海:上海科技出版社，1996.

[2]高级中学课本：化学·练习部分（高中一年级第二学期）[M].上海:上海科技出版社，2007.

[3]Kevin Hutchings.Classic Chemistry Experiments[M].London:The Royal Society of Chemistry，2000.

[4]John Skinner.Microscale Chemistry:Experiments in Miniature[M].London:The Royal Society of Chemistry，1998.

[5]http://dwb4.unl.edu/chemistry/smallscale/SS056.html.

[6]Paul Yates.Education in Chemistry[J].2010，47(5):90-91

[7]University of Cambridge lnternational Examinations.Cambridge lnternational A &AS Level Chemistry Syllabus code 9701 For examination in June and November 2013.