融合學科邏輯和學生認知邏輯的“熱化學”單元教學研究

武衍杰 王秀紅

摘要： 單元教學邏輯的建構既要關注學科邏輯又要兼顧學生認知邏輯。以選擇性必修“熱化學”內容為例，基于學科視角抽提了“熱化學”特征的思維方式、建構了具有實質聯系的學科內容體系；基于學生視角分析了“熱化學”學習進階路徑、提取了關注學生認知的內容組織形式。在平衡“學科”和“學生”的基礎上，設計了促進學生學科理解的選擇性必修“熱化學”單元教學邏輯和核心問題，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：?熱化學；學科邏輯；學生認知邏輯；單元教學；化學學科理解

1 研究概述

1.1 問題提出

“化學反應與能量”主題是中學化學的核心內容，涉及化學熱力學?；瘜W熱力學專門研究能量相互轉化過程中所遵循的規律，熱力學第一定律的主要內容即為能量守恒定律，將熱力學第一定律具體應用到化學反應中，用實驗或理論方法研究化學反應的熱量變化，進而解釋與預測一些化學現象的化學分支又被稱為“熱化學”。[1]以魯科版教材為例，熱化學內容主要編排于必修第二冊“化學反應與能量轉化”和選擇性必修1“化學反應的熱效應”等章節。之所以選擇這部分內容作為研究對象源于以下原因：課程設計方面，《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“高中新課標”）熱化學部分變化較大，引入了“體系、環境、內能等視角，引入上述視角的原因何在？上述概念在學科體系中的學科功能如何及其在教學中如何處理等問題亟待回答；教學實踐方面，這部分內容高考占比小，主要涉及蓋斯定律的相關計算，教學中基本是強化計算技巧，使得學生只會機械利用類似數學消元法對方程式進行加減，而不能說明加減背后的學科思想；[2]教師學科理解方面，諸如“有了內能為什么還要引入焓、化學能與內能是何關系、化學反應中的能量變化都是化學能貢獻的嗎？”等問題還困擾著不少教師。

1.2 研究路徑

為解決上述問題，一方面需從學科視角厘清熱化學相關概念的內涵及聯系，抽提熱化學蘊含的學科思維，從而幫助教師從學科視角駕馭所教內容；另一方面需研究學生的認知邏輯，把握概念在不同學段的深、廣度，明確概念與學生認識發展的關系，合理選擇教學策略進行教學。因此課堂教學的推進既要考慮教學內容的內在邏輯，又要符合學生接受知識的認知規律。學科邏輯偏重于“學什么”，學生認知邏輯偏重于“如何學”，本研究試圖將二者有機融合，建構既能外顯學科思維又能順應學生認知規律的單元教學邏輯，研究路徑如圖1。

梳理熱化學發展歷程，與之相關的史實如表1?？梢园l現，熱化學研究方法凸顯定量思維、宏微結合，解決實際問題的過程注重設計思想。具體來說，熱化學研究是基于生產需要在測定和計算化學反應熱的過程中發展起來的，通過定量計算來認識宏觀體系的能量變化規律是熱化學研究的一大特點，包括實驗精確測定反應熱、結合鍵能數據理論計算反應熱等，都體現了熱化學研究注重定量思維。在獲得大量反應熱數據的基礎上，科學家認識到體系的能量變化與反應途徑無關，只與體系在一定條件下的狀態有關，形成了“狀態函數”的概念，因此可根據研究需要任意設計不同狀態所經歷的過程，而蓋斯定律正是狀態函數性質的必然體現，這體現了熱力學研究的設計思想。隨著化學學科的發展，科學家逐步認識到化學反應的能量變化與物質結構的聯系，如用熱效應表征物質的穩定性、預測物質內部微粒間結合力的強弱，體現了“宏微結合”的學科思想；同時在化學反應層面，建立了熱化學與反應方向的聯系，利用熱效應判斷反應方向，體現了熱化學理論的解釋預測功能等。

2.2學科內容體系的建構

熱化學內容主要包括熱力學研究對象、熱力學函數與條件、反應熱測定和計算、熱化學方程式、熱效應的表現形式等。其中基于“體系”和“環境”認識研究對象，是熱力學解決問題的出發點，如高中反應熱的測定實驗只有區分了體系與環境，才能理解“為什么反應熱概念規定反應前后始終態溫度要相同，而實驗卻能基于反應前后溫度差計算反應熱？”原因就在于根據研究需要選擇了合適的體系與環境（將H+?和 OH-?及生成的 H2O為體系，將不參加反應的 Na+、Cl-?以及作為溶劑的水視為環境）。與熱化學有關的熱力學函數主要包括內能（U）和焓（H），內能是體系內部能量的總和，包括分子動能，分子間相互作用的勢能，以及分子內部各種粒子（如電子、原子核及原子核內的各種粒子等）的動能和它們相互作用的勢能等，因此體系能量變化的實質就是內能的變化。但對于化學反應體系來說，其實質是化學鍵的變化，基于鍵能變化所引起的能量變化反映了化學反應體系能量變化的特殊性，對這種特殊的能量變化形式，在化學上用化學能來表征。任何化學物質都有相對穩定的結構，幾乎都存在由于原子間相互作用而形成的化學鍵，這種原子間的勢能（鍵能）即為儲存的化學能，它只有在化學反應中才表現出來。[7-9]由于化學能不是物質的基本能量屬性，不同專家對要不要給“化學能”定義、怎么下定義，看法不盡相同，但化學能作為認識化學反應中能量變化的特質化視角，需要厘清其與內能的關系。從微觀化學鍵視角分析化學能主要是由原子間相互作用勢能的變化而表現出來的，[10]為凸顯熱化學宏微結合的思想，將化學能理解為內能中原子間相互作用的勢能，符合學生認知水平，也有助于理解內能與化學能的關系。當然化學反應的能量變化除了由化學能變化引起還可由“分子之間相互作用的勢能”變化引起，如氣態水變成液態水的相變能（汽化熱）等。

為什么有了內能還要引入焓？根據熱力學第一定律，ΔU=Q+W，當反應體系處于等容條件下不做體積功時（不考慮非體積功）Q=ΔU，等容熱效應即為內能的變化；但很多反應在敞口容器（等溫等壓）中進行，

此時體系與環境可能存在體積功的交換（W體=—PΔV），帶入熱力學第一定律可得 Q=（U2十PV2） - （U1+PV1），為方便研究，令 H=U+PV，則有Q=H2-H1=ΔH，等壓熱效應即為焓變，可見引入內能是厘清上述概念間關系的前提?；谠O計思想，“燃燒熱、中和熱”既是焓變的具體形式，又能結合蓋斯定律設計反應過程計算未知反應的焓變。結合熱化學蘊含的學科思維及學科概念間的聯系建構如圖2的學科內容體系，實現學科概念的結構化理解。

3熱化學學生認知邏輯分析

3.1學習進階

熱化學相關內容在初、高中新課標中的組織與呈現如表2?？梢钥闯?，初中段針對熱化學的認識處于宏觀現象水平，能辨識一些常見的吸熱、放熱現象，能基于能量變化認識化學反應即可；高中必修段更加強調能量視角，基于化學能及其變化定性認識物質具有能量和化學反應中能量變化的根源，對能量的認識水平發展到本質水平，即要求從微觀化學鍵的視角認識化學反應的能量變化；選擇性必修段，基于學科本質更加強調熱力學的定量思維方式，能基于體系與環境認識化學反應的熱效應及其轉化，能基于內能及內能變化的視角定量認識反應熱及其描述，具體進階水平如圖3。

3.2教材組織

如何“高起點、低落點” 開展新增內容的教學，需要學習課程專家的處理方式。以高中魯科版教材[13][14]為例，分析熱化學內容的組織與呈現。

高中必修段熱化學內容編排在必修第二冊“化學反應與能量轉化”一節，涉及“化學反應中能量轉化的本質和形式”。按照“感受化學反應中能量變化→分析化學反應中的能量變化→應用化學反應中的能量變化”的順序編排。首先從學生熟悉的反應“木炭在空氣中燃燒、電解水”入手，引導學生思考化學反應中能量變化的本質和能量轉化形式，探查學生已有認識基礎。接下來基于常見的吸、放熱反應建立認識化學反應的能量視角，并從物質總能量和化學鍵兩個方面，宏微結合地分析能量變化的實質。最后通過解決“天然氣為什么替代煤作為家用燃料”的真實問題實現“物質變化”和“能量變化”認識視角的遷移應用。

選擇性必修段熱化學內容編排在選擇性必修1“化學反應的熱效應”一節，主要包括“反應熱、內能與焓變、焓變的計算”。按照“認識反應熱→測量反應熱→表征反應熱→計算反應熱→應用反應熱”的順序編排。首先教材提出統領性問題“如何定量表征、測量、求算化學反應的熱效應”，接著給出“反應熱”概念，并通過“活動探究”認識到反應熱可測，接下來從內能視角認識化學反應能量變化的根源，對能量的認識不再是必修段籠統的“物質總能量”，而是明確給出了“內能”概念的內涵、外延及其影響因素。對于反應熱的表示，教材從體系與環境出發，基于內能變化引導學生體會反應條件不同，反應熱也不同，了解等容反應熱和等壓反應熱的區別及熱化學方程式可以表征化學反應的熱量變化和物質變化，更加注重概念間的邏輯關系，厘清了焓變引入的原因及價值，凸顯學科本質。在知道反應熱可測、可表征的基礎上，教材又引入“蓋斯定律”計算反應熱，通過“登山高度與設計的登山路徑無關”和“設計碳單質生成CO的路徑”兩個案例，指向蓋斯定律蘊含的設計思想，凸顯化學學科特質。最后通過“燃料的選擇和利用問題”建立起理論學習與實際問題解決的關聯，體現應用價值。

4 平衡“學科”和“學生”的熱化學單元教學邏輯取向

4.1關照學科邏輯的單元教學

“熱化學”是在實踐中發展起來的，是人類經驗的總結，學科理論有著牢固的實驗基礎和嚴密的邏輯推理。在教學中既要注意厘清概念間的實質聯系，如內能與化學能的區別和聯系、內能變化與焓變的區別與聯系等，又要沿著學科發展的邏輯在認識層面外顯熱化學特質的學科思維，如基于“宏微結合思想”認識反應熱的存在、基于“定量思維”測定和計算反應熱、基于“設計思想”認識蓋斯定律等。

4.2兼顧學生認知邏輯的單元教學

單元教學的開展除了立足學科邏輯還要兼顧學生認知水平，在教學時：

（1）注意處理好不同學段知識的銜接。不同學段的教學既要考慮學生已有知識基礎，又要避免內容重復。如高中必修段熱化學教學的核心是基于化學能視角定性認識化學反應中的能量變化，而選擇性必修段則引導學生深入認識反應熱，包括從內能及其變化的角度認識反應熱、從定量角度測定反應熱等。

（2）注意處理好內容科學性和學生可接受性之間的關系。選擇性必修段引入了大量抽象概念，實踐中需在保證內容科學性的同時，充分考慮學生的可接受性。如在介紹內能與焓的區別時不能淪為枯燥的熱力學公式推導，要注意選擇典型的反應案例或實驗，將抽象問題具體化、可視化，直觀認識到體積功的存在及其對反應熱的影響。

（3）注意理論對實踐的指導。從教材組織可知，不論是必修還是選擇性必修段都遵循從理論走向應用的編排模式，因此在實際教學中要選擇合適的素材凸顯熱化學理論對生產實踐的指導價值。如通過介紹煤、天然氣主要成分燃燒的熱化學方程式，幫助學生理解家用燃料“從煤到氣的變遷”等。

5選擇性必修段熱化學單元教學設計

5.1 單元教學目標

結合高中新課標，設計單元目標如下：

知道內能是體系內物質各種能量的總和，受外界條件影響，并能基于內能及其變化的視角認識化學反應中的能量變化；

基于體系與環境的概念，從能量守恒的角度，認識等容反應熱（ΔU）和等壓反應熱（ΔH）的區別及其引入ΔH的意義；

能根據研究需要選擇體系與環境，設計并實施定量測定反應熱的實驗，包括測定條件、測定儀器的選擇及其誤差分析，并能通過熱化學方程式表征化學反應中的物質變化和熱量變化；

（4）認識蓋斯定律的應用和價值，能基于設計思想計算反應焓變，能運用反應焓變合理選擇和利用化學反應，解決實際問題。

5.2 單元課時組織

結合單元教學目標，設計選擇性必修段熱化學單元教學，具體課時安排、驅動性問題如圖4。

5.3 課時關鍵性驅動問題解讀

為降低概念的理解難度，在教學中盡可能將驅動性問題融入真實情境，通過課堂追問，引發學生認知沖突，并輔以相關實驗、圖示等將抽象概念具體化、可視化。由于篇幅所限，這里選擇部分關鍵性問題作簡要解讀。

課時1：

【問題（2）】以氫氣和氧氣在不同溫度下反應生成的不同狀態的水為例，從微觀視角進一步認識物質具有哪些能量，與什么因素有關？

問題解讀：這一問題是建立在學生初步討論了氫氣、氧氣混合體系總能量的基礎上繼續展開的，學生基于物理學視角，已經知道了物質的能量包括分子動能和分子勢能，動能和溫度有關，而針對分子勢能，學生通過氣態、液態、固態水對比，發現分子勢能包括分子內原子間的勢能（如H-O鍵能）和分子間勢能（如水分子間作用力），教學通過將“分子”具體化，系統認識內能的概念和影響因素（圖5），體會狀態函數的特點。

【問題（4）】以恒壓條件下Na2CO3與鹽酸反應為例，討論反應熱是否一定等于內能的變化？

問題解讀：學生有了認識能量的內能視角，為什么還要引入焓的概念？為了避免教學淪為枯燥的熱力學公式推導，在教學中利用Na2CO3與鹽酸反應的實驗，通過氣球膨脹（圖6a）引導學生認識到化學反應的內能變化并不一定等于熱量變化，還有氣球膨脹帶來的體積功（W體=—PΔV），而大部分化學反應都是在敞口容器中進行的，這時再引入焓的概念就順理成章。對于水平較好的班級此時再基于ΔU=Q+W公式進行焓的推導，能進一步加深學生的理解，對于水平一般的班級，進行焓概念的趣味化解釋（圖6b），也能體會引入焓的價值。

課時2：

【問題（2）】反應熱概念規定反應始終態溫度要相同，那為什么測定的是鹽酸和氫氧化鈉反應始終態溫度變化，卻可以表征反應的熱效應？是否矛盾？

問題解讀：學生通過討論對反應熱測定實驗的注意事項達成共識，其核心就是減少熱量損失，這時教師再提出上述問題，一方面是為了加深學生對反應熱概念的理解，另一方面要引導學生厘清體系與環境，理解熱化學對反應熱做出始終態溫度相同的原因是為了保證將體系熱量全部傳給環境，而實際研究中可根據需要選擇合適的對象作為體系。

課時3：

【問題（2）】反應熱的應用有哪些？

問題解讀：三個應用將理論與實際問題解決相關聯，分別指向工業生產、日常生活和學科解釋，體現熱化學的設計思想、定量思想和解釋預測功能。應用1通過讓學生設計煤炭直接燃燒和轉化為水煤氣燃燒的路徑（圖7），深入理解ΔH作為狀態函數，只與始終態有關而與途徑無關，應用熱化學理論可以實現能量的儲存和釋放，且具有環保性；應用2基于氧化鈣與水反應的熱效應定量計算發熱包中生石灰的用量，體會應用化學反應熱量變化的關鍵是定量計算反應熱；應用3通過提供的Si-Si、Si-O鍵鍵能數據，認識到形成硅氧鍵放出大量能量，產物能量低，從而初步體會大放熱反應更易進行，生成物更穩定（鹵族元素氫化物的穩定性分析方法類似），因此自然界中硅以二氧化硅或硅酸鹽形式存在，體現熱化學的解釋預測功能。

6 教學效果

選擇性必修段“熱化學”單元教學，進行了為期1年的研究，于2023年9月對我校2022級學生實施。授課完成后，聽課教師普遍反饋課堂教學邏輯清晰，引發學生深度思考，同時提升了教師自身對熱化學內容的學科理解。通過課堂觀察和課后作業，學生對本文開頭提到的問題的理解水平也得到明顯提升，如關于ΔU的理解，所有學生都能意識到ΔU= Q或ΔU=ΔH的成立都是有條件的，體現了學生對內能、焓變等概念的清晰認知；課后在做到有關基于鍵能計算反應焓變的問題時，學生提出這種計算方式的成立也是有條件的，必須是反應物、產物中的微觀作用力只限于化學鍵的反應體系，比如氫氣和氧氣化合成氣態水（分子間作用力?。?，若產物為液態水，這種計算就會誤差很大，還要考慮液態水分子間的作用力，這不但表明學生縷清了內能和化學能的關系，還體現了學生的批判思維；課后在做到基于各物質標準摩爾生成焓計算反應焓變問題時，班級有超過70%的學生嘗試設計反應過程計算焓變，即通過題目給出的標準摩爾生成焓的概念設計從穩定單質到生成各反應物和生成物的路徑得出ΔrHm?θ= Σ（νi?ΔfHm?θ）生成物?- Σ（νi?ΔfHmθ）反應物?（其中ΔfHm?θ代表標準摩爾生成焓），而以往在教學中沒有凸顯設計思想時，學生大都基于標準摩爾生成焓的概念寫出多個熱化學方程式，再對熱化學方程式進行數學處理，學生的這種變化說明其已初步形成了熱化學的設計思想。

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