基于创新实验设计促进概念认知的实践——以“化学反应的快慢”为例

◎ 朱 康 张 恒

一、问题提出

《普通高中化学课程标准（2017年版）》明确提出，化学学科核心素养是学生必备的科学素养，是学生终身学习和发展的重要基础，化学课程对于科学文化的传承和高素质人才的培养具有不可替代的作用。［1］化学概念是化学课程的重要组成部分，是学生构建高中化学知识体系的基础，是发展学生核心素养的重要途径之一。如果学习者的认知结构中没有形成清晰准确的化学概念，就不可能真正地掌握化学学科内在的联系和规律。

化学是一门以实验为基础的自然科学。化学概念大多是在实验的基础上分析、总结出来的，实验是发展学生核心素养的重要手段之一。通过对实验进行设计、观察和分析，培养学生的探究能力和思维能力，从而加深学生对概念的认识和理解。认知发展先行者皮亚杰认为，能够刺激认知发展的最有效的方法之一，是人为地制造认知失衡，即当个体的经验和期望不匹配时，不平衡的认知冲突就会出现。笔者以必修 “化学反应的快慢”为例，探索通过创新实验设计，制造认知冲突，促进学生对化学反应速率概念的认知，发展化学学科核心素养。

二、教学设计

（一）课标及学情分析

通过对比必修和选择性必修课标内容及学业要求，笔者发现两者的要求有明显的差异：必修阶段突出控制变量方法在研究化学反应中的重要作用，通过探究实验感受条件对化学反应速率的影响，逐步构建化学反应速率的概念；选择性必修则要求能够运用原理合理解释化学反应速率变化的原因，体现概念认知发展的层次性。

学生在学习本节课之前，已经初步了解化学反应有快有慢、部分条件对化学反应快慢的影响，也知道可以通过控制变量的方法设计实验，探究影响化学反应快慢的因素，但学生对化学反应快慢的理解是感性的，缺乏科学性和严谨性。对影响化学反应速率的因素的认识是浅显的、片面的。因此，要让学生在已有知识的基础上，学会定量判断化学反应的快慢，设计实验探究影响化学反应快慢的因素。

（二）设计思路

对比不同版本现行高中化学教材的栏目设置，我们发现许多共同之处，都是通过生产、生活或实验实例感受化学反应有快有慢，均突出运用控制变量实验方法的重要性，通过体验活动，感受影响化学反应速率的因素，都侧重温度、催化剂在改变化学速率方面的影响。具体内容见表1。

基于对课标、学情和教材的分析，本节课的设计遵循着由浅到深、由简单到复杂、由定性到定量的一般规律。传统的教学模式对于化学反应速率的定义往往是直接给出，缺乏过程性的学习，学生更多的是记忆而非理解，不符合学生的认知规律，也不利于发展学生的核心素养。如何在学生已有一定了解的基础上，激发学生兴趣，引导学生探究，通过创新实验设计，利用认知冲突，促进化学反应速率概念的形成，具体设计见表2。

表1 不同版本必修教材栏目对比

表2 实验设计和认知冲突关系

三、教学过程

（一）纸片燃烧，感受化学反应的快慢

通过用带火星的木条，引燃看似完全相同的普通纸片和硝化纤维，学生直观感受到燃烧现象的巨大反差，引发对燃烧反应快慢背后原因的思考，为后续设计对照实验，探索影响化学反应快慢的外因和最终揭示影响化学反应快慢的内因埋下伏笔。

【设计意图】在传统概念教学中，教师更注重知识的传授与讲解，常用的教学方法是给出定义，通过习题进行辨析与理解，学生往往处于被动学习的状态，缺乏学习兴趣，课堂参与度低，难以落实核心素养。本节课利用普通的“纸片燃烧”实验，让学生直观感受化学反应的快慢，产生认知冲突，激发学生的好奇心和求知欲。

（二）对照实验，比较化学反应的快慢

以生活中的燃烧现象及具体化学反应作为研究对象，归纳哪些实验现象可以判断化学反应的快慢。教师设计并实施“比较MnO2、CuO和Fe2O3粉末对H2O2分解的催化效果”对照实验，通过实验方案细节的推敲，不断提高细化认识程度，发展学生的认知水平，达到实验预期目标的同时，对于难以准确比较的客观事实，再次创设了深度思考的情境，符合技术发展促进人类认知能力提升的一般规律。

【设计意图】在传统教学中，由于课时、安全等诸多因素，对实验的重视程度不足，而且验证性实验居多，但实验是落实化学学科核心素养的一个重要工具，也是化学课程目标之一。本节课关注学生的已有知识，尊重学生的认知发展，充分发挥学生的主观能动性，引导学生设计实验方案“比较不同催化剂对过氧化氢分解的催化效果”，并进行实验，再通过实验结果产生认知冲突，创设真实问题情境，启发学生思考如何定量测定一个化学反应的快慢。

（三）定量实验，构建化学反应速率概念

我们通过观察，发现仅凭感官判断化学反应的快慢还不够准确，如何定量测定一个化学反应的快慢呢？学生通过讨论发现，除了可以通过对照实验比较化学反应的快慢外，还可以测定单位时间某些物理量的变化进行比较。如图1所示，使用压强传感器记录过氧化氢分解过程中试管内气体压强的变化，一段时间后，气体压强变化趋势如图2所示，思考并比较不同时间段化学反应的快慢，逐渐转变由多组实验单一变量到单个实验多个变量的定量比较，逐渐形成化学反应速率的概念。

图1 测过氧化氢分解过程中气体压强的装置

图2 实验中绘制的“过氧化氢分解过程中试管内气体压强的变化趋势”图

【设计意图】在传统教学中，教师往往是先给出化学反应速率的定义，再通过一系列的实验来探究影响化学反应速率的因素，根据产生气泡的多少等感官现象来判断化学反应的快慢，此种教学方法实验现象直观、明显，但不利于培养学生的定量观和变化观，学生对化学反应速率的理解并不深刻，如学生可以比较两个化学反应的快慢，但却无法理解随着反应的进行，同一化学反应反应速率的变化，这可以从学生对“过氧化氢分解过程中气体压强的变化趋势”的预测中反映出来。

过氧化氢分解过程中单位质量变化时所需时间的测定装置如图3所示，对应的表3数据说明不同阶段可以使用不同物理量的变化，定量比较化学反应快慢，最终形成化学反应速率的概念。通过比较不同时间段化学反应速率的大小，分析过氧化氢分解过程中化学反应速率先快后慢的原因，回顾并总结浓度、温度、催化剂等都可以影响过氧化氢的分解速率。

图3 过氧化氢分解过程中单位质量变化时所需时间的测定装置

表3 过氧化氢分解过程中质量变化0.01g所需时间

【设计意图】首先，教师引导学生思考如何定量测定一个化学反应的快慢，使他们可以很快找到反应过程中的变量，如浓度、质量、压强等。然后，教师利用实验来验证学生的分析是否正确。利用“预测—观察—解释”（ Predict—Observe—Explain，简称“POE”）教学策略，引导学生预测过氧化氢分解过程中气体压强的变化，再利用DIS实验测量过氧化氢分解过程中气体压强的变化，创设矛盾，激发学生深入分析和探究。学生通过计算数据、分析时间-压强曲线，可以发现随着反应的进行化学反应速率在降低，进一步思考可发现过氧化氢分解速率变慢的原因是反应物浓度的减少。利用电子天平和秒表测量过氧化氢分解过程中质量的变化，学生通过对数据的分析发现过氧化氢分解速率不是一直降低，而是先快后慢，与前面分析的结论有出入。通过思考，学生总结出影响化学反应快慢的另一因素是温度，同时领悟到化学反应快慢需综合考虑各方面因素的思想。通过两个创新实验，在不知不觉中建构了化学反应速率的概念，培养了学生的变化观、定量观，提高了学生的思维能力和探究能力，落实了化学学科核心素养。

（四）解密情境，发现化学反应快慢的根本原因

教师引导回顾：本节课刚开始时，可能是什么因素影响着两张相同的纸片的燃烧速率呢？从产物不同，推测可能是两张纸片的材质不同。归纳影响化学反应速率的不仅有外界条件还有反应物自身的性质。学生通过对化学反应快慢的学习，感悟科学就是整理事实的过程，以便从中得出普遍的规律或结论中所蕴含的道理。

【设计意图】影响化学反应速率的主要原因是反应物自身的性质，在课堂开始的燃烧实验中就为这一因素埋下伏笔，首尾呼应。

四、教学反思

（一）尊重学生认知发展，注重概念的生成性

本节课始终围绕着“化学反应快慢”这一核心内容，以学生为主体，教学环节的设计尊重学生认知发展。从判断纸片燃烧快慢的感性认识，到用产生气泡多少判断过氧化氢分解快慢的定性认识，再到利用单位时间下压强的变化或质量的变化，定量判断化学反应的快慢，教学环节层层递进、由浅到深，在不知不觉中建构化学反应速率的概念，加深学生对化学反应的过程性认识。

（二）利用创新实验，发展学生核心素养

为更好地发挥概念教学在落实和发展学生化学学科核心素养方面的作用，采取数字化实验和传统实验相结合，通过纸片的燃烧实验，激发学生学习兴趣，通过学生自主设计实验方案“比较MnO2、CuO和Fe2O3粉末对H2O2分解的催化效果”，培养学生的探究能力与分析能力，并创设真实问题情境，激发学生的探究欲望；运用POE教学策略，通过测定“过氧化氢分解过程中气体压强的变化和质量的变化”两个实验，培养学生的图表分析能力、思维能力以及定量观。

本节课将数字化实验和传统实验进行有机融合，让化学反应速率的概念教学在系列递进式实验中完成，学生兴趣盎然、思维活跃，化学学科核心素养得以发展和落实，对新课标下的概念教学具有良好的导向作用。