丁 浩
（江苏省梁丰高级中学 江苏 张家港 215600）
摘要:“能量观”是继“物质观”后学生接触到的又一重要化学学科观念，化学反应中微粒间化学键的变化是能量变化的根源，而能量守恒是定量判断反应热的依据。文章以“化学反应中的热量变化”为例，尝试通过科学探究学习学科概念，发展学生科学思维，培养学生学科核心素养。
关键词:学习进阶；能量观；核心素养；能量守恒
热化学是热力学第一定律运用于化学反应中热量的定量计算的具体体现，高中阶段可简单表述为研究化学反应热效应。
本文以苏教版必修2专题2第二单元“化学反应中的热量变化”为例，尝试从化学反应中的“能量观”角度，结合物质与能量、结构与性质以及变化与守恒等学科观念，探讨通过学科观念学习培养学生学科素养的方法。
能量，高一学生认识角度多是和热量相关联，认识更多的是停留在初中化学的燃烧的基本条件（达到着火点）、燃烧是剧烈的发光发热的氧化反应、物理学科中的动能和势能。通过专题2学习，以化学能和热能的相互转化、化学能和电能的相互转化为例，引导学生认识到化学反应中物质变化同时，伴随着能量的转化，而且能量的转化是多种形式的。
深层次看，化学反应中表现出来的能量变化是和物质结构息息相关，化学反应是原子间的重新组合过程，涉及到化学键的断裂和形成过程，断裂化学键需要吸收能量，形成化学键要释放能量，宏观上表现的能量变化实际上是由这两个过程的热效应相对大小决定，通过微观变化理解宏观现象，而通过宏观现象能够辨析微观结构上的差异，宏观现象只是众多微观粒子性质叠加和放大。从定量的角度分析能量变化的原因和表示方法，为学生开启了化学学科的另一重要学科观念——能量守恒观。
高中阶段，能量转化的教学内容在必修2专题2和选修（化学反应原理）都有涉及，转化形式主要是化学能与热能、电能、太阳能、生物质能之间的相互转化。从概念的进阶看，“化学反应中的热量变化”具体涉及以下四个层次要求。
第一层次，能够从宏观角度，认识到不同形式的能量之间可以相互转化，能够举例说明通过化学变化可以实现化学能、热能、电能、太阳能之间的转化。能够从反应的热效应判断反应物和生成物能量存在差异，这种差异通常可以表现反应的吸热或放热。
第二层次，能够从微观粒子之间的作用力的变化，即化学键的形成和断裂角度分析能量变化，理解化学反应是物质变化和能量变化的统一，进而理解反应的热效应（即焓变）以及使用键能定量计算热效应；同时为活化能概念做好铺垫。
第三层次，知道内能和焓是与体系状态有关的物理量，了解内能改变、焓变与反应热的关系；运用反应焓变和熵变判断反应能否自发进行以及自发进行的外界条件；能够根据实际需要，有目的地通过化学反应实现化学能与其他能量的相互转化。
第四层次，能量的守恒观。物质的绝对能量无法测得，但是伴随反应进行能量的变化是可以测定的，能量守恒和质量守恒一样，是化学变化中的两个重要的守恒，能够运用盖斯定律进行简单计算。
其中第三层次和第四层次涉及选修《化学反应原理》的学习，必修阶段主要完成第一、二层次学习。对于学生来说，需要从单纯的物质转化角度认识化学反应，拓展到能量转化，形成多维度、多角度认识化学反应的观念和能力。
由于能量难以直接根据某些性质直接判断、感知，而需要通过间接的热效应（比如温度的变化、发光发热等）来定性判断，热效应可以通过一定量的某物质之间反应的温度变化定量测定，还可以结合具体的化学键能进行定量计算。
从教材结构上看，本单元把学生从仅仅关注化学反应中物质的性质和变化逐渐引导到能量的变化以及能量的转化，并从微观粒子的化学键变化解释能量变化的原因，为下阶段化学能和热能、电能的转化做好准备。
教材引言部分，以“在化学反应中，反应物转化为生成物的同时，必然发生能量的变化”开始，引导学生的视野投向化学反应中除物质变化之外的另一个领域——“能量变化”。必修二专题2与第二单元分别以“化学反应和能量转化”、“化学反应中的热量”为标题，自然引出连续的、纵向的、递进的四个层次问题：
（1）化学反应与能量变化是什么关系？（从关注物质变化到能量变化）
（2）化学反应中的热量和能量的关系？（能量形式的多样性）
（3）化学变化中能量（热量）从哪里来？（化学键，守恒思想核心知识）
（4）怎样表示化学变化中的热量变化？（热化学方程式的表达方式和含义）
清楚了教学目标和涉及的学科核心知识，围绕以上问题，厘清本节课的教学脉络：
环节一，展现能量转化的多种形式引入课题——能量能够相互转化。
环节二，从能量转换方式看，通过化学反应实现化学能和热能的转换，结合能量图中反应物总能量和生成物总能量的相对大小判断反应为放热和吸热反应。
环节三，从微观角度分析化学键变化，化学键断裂和形成时分别需要吸收和释放能量，由两者相对量的大小定量分析引起热量变化，运用化学键定量分析和表示化学反应的热效应。
环节四，初步认识热化学方程式，了解热化学方程式和化学方程式的区别和含义。
围绕这四个问题层层递进，即以“问题为本”，采取学生自主学习和小组合作学习相结合，学生通过生活中能量变化的实例重现多种形式的能量，联系具体的化学反应感知化学反应和能量（特别是热量）的相关性，结合小组实验、观察、思考、小组讨论等形式领会反应热的内涵、外延，达到概念的了解、理解、深化和运用。
教材提供的探究样本，具有典型性，在具体的教学实践中，可以依据实际情况对样本进行修改使之更具科学性和可操作性。
教材提供活动与探究：在100mL小烧杯中加入约20g经研磨的氢氧化钡晶体［Ba（OH）2·8H2O］，然后再加入约10g NH4Cl晶体，用玻璃棒搅拌，使之充分混合。用手触摸烧杯外壁，反应混合物的温度有什么变化？
由于该反应速率较快，生成的氨气容易逸出，在教学实践中把反应装置改成“塑料薄膜袋”，向塑料薄膜袋中加入氢氧化钡晶体［Ba（OH）2·8H2O］和NH4Cl晶体，排出袋内空气，扎紧袋口，反复揉塑料袋中的混合物，使之充分反应。
经过上述改进后，可以防止生成的氨气的逸出，引导学生关注化学品使用对人类安全和环境的影响，培养绿色化学思想，引导学生通过比较、权衡，形成合理的决策能力；还可以观察到塑料袋略有鼓起，打开塑料袋有刺激性气味，说明生成了氨气；而且材料薄膜袋容易变形，可以反复揉捏，充分混合反应物，塑料薄膜袋传递热量快，学生触摸材料袋可以更直观感受到温度下降。
实际生活中，类似的“热敷袋”、“冰敷袋”已经走进人们的生活，结合探究活动，课堂上教师以资料的形式引入了生活中常用的冰敷袋，让学生对热量变化有更深切的体会。
资料1——冰敷袋构成
（1）外包装（结实）、富有弹性，抗压性很好，容易变形；
（2）冰敷袋内容：氯化铵固体和水，水储存在最里面的包装膜中，与氯化铵隔离；
（3）当挤压、揉搓或用硬物敲打时，内层的隔膜很容易破裂；
（4）氯化铵被存放在外层。当内层膜破裂时，盐与水混合。盐溶解在水中时，会吸收热量。
从氢氧化钡晶体和铵盐反应，到生活中的冰敷袋、热敷袋，学生能够感受到化学与生活的联系是如此紧密，从而关注到随着反应发生的热量变化，从热量变化判断反应的发生，进而激发对化学反应热产生强烈的好奇心，唤醒和激发学生对探究物质及其规律的强烈愿望，更多地关注化学知识的运用，并能主动地学习和探究。
图1 冰敷袋和使用方法
基于以上考虑，可以增加课后探究“利用生活中常用物品自制冰袋或热袋”，引导学生运用化学知识解决实际生活问题，综合运用物理，化学知识，有效实现物质的转化和能量的储存和释放，增强探究兴趣，发展创新能力，更清晰地达成物质观和能量观的统一。
科学思维是化学学科核心素养，在教学设计中必须依据学生的思维层次和培养水平层次加以合理展开。作为一门自然学科，除学科知识外，化学学科在发展过程中还形成了较为系统的学科思维方法，掌握科学的思维方法也是化学课程的重要功能，针对学生新接受的“能量观”，结合以往的学科观念，设计了以下的综合探究。
探究案例 H2在O2中燃烧生成水，同时释放能量，请分别从水的结构、性质和能量的角度分析为什么水不能作为燃料，对外供能？
以上探讨主要目的是引导学生综合运用化学知识，多角度、深层次地分析生活中的现象，培养学生分析与概括，实证与推理，分类与表征的能力。
从结构上看，氢元素化合价为+1价，是最高价，不能再失去电子，不能和氧气反应；从性质上看，水不具有可燃性，不能在氧气中燃烧放出能量；从能量角度看，依据能量守恒定律，氢气、氧气化合生成水所释放的能量，与水分解成单子所吸收的能量相等，即：水分解为氢气和氧气吸收的能量，与氧气和氢气反应生成等量水时释放的能量相等，不能对外供能（见图2）。
图2 H2O—H2、O2—H2O能量变化图
能量观和物质观是变化的两大主题，本节课通过分析反应热的学习进阶，结合学生的思维层次，合理设置问题探究，引导学生由表及里，从微观结构角度探究宏观现象，随着学习的深入，学生能够逐渐体会到从现象上看是反应的发生导致了热效应，但实际上热效应和熵变却也是反应能否发生的决定因素。综合运用学科知识和观念，不仅从宏观上通过反应现象定性判断能量的差异，更是从微观的角度定量分析了反应热产生的缘由，培养学生学科观念、科学思维和科学探究等核心素养。
文章编号：1008-0546（2017）10-0032-03
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.011
联系客服
