基于真实情境的问题解决在教学中的实践

吴蕾 罗欣

摘要：以“化学反应与热能”为主题，具体阐述如何在真实情境中，激发学生的学习兴趣，通过图像变式分析、教师提问、学生自学提问等层层递进的问题解决活动，建构图像模型，驱动学生深度学习，发展能量观，促进学科核心素养的落实。

关键词：真实情境;问题解决;化学反应与热能;能量观

文章编号：1008-0546（2022）04-0061-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04.013

一、问题的提出

“化学反应与热能”选自人教版化学必修第六章第一节第一课。人教版必修前五章分别编写了“离子反应”“氧化还原反应”和各种元素性质的学习内容，引导学生从物质变化角度认识化学反应，树立物质变化观。第六章“化学反应与能量”转化认识视角，引领学生从能量变化角度再认识化学反应，建构物质转化中的能量观。能量视角是认识和研究化学反应的重要角度，是高中深入和全面认识化学反应的重要理论部分，也是后续学习电化学、碰撞理论、过渡态理论等知识的基础。本节教材的编写依序为：实验感受化学反应中的热量变化→认识放热、吸热反应→反应中热量变化的原因→能源的有效利用。从课堂实施上来看，按照教材流程进行教学，环节流畅清晰，学生易于接受。但是如果只是按部就班地完成教材中的内容，学生的学习只能停留于“浅层次的接受和了解”，化学学科核心素养-物质变化中的能量观的形成还欠火候，学生应用这部分知识去解决实际生产生活中问题的能力仍有不足，社会责任感还不能真正有所感悟，学生在学习中可能出现的困惑仍然没有解决：不同状态的物质参与反应，热量如何变化？为什么有些放热反应需要加热，有些不需要？如何从宏微结合的角度综合分析化学反应的能量变化？等等。

本节课的授课对象为高一学生。高一学生化学思维还略显稚嫩，化学学习兴趣还需要不断催化并细心呵护。本节课侧重化学理论知识学习，对学生的思维能力要求较高。《普通高中化学课程标准（2017年版）》中提出：“以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实。”[1]大部分主题增加了“情境素材建议”内容。教学情境的重要性毋庸置疑。如何设置有效情境，将核心素养在教学中“落地”，激发学生兴趣、主动提出问题、全员参与思考、自然生成新知，是新教材教学亟待解决的问题。

基于以上思考，笔者希望“化学反应与热能”这节课能联系生活生产，在富有生活气息的有趣的，充满化学味的深刻的学习活动中，在感性与理性不断交融的循环互动中，达成学习目标，促进化学学科核心素养的落实。因此笔者撰写如下教学案例，与各位同仁分享探讨。

二、教学设计思路

本节课的教学中，我们以生活燃料使用为学习情境，三种与燃料使用相关的图像为学习活动载体：

第一种为不同年代温州家庭燃料变迁的生活情境图。通过阅读历史中的旧照片，学生重温历史，感受化学在时代发展中的作用，弘扬化学正能量，同時关注化学变化中的能量转化。并借助实验，学生在亲自动手实验的过程中直观感受化学反应中的热量变化，发展化学分类观，认识吸热反应和放热反应。

第二种为能量-反应进程二维图。学生在探究家庭燃料变迁本质的学习活动中，通过作图、析图，将宏观物质能量、微观断键成键变化能量与热效应的关系融合在一张图像上，构建图像模型。从宏观、微观两个角度，直观、深刻地认识化学反应能量变化的原因，发展模型认知。再通过对图像的几种变式分析，以及生活燃料的选择等基于真实生活情境的问题讨论，解决学生的困惑，突破学生学习的难点，即反应条件与反应热效应的关系，促进学生的深度学习，建构能量观，解决燃料变迁的本质问题。学生用图像法解决复杂问题，提升了分析问题的能力，也为后续学习过渡态理论等提供一种学习方法指导。

第三种为能源结构图。通过阅读分析我国能源消费情况以及化工产品的应用图表，学生感受能源的利用与国民经济息息相关，认识到有效利用能源的迫切性，探讨优化燃料使用的措施，从而培养学生的社会责任、使命感和家国情怀。在实验感悟的基础上，通过三种与燃料使用相关图像的学习，既让学生回顾历史，了解社会发展，又启发学生思考，宏微结合，构建图像模型，达成由境生情，由情生问，由问生思的学习效果。

三、教学流程

教学设计流程如表1。

四、教学实践

1.回眸历史，实验感悟，发展分类观

[师]学习化学能为我们生活服务，比如对化学反应中热量变化的利用。请同学们观察温州家庭燃料使用的变迁（图1）。在上世纪60年代，烧水做饭都用蜂窝煤。到了上世纪90年代，液化石油气和管道煤气逐渐普及。到2013年，温州大部分家庭都用上了管道天然气。有放热的反应，是否也存在吸热的反应？请同学们动手实验感受一下。

[师]请同学们4人一组，用桌子上提供的药品，完成下列四个实验（图2），并将现象记录在学案上。

学生汇报实验现象。

[师]请同学们根据实验结果，尝试从热量变化的角度对化学反应进行分类。

[生1]释放热量的反应称为放热反应，吸收热量的反应称为吸热反应。

2.着眼现在，探究变迁本质，构建能量观

[师]为什么有些反应吸热，有些反应放热？请同学们在图3中，补充生成物的能量位置。如果是吸热反应，能量图又会如何？

[教师巡视，学生2上台绘制并解释原因，其他学生在学案上绘制放热反应（图4）、吸热反应图示（图5）。]

[投影]CH（4g）+2O（2g）→CO（2g）+2H2O（g）CH（4g）+2O2（g）→CO（2g）+2H2O（l）

[师]请看这两条反应，上述两个反应对应的能量图是否相同？

[生3]不同，产物状态不一样。液态水的能量要比气态水低，生成液态水放出的热量更多一点。（生3上台，把不同状态的生成物对应的能量标注在图像上。）

同理，反应物状态不同也会有差异。（图6）

[过渡]这是从宏观物质始态和终态能量的角度来认识反应放热还是吸热。我们也可以从反应过程，即微观化学键变化角度来解释。请同学们阅读书本33页第3、4两段文字，根据图7尝试回答下列问题，并将自学中产生的疑问记录在学案上。

1.断键过程需要（“吸收”“放出”）热量，成键过程需要（“吸收”“放出”）热量。

2.1molH2（g）和1molCl2（g）生成2molHCl（g）会（填“吸收”“放出”）热量kJ。

（学生自学教材，生生交流，完成填空。）

[师]我们把上述过程补充在图像上（图8）。注意，断开旧键或生成新键变化的能量一般针对气态物质而言。

[投影]请从化学键变化角度分析反应放热或吸热的原因。

[生4]如果断开旧键吸收的热量大于形成新键放出的热量，则反应吸热;如果断开旧键吸收的热量小于形成新键放出的热量，则反应放热。

[师]讲得非常好。接下来我们一起来交流解决同学们在自学过程中产生的疑问。

[生5]氢气和氯气燃烧是放热反应，放出的热量挺多的，为什么一开始需要点燃？

 [生6]（台下直接回答）因为反应物断键需要吸收热量。

[师]说得很好！

[生7]老师，既然断键要吸收热量，为什么前面4个实验不用加热就能进行？

（台下陷入沉思）

[师引导]它们断键吸收的热量来自于哪里？

[生8]我明白了！它们断键需要的热量比较小，吸收外界环境的热量就能为断键提供能量。所以反应条件与斷键需要吸收的热量大小有关，与反应吸热还是放热无关。

[师]说得非常好！（台下同学恍然大悟）

[生9]氢气和氯气反应为什么一开始要加热，后续就不用加热了？

[生10]可能是成键放出的热量为后续断键提供热量。

[生11]应该是成键放出的热量比断键吸收的热量大，才能为后续断键提供热量。

（台下同学纷纷点头表示同意）

[生12]那放热反应是不是后续都不用持续加热了？

[生13]如果反应需要持续加热，是不是一定是吸热反应？

[师]这两个问题很有深度！对于某些放热反应，断键吸收的热量比较大，而反应放出的热量不是很多，考虑到热量会逸散等因素，放出的热量不足以提供后续断键，为了维持反应进行，反应也需要持续加热。比如浓硫酸和铜的反应就是一种需要持续加热的放热反应。像氢气和氯气的燃烧这种放热反应，成键放出的热量很大，放出的热量足够提供后续断键所需要吸收的热量，所以反应不用持续加热。因此持续加热的反应也可能是放热反应。具体的原因在以后的学习中我们还会进一步学习。（考虑学生的知识基础，教师在讲解这部分知识时做简化处理）

[投影]人类使用燃料经历了多次变迁。图9的三种示意图中，较为理想的燃料在空气中发生燃烧反应的能量变化示意图是哪一个？

学生们积极发言：第三种更好，断键需要吸收的热量比较少;第三种燃料燃烧放出的热量比较多;第三种燃料燃烧以后不用持续加热......

[师]同学们讲得都非常好。请问断键需要的能量是不是越小越好，太小会怎么样？

[生14]（立即喊出来）自燃！

[师]对！所以燃料选择时，我们希望它燃烧放出的热量大一点，同时断键需要的热量小一点，但又不要太小。

3.展望未来，优化燃料使用，培育责任感

[投影]

[师]这是我国2019年的能源消费结构图（图10），可以看出，煤、石油、天然气仍然是我国的主要能源。除了做燃料外，化石能源通过石油炼制工业、煤的综合利用能得到许多化工产品，比如汽油、润滑油、沥青、焦炭等（图11、图12）。化石能源及其产品与我国的经济生活息息相关，在我们的生活中发挥了非常重要的作用。请同学们阅读学案上的资料卡，思考下列问题。

[投影]问题：为什么家庭燃料从煤炭逐渐变迁到液化石油气、煤气，到如今全部使用天然气？

学生们积极发言：煤炭中含有氮、硫元素，燃烧产物有污染;煤炭是固体，燃烧不如气体充分。

液化石油气中含有硫化物，燃烧产物有污染;液化石油气密度大于空气，泄漏后向下扩散，易引发爆炸。

煤气一旦泄漏，容易中毒，不安全;单位质量的煤气燃烧放出的热量最少。

天然气燃烧的产物是二氧化碳和水，无污染;单位质量的天然气燃烧放出的热量比煤气高;天然气是气体，燃烧更加充分;天然气密度远小于空气，泄漏后向上扩散，容易被空气带走，不易引发爆炸。

......

[师]那么更理想的燃料是什么呢？

有学生在台下喊：氢能。

[师追问]氢气做能源有哪些优缺点？为了发展氢能，科学家做了哪些研究？学生们积极发言：氢气燃烧产物无污染，可再生。单位质量的氢气燃烧放出的热量很大......氢气通过电解水制备，耗电，成本比较高;氢气分子量小，沸点很低，很难液化保存;氢气保存不当容易引发爆炸......

目前科学家已经研发了储氢合金，如Ti-Fe合金、La-Ni合金，可以安全高效地吸氢和脱氢。

[师]我们的生活离不开能源。目前广泛应用的化石燃料是不可再生能源，且煤和石油燃烧有一定的污染性。面对上述问题，我们主要从节能减排和开发新能源角度去解决。......教师播放视频，展示能源有效利用与国民经济发展的关系。

[板书设计]见图13。