SOLO分类理论指导下的概念进阶教学设计——以“反应热”教学为例.pdf

年 月云南化工 第 卷第 期 ，：分类理论指导下的概念进阶教学设计 以“反应热”教学为例王诗凝，徐姝颖（渤海大学化学与材料工程学院，辽宁锦州 ）摘要：化学概念的教学要遵循学生概念学习的进阶性。分类理论能够评估学生的认知层次水平，可用于指导和评价化学概念的进阶式教学。以新人教版选择性必修 教材“反应热”的教学为例，结合新课标（年版 年修订）的内容要求，利用 分类理论确定该内容概念教学的层级。并以概念层级确定教学目标、设计教学过程，帮助学生形成“反应热”的认识模型，促进学生化学学科核心素养的发展。关键词：分类理论；反应热；概念进阶；教学设计中图分类号：文献标识码：文章编号：（）“”，（，）：“”，（），“”：；概念是反映事物特有属性的思维形态 。化学核心概念是化学学科知识体系的主体，它在学科学习中的呈现是不断发展的。因而，对于化学核心概念的教学要逐步深入、逐层递进。分类理论将认知水平分为五个层次：前结构水平、单点结构水平、多点结构水平、关联结构水平和抽象扩展水平 。学生对化学核心概念的学习是一个由简单到复杂的过程，而不同的 分类层次能够对应不同程度的概念发展水平 。因此，分类理论能用来指导化学核心概念的进阶教学。“反应热”是高中化学中重要的核心概念之一，通过反应热学生能够更加深入学习和了解化学反应 。从反应热到焓变，再到盖斯定律的学习，帮助学生建立“反应热”的认识模型，提高学生对能量的认识。本文以“反应热”教学为例，基于 分类理论对其进行进阶设计，促进学生的认知水平发展。“反应热”进阶教学设计思路依据 普通高中化学课程标准（年版 年修订）分析新人教版选择性必修中与“反应热”有关的内容，梳理课程标准中的学习要求，然后利用 分类理论进行“反应热”核心概念进阶设计，并通过学情分析确定学生在学习反应热之前所处的概念进阶水平。根据学习内容和学情分析确定教学目标和评价目标，设置适当的教学任务，组织师生活动，发展学生的化学学科核心素养并促进学生概念学习水平的提高。教学分析 基于课标的“反应热”内容分析高中化学课程标准指出，化学核心概念是学生发展化学知识体系的重要基石，体系是化学热力学研究化学反应和解决化学问题的出发点 。新版高中化学教材的编排注重进阶，在必修阶段对于“反应热”相关的内容要求学生认识到化学反应伴随能量的变化；选择性必修阶段则要求学生能够计算反应焓变，建立反应热、内能与焓变三者之间的认识模型，从多角度认识反应热，计算陌生化学反应的反应热。高中化学课程标准中有关“反应热”的内容（表 ）。年 月云南化工 第 卷第 期 ，表 普通高中化学课程标准关于“反应热”教学的要求 课程主题内容要求学业要求必修课程主题 ：化学反应与能量转化认识吸热反应与放热反应，了解化学反应体系能量改变与化学键的断裂和形成有关，知道化学反应可以实现化学能与其他能量形式的转化。能基于化学键解释某些化学反应的热效应。选择性必修课程主题 ：化学反应与能量认识化学能与热能的相互转化，恒温恒压条件下化学反应的反应热可以用焓变表示，了解盖斯定律及其简单应用。能进行反应焓变的简单计算，能用热化学方程式表示反应中的能量变化，能运用反应焓变合理选择和利用化学反应。综上所述，高中选择性必修较必修对于有关“反应热”的内容对学生的思维能力水平和科学素养的要求有明显提升。基于 分类理论的“反应热”学习进阶分析通过上述对高中化学中所蕴含的“反应热”内容的分析，利用 分类理论将“反应热”的内容进阶划分为五个层级（表 ）。学情分析在必修阶段，学生已经学习了化学键与反应中能量变化的关系，知道化学反应包括吸热反应和放热反应，对能量有一定的了解，但较为单一，未建立反应热的认识模型，对反应热、焓变和内能的本质认识不足，不能够利用该认识模型解决陌生情境下的问题，此时学生对于反应热的认识水平处于前结构水平。表 基于 层次的“反应热”概念学习进阶进阶水平 层级概念进阶水平“反应热”概念进阶水平 前结构水平对观念的认识停留在表面。只知道化学反应伴随能量的变化。水平 单点结构水平仅知道观念的某一方面的属性。知道反应热的概念，但未学习反应热的计算方法。水平 多点结构水平知道观念多方面的属性，但不能建立它们之间的联系。知道反应热的计算方法和热化学方程式，但不能够根据已知热化学方程式计算陌生化学反应的反应热。水平 关联结构水平能在观念多方面属性之间建立联系，形成思维模型。能理解反应热、内能与焓变本质和区别，建立三者之间的认识模型。水平 抽象扩展水平能利用模型解决陌生情境下的问题。能利用认识模型解决陌生情境下的反应热问题。教学与评价目标 教学目标）能知道反应热和焓变的含义。（单点结构）通过中和反应从宏观和微观两个角度解释反应热产生的原因。（多点结构）通过对反应热、焓变和内能三者关系的认识，建立有关“反应热”的认识模型。（关联结构）通过运用盖斯定律解决陌生情境下的问题，提高学生的逻辑推理能力。（抽象扩展结构）评价目标）通过对反应热和焓变含义的思考与分析，诊断并发展学生对化学概念的认识水平。）通过对反应热产生原因的交流与讨论，诊断并发展学生宏观与微观相结合的学习能力水平。）通过对反应热、焓变和内能三者关系的分析与总结，诊断并发展学生构建反应热与焓变定量模型的能力水平。）通过对盖斯定律的分析与应用，诊断并发展学生的推理能力和解决问题能力。基于 分类理论的“反应热”进阶活动设计与评价为了实现设计的教学与评价目标，根据对“反应热”学习内容的进阶分析设计了以下的“反应热”教学进阶活动（表 ）。表 基于 分类理论的“反应热”进阶活动设计与评价进阶活动设计意图评价标准素养发展活动一：演示氢氧化钠溶液与盐酸溶液反应实验激发学生的学习兴趣和思考，说明吸热反应和放热反应的判断方法，引出反应热的定义，促使学生的观念水平由水平 到水平。能否准确判断吸热反应和放热反应，理解反应热的含义。宏观辨识与微观探析活动二：书写热化学方程式引导学生进一步认识反应热，学会用热化学方程式来表示化学反应的反应热，促使学生的观念水平由水平 发展到水平 。是否能正确书写热化学方程式和进行反应热的计算。宏观辨识与微观探析 年 月云南化工 第 卷第 期 ，续表 进阶活动设计意图评价标准素养发展活动三：不同条件下，反应热与内能、焓变的关系帮助学生构建反应热、内能和焓变的认识模型。使学生的观念水平由水平 发展到水平 。能否建立反应热与内能、焓变的联系，并解释缘由。证据推理与模型认知活动四：运用盖斯定律计算陌生反应的反应热提升学生分析和解决问题的能力，帮助学生的观念水平由水平 发展到水平 。能否运用盖斯定律计算陌生反应的反应热。证据推理与模型认知 教学过程 认识反应热的含义【演示实验】氢氧化钠溶液与盐酸溶液反应，实验现象是发现该反应放热。【提出问题】为什么发生化学反应的同时能量也会发生变化呢？【总结原因】因为参与化学反应的物质中有化学键的断裂和形成。【提出问题】如何判断一个反应是吸热反应还是放热反应？【分组讨论】通过比较化学反应中反应物总能量和生成物总能量的高低。如果反应物总能量高于生成物总能量，则反应放热；反之，如果反应物总能量低于生成物总能量，则反应吸热。【说明】反应热的定义：在等温条件下，化学反应体系向环境释放或从环境中吸收的热量，称为化学反应的热效应，简称反应热。【提出问题】在反应热的定义中，为什么要说明在等温条件下呢？在氢氧化钠溶液与盐酸溶液的反应中反应前后温度发生了变化，那么计算的热量还能称为“反应热”吗？设计意图：利用学生熟悉的中和反应创设情境，让学生体会化学反应中能量的变化，从不同的角度认识反应热，重点理解反应热概念。通过提出问题让学生深入思考，明确计算反应热要学会选择正确的反应体系，认清体系与环境之间的区别和联系。热化学方程式的书写【提出问题】时，碳与 氧气完全反应生成二氧化碳时放出 的热量，这个反应中所发生的物质和能量变化要怎样表示呢？能否用化学用语进行表示？【讲解】热化学方程式的定义。【提出问题】书写热化学方程式要标明化学反应中的物质状态，反应温度和压强以及能量等，为什么？【讲解】说明热化学方程式的书写规则和注意事项。【练习】请依据书上给出的数据写出盐酸溶液与氢氧化钠溶液反应的热化学方程式。设计意图：热化学方程式是化学特有的符号语言，它能够帮助学生学会正确使用化学用语，认识到化学用语对化学学习的重要性。同时也为学习内能做铺垫。建立反应热、内能与焓变之间的认识模型【提出问题】在标准状况下，氢气与氧气反应生成气态水和液态水时所放出热量是不同的，这是因为什么？【分组讨论】与物质的状态有关。【总结】说明只从化学键的断裂与形成解释化学反应伴随能量变化的原因不够全面。内能是体系内所有能量的总和。因为发生化学反应前后体系的内能发生了变化，所以产生了反应热。【提出问题】从微观的角度出发，内能包括哪些能量？影响内能的因素有哪些？【分组讨论】内能包括物体内部所有微观粒子的动能、势能、化学能、电离能等，内能受温度、压强和聚集状态的影响。【解释说明】大多数时候，我们都是在敞口的容器中进行实验，说明化学反应是在恒压的条件下进行的，为了描述等压下的反应热，科学上引入了一个与内能有关的物理量 焓。在等压条件下进行的化学反应，其反应热等于反应的焓变。用 表示，常用单位为 。【总结】化学反应引起体系内能改变，但不做功的情况下，反应热等于内能变化；在恒压且只作体积功的情况下，反应热等于焓变；热化学方程式能表示化学反应中的物质变化和能量变化。设计意图：问题能够让学生从化学学科特有的微观角度出发理解内能的概念。从宏观和微观相结合的角度说明产生反应热的原因，说明不同条件下，反应热、内能和焓变之间的联系，建立反应热的认识模型，促进学生概念水平的发展与提升。盖斯定律的应用【讲述】盖斯定律是俄国化学家盖斯基于大量实验数据归纳总结出的规律，它的内容是不管化学反应分一步完成或几步完成，在条件不变的情况下，其反应热相同。化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，而与反应途径无关。就像是一个人想要从 年 月云南化工 第 卷第 期 ，山脚到山顶，不管他是选择徒步而上、还是坐缆车到达山顶，山的高度或者是他的位移都与他所选择的登山方式无关 。【提出问题】我们如何利用已知的热化学方程式来计算未知化学反应的焓变呢？【例题】已知在 、时，（）（）（）（），；（）（）（），；（）（），。请你设计合理的“路径”，计算甲烷与氧气反应生成二氧化碳和气态水的反应热并写出该反应的热化学方程式。【讲述】在化学中并不是所有的反应都能够直接测定反应热，原因是有些化学反应进行的很缓慢，有些反应生成的产物不纯净等。因此，通过盖斯定律就能够很好地解决了这一难题，所以盖斯定律在化学热力学中具有重要地位。【提出问题】能不能根据学到的有关反应热的知识绘制“反应热”概念图？【总结】师生共同绘制反应热概念图（图 ）。图 “反应热”概念图设计意图：引导学生继续深入理解“焓”是一种状态函数。只要物质的状态确定，那么 也就确定，而 只与化学反应的始末状态有关，与反应的途径无关。学生运用所学的模型和定律来解决陌生情境下的问题，提升学生分析问题和解决问题的能力，并说明盖斯定律的科学价值。最后，运用概念图帮助学生构建化学热力学知识体系。讨论 分类理论将学生的学习成果划分为不同的复杂程度，学习进阶使学生对所学知识的理解运用能力逐渐加强，思维逐渐得到发展。“反应热”内容在高中必修教材和选择性必修教材中均有涉及，编写具有阶段性和层次性，并且在具体的内容上还有交叉和重叠，知识的难度逐渐提升，使得学生核心概念的形成和发展呈现出螺旋式上升的趋势。由于知识的进阶是循序渐进的，因此，教师在教学过程中对于学习内容进阶的深度和广度把控常常遇到困难，分类理论可以为教师选择教学内容和进阶的程度提供依据。分类理论还能够指导教师对学生的学习情况进行诊断与评价，并及时反馈给学生，让学生了解自己的长处和不足之处，促进“教、学、评”一体化。学生在必修阶段学习了热量和能量，到选择性必修阶段学习反应热时，容易出现迷思概念。通过 分类理论设计核心概念进阶，能够帮助学生理清反应热、热量以及能量三者之间的关系，使学生更加清晰地认识化学热效应，为后续热化学知识的学习打下坚实的基础。同时将 分类理论与学习进阶相结合，有助于学生由浅入深的理解化学核心概念，也能使课堂教学更加高效，有效提高教师和学生之间的互动性，促进学生化学学科核心素养的发展。参考文献：陈浩，严文法 分类理论指导下的概念进阶教学设计 以新人教版选择性必修 教材“原电池原理”教学为例 化学教学，（）：彼格斯，科利斯 学习质量评价 分类理论可观察的学习成果结构 北京：人民教育出版社，鲁静，李慧敏，周璇娜，等 基于 分类理论的单元教、学、评一体化学习进阶设计 以“金属及其化合物”为例 化学教育（中英文），（）：傅献彩，沈文霞，姚天扬，等 物理化学（第五版）北京：高等教育出版社，：庄严，郑长龙，赵红杰，等 基于化学学科理解的“化学平衡常数”教学设计与实施研究 化学教育（中英文），（）：中华人民共和国教育部 普通高中化学课程标准（年版 年修订）北京：人民教育出版社，王文震“化学反应热的计算”教学设计 化学教育，（）：收稿日期：作者简介：王诗凝（），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，主要从事学科教学（化学）研究。通讯作者：徐姝颖（），女，博士，副教授，研究生导师。