谈基于学生认知能力的“化学能与热能”教与学

论文核心提示:

  摘要:根据学生的认知规律,通过对教材的比较分析和挖掘,从微观化学键角度和宏观能量角度分析化学反应中的能量变化,理清它们的相互关系,构建知识体系,加深学生对知识的理解和掌握,培养学生的思维能力,提高教学效率和学习效果,实现有效教学目的。   关键词:认知能力;能量;化学键;有效教学   文章编号:1008-0546(2011)03-0020-03中图分类号:G633.8文献标识码:B   doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2011.03.010

  
  在高一人教版《化学》(必修2)“化学能与热能”的教学过程中,由于概念多,又抽象,相互关系复杂,学生整体把握不好,尤其是“化学键与化学反应中的能量变化”。因为从微观角度(化学键)进行分析,它包含了断裂化学键吸收能量和形成键放出能量,当化学反应最终是吸收能量还是放出能量,又和这两者的相对大小有关,使学生晕头转向,无所适从。从宏观角度(能量)分析,学生又分不清能量是“体系”的能量还是“环境”的能量,只能机械的记住结论,运用时常常搞错。如果把微观分析和宏观分析相结合,学生难以将它们联系起来,经常得出自相矛盾的结论。另外,物质本身具有的能量和化学键的键能及物质的稳定性之间的关系,化学反应能量变化与反应条件之间的关系,也是学生难以区别和理解。在教学中只有明晰概念,理清关系,才能解决教学中的难点,使学生很好地掌握本节课知识,提高教学效率,实现有效教学,笔者就这些疑难问题进行深入探究。
  一、通过教材分析,明确教学目标
  能源与人类的生存和发展息息相关,化学反应在人类利用能源的历史过程中充当了关键角色,化学能在人类的生命活动、日常生活、生产和科研等领域都有重要应用。新课程标准关于化学反应和能量的内容在初中化学、高中必修模块和选修模块中均有安排,下面就相关内容在三种教材中的呈现方式进行比较。
  表1相关知识在不同教材的比较
  
  从表中分析发现,初中化学从燃料的角度初步学习了“化学与能源”的一些知识,见识放热反应和吸热反应现象。必修模块侧重定性分析和描述,引出吸热反应和放热反应的术语(涵义)。在选修模块则从科学概念的层面和定量的角度深入地学习,得出吸热反应和放热反应的概念。这样的编排在具体内容上前后还有交叉和重叠,既体现了学习的阶段性,又体现了知识层次性,使学生概念的形成和发展呈现一种螺旋式上升的形态,符合辩证法的认识规律,通过认识教材编排意图,把握教学目标。
  二、从微观角度分析,掌握能量变化的实质
  我们知道物质中的原子之间是通过化学键结合而形成的,物质在发生化学反应时,不但有新物质的生成,同时有化学键的断裂和形成。断裂反应物的化学键要吸收能量〔称作E(反应物键能)〕,形成生成物的化学键要放出能量〔称作E(生成物键能)〕,化学键的断裂和形成是物质在化学反应中能量变化的主要原因。在反应中,既有反应物中化学键的断裂,又有生成物中化学键的形成,那么,化学反应究竟是吸收能量还是放出能量则由断键吸收能量和成键放出能量两者的相对大小决定。由于这样的分析比较抽象,学生难以理解和掌握,在教学中我们可以将“两者的相对大小”转化为数学语言“两者差”,借助焓变(ΔH)来学习,可以将上述分析表示成为一个公式:ΔH=E(反应物键能)-E(生成物键能)。
  当ΔH为“-”或ΔH<0时〔即E(反应物键能)<E(生成物键能)〕,为放出能量(放热反应);
  当ΔH为“+”或ΔH>0时〔即E(反应物键能)>E(生成物键能www.21cnlunwen.com)〕,为吸收能量(吸热反应)。
  虽然这种定量分析的方法要在高二选修模块学习,但是,通过必修教材对化学键的分析,提前引入该方法已是水到渠成的事。实践证明,这种借助于数学逻辑思维的方法,既能进行定性分析,又能进行定量计算,学生能够很好的掌握。
  三、从宏观角度分析,把握能量守恒定律
  任何一个化学反应,反应物所具有的总能量(或总化学能)与生成物所具有的总能量(或总化学能)均不相等,因此,在化学反应中总是伴随着能量变化。一个确定的化学反应结果是吸收热量还是放出热量,取决于反应物的总能量与生成物的总能量相对大小。
  由于教材编排是在分析微观化学键后突然得出这样一个宏观的结论,对学生而言是难以理解的,虽然用水能、化学能变化对比示意图形象地进行表示,学生也只是知其然,不知其所以然,只是机械的记住结论,在应用时经常出错。究其原因,首先,要弄清“体系”和“环境”的关系,我们把“被研究的物质系统称为体系,体系以外的其他部分称为环境。”其次,这里的“反应物的总能量”和“生成物的总能量”是指“体系”即物质的总能量;“放出能量”和“吸收能量”是指“环境”接受的能量和提供的能量;就整个过程而言,能量是守恒的。在这些知识的铺垫之下,我们可以换用一种数学方程的形式表示,学生就一目了然,加深对结论的理解和掌握:
  当放出能量时,反应物的总能量=生成物的总能量+放出能量,有E(反应物总能量)>E(生成物总能量),即反应物所储存的能量一部分转移到生成物中,另一部分释放到环境中。
  当吸收能量时,反应物的总能量+吸收能量=生成物的总能量,有E(反应物总能量)<E(生成物总能量),即反应过程中需要从环境吸收能量,这部分能量和反应物的能量都储存在生成物中。
  四、进行综合分析,理清相互关系
  首先要理清物质本身的能量与化学键能量及热稳定性的辩证关系。这只是同一事物的不同方面,物质本身具有的能量越低时,化学键的键能越大,说明其结构越稳定,热稳定性就越强,断裂其化学键所吸收的能量就越高,而形成该化学键所释放的能量就越多。
  其次要理清化学反应能量变化和反应条件的关系。化学反应的能量变化取决于吸收能量和放出能量的相对大小,与发生反应的条件没有必然的联系。有些放热反应需要先加热再反应放热,例如煤炭的燃烧;有些吸热反应在常温下就发生,例如氢氧化钡晶体和氯化铵晶体反应。
  最后还要理清能量变化和物质变化的关系。化学变化一定伴有能量变化,但是伴有能量变化的物质变化不一定都是化学变化,也可能是物理变化,如冰、水、水蒸气的转化就有能量变化。  

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