基于概念图促进学生认识发展的教学实践

基金项目：本文系2022年度广东省教育研究院教育研究课题“促进学生认识发展的化学反应原理微课程群的应用与评价”（GDJY-2022-A-b04）、2023年度广东省中小学教师教育科研能力提升计划一般项目“基于发展化学核心素养的主题式教学实践研究”（2023YQJK050）、广州市教育研究院2022年度科研课题“基于真实情境的化学微专题教学研究”（2022jxp11）的阶段性研究成果。

摘" 要：

《普通高中化学课程标

准（2017年版2020年修订）》

在“化学反应原理”模块新增了反应历程、基元反应等内容。针对这些变化，本课例将选取三个真实的催化反应历程，帮助学生建立物质变化和能量变化两个认识角度，理解催化剂具有高效性和选择性的本质原因；通过小组合作，共同绘制概念图，促进知识结构化，使学生对催化剂的认识方式由定性变为定量、由宏观进入微观、由静态变为动态、由孤立变为系统，促进学生的认识发展。课后限时训练统计结果表明，本节课目标达成度良好。

关键词：概念图；认识发展；催化剂

文章编号：

1008-0546（2024）14-0057-05

中图分类号：

G632.41""" 文献标识码：

B

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》

（以下简称《高中新课标》）

在“化学反应原理”模块增加了以下内容：知道化学反应是有历程的，认识基元反应活化能对化学反应速率的影响，知道催化剂可以改变反应历程。［1］

《高中新课标》颁布以来，“催化剂”和“反应历程”成为近几年高考的热门考点。关于这部分内容的研究主要集中在高考题和高三复习课的教学上，如谢叶归［2］在剖析高考真题的基础上，提出了高考题的考点框架；金雄鹰和毛杨林［3］提出催化剂知识整合式教学；

江合佩等［4］提出“情境解构，模型建构”的教学。对于《高中新课标》、新教材背景下高二新授课的文献研究很少，较为典型的是唐隆健［5］对高中化学增加“反应历程”内容提出“因材施教，使教学价值再升级”的建议，但文献对于这部分知识在高二新授课教学中的实践研究极少。

通过课前调查发现，学生对催化剂的认识主要存在以下三个方面的问题：①学生对一些知识存在误解和争议。例如，学生知道催化剂改变反应历程这个结论，却对催化剂是否参与了反应存在争议。学生对催化剂的选择性非常陌生，在判断催化剂的选择性时，认为更容易生成稳定性更强的物质。

②学生不会看反应的能量变化图，不懂如何从中获取信息，对催化剂改变反应历程的认识是抽象的而非具体的。

③学生对催化剂的相关认识是结论性的而非生成性的，是罗列的而非关联的。

二、教学目标

基于前面的调查，笔者决定在进行人教版

高中

化学选择性必修1

第二章第一节“化学反应速率”教学时，开设“神奇的催化剂”的微专题教学，并设定了如下的教学目标。

（1）知道从物质变化和能量变化两个角度分析反应的能量变化图。

（2）会判断催化剂和中间产物，会判断决速步骤。

（3）了解异相催化的常见步骤，知道催化剂对气体的吸附是化学吸附。

（4）能根据反应的能量变化图判断催化剂对哪种产物选择性更强。

（5）能建构关于催化剂的知识网络。

三、教学流程

为了纠正学生原有的错误观念，笔者精心选取了三个真实的催化反应历程，旨在帮助学生从物质变化和能量变化两个维度建立认识角度，并学会全面有序地看懂反应的能量变化图。通过以微观动态的方式展现催化剂的高效性和选择性，引导学生从本质上理解与催化剂紧密相关的概念，并促使这些概念之间建立起关联。随后，组织学生进行小组合作，共同绘制概念图，这一过程不仅促进了知识的结构化，还使得学生对催化剂的认识方式实现了转变：由定性转变为定量，由宏观视角转向微观，由静态分析转变为动态理解，以及由孤立发展为系统。这一系列教学活动有效地促进了学生的认识发展。具体教学流程如图1所示。

四、教学实录

1. 环节一" 形成研究化学反应的动力学和热力学认识视角

［教师］某位同学提出这样一个问题：氮气和氢气反应生成氨气，该反应在常温下的平衡常数K＝5×108，说明该反应正向基本进行完全，但是为什么不在常温下合成氨？

［教师活动］播放视频：2021年10月2日《透视新科技》栏目

以“奇妙

的催化”

为主题，

参访包信和院士

与何鸣元院士

节选。

［教师］观看视频后，你能否解释刚才提出的问题？

［学生］K值大，只代表反应正向进行的程度大，不代表反应速率快。一个反应要用于生产，必须有足够快的速率。

［教师］反应正向进行的程度属于热力学的研究范畴，而反应速率是动力学的研究范畴。

2. 环节二" 对催化剂高效性的认识方式由定性转为定量

［教师］如何改变反应条件来加快合成氨反应的速率？你最推崇哪种做法？原因是什么？

［学生］可以升高温度、增大反应物浓度、增大压强或使用催化剂等。最推崇使用催化剂，因为催化剂可以降低成本、在较低温度下反应、可以重复使用、对设备要求低。

［教师活动］展示700K时使用铁催化剂和不使用催化剂时合成氨反应的速率之比［v（催）/v（无）］及活化能数据，指出使用催化剂是因为其具有高效性，可以将反应速率提高上百万倍。

［教师］那么催化剂为何能这么大程度地加快化学反应速率？

［学生］因为催化剂能降低活化能。

［教师］请画出不使用催化剂（用实线表示）和使用铁催化剂（用虚线表示）的能量图。

［学生活动］绘制能量图。

［教师活动］展示学生所画的两个比较有代表性的能量图（见图2），引导学生对左右两幅图进行对比并从作图的规范性和准确性两个角度进行评价。

两个能量图

［学生］

图2（b）中横坐标应标注为“反应过程”，有具体活化能数据的应表示出活化能数据，标注具体反应热数据时应同时标注反应物和生成物的物质的量和状态。合成氨的反应是放热反应，生成物的能量比反应物的能量低，而图2（b）表示的是吸热反应的能量变化。

［教师］通过以上讨论，我们达成了两个共识：①催化剂不改变反应热的大小；②催化剂降低了反应的活化能。但也能看出，两位同学所画的使用铁催化剂的能量图有一个明显不同：一位同学画了一个峰，另一位同学画了两个峰。那么，使用铁催化剂时到底应该画几个峰？峰的个数与什么有关？

［学生］峰的个数与催化反应历程有关。

［教师］铁催化合成氨的反应历程是怎样的？

［学生活动］思考并交流。

3. 环节三" 形成分析反应历程的物质变化和能量变化

认识

视角，对催化剂的认识由宏观进入微观，由静态转为动态

［教师活动］展示臭氧分解反应以及氯自由基催化臭氧分解反应过程中的能量变化示意图（见图3），列出总反应和催化反应的方程式。

［教师］首先请大家关注反应过程中的物质变化，在催化反应中，出现了两个总反应式中没有的物质，哪个是催化剂？哪个是中间产物？依据是什么？

［学生］Cl·先参与反应随后又生成，反应前后其质量和化学性质不发生改变，是催化剂。ClO·先在反应过程中生成后又被反应掉，是中间产物。

［教师］催化剂是否参与了反应？

［学生］催化剂参与了反应，改变了反应历程。

［教师］请大家再关注能量的变化，可以看到催化剂确实降低了反应的活化能。但两步反应的活化能是不同的。该反应的决速步骤是哪一步？判断依据是什么？（提示：反应历程中速率最慢的一步决定了总反应的反应速率，称为决速步骤）

［学生］第①步活化能比第②步高，反应速率更慢，是总反应的决速步骤。

［教师活动］提问铁催化合成氨的反应历程又是怎样的，并展示合成氨的催化反应历程

示意图

（见图4）。

［教师］合成氨的催化历程一般要经历反应物扩散至催化剂表面、吸附在催化剂表面、发生表面反应、产物从催化剂表面脱附、产物扩散离开反应区等五个步骤。从图4中还可以看出，催化剂对气体的吸附导致了物质化学键的断裂，所以这个过程不是物理过程，而是化学吸附。另外，从图中可以看出，表面反应也不是一步完成的。那么，这些步骤中的能量变化是怎样的？请根据合成氨各步反应的能量变化图（见图5），补充各步反应历程，并指出决速步骤。

［学生活动］书写表面反应的反应历程，指出决速步骤。

4. 环节四" 对催化剂选择性的认识由定性转为定量

［教师］催化剂的特性除了高效性还具有选择性，催化剂为什么具有选择性？催化剂的选择性与什么有关？请根据酸性条件下人工光合固碳装置中反应物在二维锑片表面催化生成甲酸、一氧化碳等的能量变化图（见图6），分析二维锑片对哪种产物的选择性更好？并讲出你的理由。

［学生活动］小组讨论，交流观点。观点一：活化能低的反应速率快，相同时间内得到的产物量更多。所以该催化剂对HCOOH的选择性更好。观点二：CO＋H2O的能量更低，能量低的物质更稳定。所以该催化剂对CO的选择性更好。

［教师］催化剂的选择性指在能发生多种反应的反应系统中，同一催化剂促进不同反应的程度的比较。实质上是反应系统中目标反应与副反应间反应速率竞争的表现。因此，催化剂对活化能低的反应产物HCOOH的选择性更好。

5. 环节五" 对催化剂的认识由孤立变为系统

［教师］在刚才的学习中，我们提到了与催化剂相关的一些概念，明确了催化剂反应前后质量和化学性质不变，讨论了催化剂具有高效性和选择性的原因。大家能否用知识网络图整理出这些概念、性质之间的联系？

［学生活动］小组合作，制作知识网络图。

［教师活动］拍照并展示部分小组的成果，再次强调催化剂参与反应，改变了反应历程，而看反应历程图应先关注物质变化，再关注能量变化。在评价、讨论的基础上，引导学生进一步完善知识网络图，

最终形成的知识

网络图如图7所示。

五、教学效果与反思

1. 教学效果

本节课在广州市某中学进行异地授课，并于一周后开展了限时训练，以检测学生对相关知识的掌握程度。

限时训练共两大题，六个小题，涵盖了五个考点，总分为9分，限时7分钟完成。

例题1" 我国科学家以MoS2为催化剂，在不同电解质溶液中实现常温电催化合成氨，其反应历程与相对能量计算结果如图8所示。

常温电催化合成氨

反应能量变化图

（1）（4分）请用方程式表示该反应的历程（提示：共八步，编号①～⑧）。

（2）（1分）判断：哪一步是决速步骤？""" （填编号）。

（3）（1分）你会选择哪种电解质溶液？" 。

（4）（1分）你认为两种电解质环境下N2→NH3的焓变是否相同？" 。

例题2" 甲醇可以部分氧化生成甲醛（HCHO），同时也可以完全氧化生成CO2。有催化剂和无催化剂时甲醇分别氧化生成HCHO和CO2的能量变化

图如图9所示。

请思考并回答下列问题。

（1）（1分）无催化剂时，反应的主产物是""""" 。

（2）（1分）有催化剂时，反应的主产物是""""" 。

甲醇氧化能量变化图

由限时训练

题目的考

点覆盖情

况和学生

答题情况

的统计表

（见表1）

可知，经过本节课的学习，学生可以很好地根据反应的能量变化图，判断出决速步骤、选择合适的反应条件。考点4对应的

“例题1" （4）”因为最终产物分别为气态NH3和吸附态NH3*，

虽然

干扰性强，有一定难度，但学生的得分率为73%。考点5对应的

例题2，题目情境陌生、图像复杂，在有限的时间内学生仍能取得74%的得分率。考点1学生的得分率只有60%，比较异常，经过反思发现，该反应的能量变化图每步只给出了主要反应物和产物，其它反应物和产物需要学生经过分析自己补足，而不少学生只写了图中给出的物质，从而导致失分。

通过以上分析可以看出，本节课在几个既定目标上都取得了良好的效果。

2. 反思

在内容选取上，本节课选用了真实的数据和图片资料，相比于单纯的讲解概念，显得更加鲜活、生动，让学生印象深刻。

在教学方式上，以学情为本，以问题为导向，采用对话式教学，学生思维参与度高，通过不同方式的评价放大共同认知，突出不同观点，及时纠正错误观念，相比于引导式教学更能暴露学生问题、思维误区，解决问题更具针对性。

在促进学生认识发展上，本节课引导学生利用概念图及时整理相关概念，突出核心概念和概念之间的关联，并不断完善概念图，促进知识结构化；通过这节课的学习，使学生对催化剂的认识方式由定性变为定量、由宏观进入微观、由静态变为动态、由孤立变为系统，很好地促进了学生的认识发展。［6］

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］谢叶归.剖析高考真题" 突破反应历程［J］.教学考试，2021（5）：29-32.

［3］金雄鹰，毛杨林.催化剂知识整合式教学的实践与思考［J］.中学化学教学参考，2020（19）：57-60.

［4］江合佩，刘炯明，郑玉海.“情境解构，模型建构”促进催化剂反应历程有效复习——以“合成氨的反应历程分析”为例［J］.化学教学，2020（11）：57-64.

［5］唐隆健.对高中化学增加“反应历程”内容特殊意义的思考［J］.化学教学，2021（10）：87-91.

［6］王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究［M］.北京：北京师范大学出版社，2018.