摘要：以“影響化學反應速率的因素”教學為例，通過重組調(diào)整硫代硫酸鈉與硫酸反應的實驗方案，開發(fā)CO2氣體壓強影響溴百里香酚藍溶液變色快慢的創(chuàng)新實驗，利用魯米諾反應發(fā)出熒光增強H2O2的催化分解實驗現(xiàn)象的效果，來探究溫度與濃度、氣體壓強、催化劑諸因素對化學反應速率的影響。在教學中靈活處理教材，調(diào)整實驗方案，開發(fā)創(chuàng)新實驗，增強實驗效果，促使學生的化學學科能力得到提升，核心素養(yǎng)得到發(fā)展。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新實驗；反應速率；溴百里香酚藍；魯米諾熒光反應

文章編號：1008-0546（2021）10-0056-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.013

*本文系浙江省2020年度教研規(guī)劃課題“基于深度學習理念的高中化學微主題式教學的實踐研究”階段性成果，課題編號：G2020136。

一、問題的提出

蘇教版選修教材《化學反應原理》采用碳酸氫鈉與鹽酸、酸性高錳酸鉀氧化草酸、過氧化氫催化分解三個反應[1]，來研究濃度、溫度、催化劑對反應速率的影響，而壓強對反應速率的影響只是給出理論解釋，未施以實驗進行探究。這些實驗都是學生比較熟悉的反應，實驗現(xiàn)象也是明顯直觀，但這也造成了實驗本身的性質(zhì)由探究性轉(zhuǎn)化為了驗證性，不利于學生探究意識與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。在教學中，我們倡導要“用教材教，而不是教教材”，要靈活應用教材實驗，科學調(diào)整實驗方案，合理開發(fā)實驗資源，增強實驗現(xiàn)象效果，提高學生學習化學的興趣，提升學生化學的學科能力，側(cè)重發(fā)展學生“科學探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

二、設計策略與流程

化學實驗不僅是研究和學習物質(zhì)變化的基本方法，同時也是探究化學規(guī)律和化學理論的重要手段。2017版《課程標準》也建議：“教學中應注重運用實驗事實、數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，幫助學生轉(zhuǎn)變偏差認識”[2]。因此“影響化學反應速率的因素”一課的教學設計，立求在核心素養(yǎng)導向下，立足于在學生的最近發(fā)展區(qū)，以實驗探究為項目主題，調(diào)整教材中的已有實驗，結(jié)合新開發(fā)的創(chuàng)新實驗，增強原實驗的視覺效果，通過學生參與設計，主動操作，親身體驗，享受科學探究的過程，充分調(diào)動學生的思維，使其成為知識的主動建構(gòu)者，設計融合“教、學、評一體化”的“情境線”“活動線”“知識線”和“素養(yǎng)線”的教學流程（見圖1）。以項目學習為導向，讓學生在多個實驗的探究過程中汲取化學核心知識，體驗和感悟科學研究的樂趣與艱辛，側(cè)重促進學生的“科學探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)發(fā)展，同時在“微觀探析、科學態(tài)度”等核心素養(yǎng)方面也得到較好發(fā)展。

本教學設計通過重組調(diào)整硫代硫酸鈉與硫酸反應的實驗形式，開發(fā)CO2壓強變化影響B(tài)TB（溴百里香酚藍）試劑變色快慢的創(chuàng)新實驗，利用魯米諾熒光反應增強H2O2催化分解實驗現(xiàn)象的效果，并輔以“碰撞理論”解釋影響化學反應速率的各個因素。學生在實驗過程中更好地認識這些化學規(guī)律和理論，獲得認識上和思維上的雙重發(fā)展。

三、教學過程與意圖

1.項目一：重組實驗、把控反應——濃度與溫度的影響

【課前準備】

1個裝有10mL 0.1mol·L-1的Na2S2O3溶液的50mL錐形瓶；

1個裝入10mL 0.1mol·L-1的H2SO4溶液的中號試管；

1張正中間畫有一個合適大小“田”字的16開白紙。

【演示實驗】把錐形瓶置于白紙的“田”字上方，將試管中的溶液倒入到錐形瓶中，輕輕振蕩后置于白紙上，觀察實驗過程中逐漸產(chǎn)生的淡黃色物質(zhì)，記錄完全覆蓋“田”字所需的精確時間。

實驗記錄：202X年X月X日，本地室內(nèi)溫度X℃，本反應所需時間為X分X秒。

【講解】同學們，這個實驗是我們教材《實驗化學》專題4中的一個實驗，它是研究化學反應速率的一個實驗。

【PPT展示】《實驗化學》：專題4課題1硫代硫酸鈉與酸反應速率的影響因素

【講解】我們知道，對于特定的反應，除了反應物的性質(zhì)外，反應物的濃度，體系的溫度、壓強和催化劑等都會對化學反應速率有影響。下面大家通過分組，一起來個探究實驗比賽。大家先根據(jù)剛才的演示實驗，討論設計本小組的實驗方案，三個試劑的總量為20mL，列出欲用的反應物的用量（即濃度）與采用反應的溫度，來盡量控制反應完全覆蓋“田”字時間為2分鐘，哪一組最接近2分鐘就勝出。

【學生活動】小組內(nèi)討論，設計方案，并按設計方案準備實驗。交流匯報各小組的具體方案，然后同時開始操作實驗。各組記錄如表1所示。

【小結(jié)】X小組采用XmL的0.1mol·L-1Na2S2O3溶液與XmL的0.1mol·L-1H2SO4溶液，調(diào)和XmL的蒸餾水，在X℃下進行反應，時間為X分X秒，最接近2分鐘的一組。其他小組也來交流一下，沒有接近2分鐘的具體原因。

【學生活動】交流分析小組實驗時間不為2分鐘的原因。

【講解】經(jīng)過大家的實驗數(shù)據(jù)表明，反應物的濃度越大，反應體系的溫度越高，反應所需的時間就越短，即反應的速率就越快。為什么增大反應物的濃度，升高反應體系的溫度可以加快化學反應的速率呢，下面我們用“碰撞理論”從微觀上來探析一下原因。

【學生活動】閱讀并領會教材“碰撞理論”內(nèi)容。

【小結(jié)】我們可以從單位體積內(nèi)的“有效碰撞次數(shù)”和“活化分子數(shù)”兩方面來解釋濃度、溫度影響反應速率的原因，同時還可以從“活化分子百分數(shù)”來解釋兩因素影響化學速率的不同點（如表2）。

設計意圖：實驗探究的創(chuàng)新不僅是設計新的實驗，也可以是通過對原有教材實驗方案的調(diào)整和重組。要求學生通過小組討論、方案設計、實驗探究、交流分析，把控反應在限定時間內(nèi)完成，這樣的教材實驗方案重排，調(diào)動了學生自覺地應用和感悟化學理論，充分地認識濃度與溫度這兩個外界條件對反應速率的影響，內(nèi)化了知識。輔以討論“碰撞理論”來解釋速率變化的本質(zhì)原因，不僅發(fā)展了學生“科學探究”的核心素養(yǎng)，還發(fā)展了“微觀探析”的核心素養(yǎng)。

2.項目二：創(chuàng)新實驗、本質(zhì)探究——壓強的影響

【PPT展示】指示劑：溴百里香酚藍

【實物展示】如圖2。

【講解】溴百里香酚藍是生物學中研究微生物呼吸作用的指示劑，它的變色范圍為pH值6.0～7.6，正好接近碳酸的酸度范圍，它在堿性時呈藍色，酸性時呈黃色，過渡態(tài)時呈綠色（見圖2）。我們利用這個指示劑，間接顯示不同的CO2壓強下與水反應生成的碳酸含量（濃度）[3]。

【PPT展示】CO2（g）+H2O（l）H2CO3（aq）

【提問】我們可以通過什么來判斷這個反應進行的快慢呢？

【作答】通過指示劑顏色從藍色經(jīng)過綠色變化到黃色所需的時間長短來判斷反應的快慢，所需要時間越短，反應的速率越快。

【講解】pH減小使指示劑變成黃色，說明溶液中的碳酸濃度上升到了一個特定的值，如果所需的時間越短，說明碳酸產(chǎn)生的速率越快。下面我們給出下列儀器，請同學們利用這個原理來設計CO2氣體壓強對反應速率的影響實驗。

【PPT展示】實驗儀器：燒瓶，注射器

實驗藥品：溴百里香酚藍試劑，CO2氣體

【交流并作答】將不同量的CO2氣體注射到裝有溴百里香酚藍試劑的燒瓶中，觀察顏色變化的快慢。

【講解】不同量的CO2進入到同一容積的燒瓶中，產(chǎn)生的壓強就會不同。我們控制合理的反應物的用量，來看一下不同CO2氣體壓強下的哪一個顏色會變化得更快一些。

【學生活動】操作實驗，對比顏色變化快慢。

【講解】經(jīng)過大家的對比發(fā)現(xiàn)，CO2氣體的壓強越大，顏色變化就越快，即反應的速率就越快。為什么增大CO2氣體壓強可以加快化學反應的速率呢。

【學生活動】閱讀教材內(nèi)容，領會壓強變化的本質(zhì)原因。

【小結(jié)】我們發(fā)現(xiàn)其實壓強變化實質(zhì)是改變了單位體積內(nèi)的分子數(shù)，其本質(zhì)是改變了反應物的濃度。我們從“碰撞理論”角度上來探析一下壓強與濃度變化的微觀差異。我們再來探析一下如果是充入稀有氣體使壓強增大，會不會使反應速率加快。如表3。

設計意圖：創(chuàng)新課堂演示實驗，彌補教材實驗空缺，使得原來只有抽象理論的內(nèi)容顯現(xiàn)為直觀的實驗現(xiàn)象，這樣的設計不僅增加了化學理論的說服力，而且還發(fā)展了學生“科學探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。同時采用生物學研究中的微生物呼吸作用專用指示劑，實現(xiàn)了學科之間的知識互補，使學生跨學科研究的“科學態(tài)度”核心素養(yǎng)得到發(fā)展。

3.項目三：絢麗熒光、探求原理——催化劑的影響

【課前準備】配制魯米諾試劑（取一個1L的燒杯，將4.0g的無水碳酸鈉置于燒杯中，加入500mL蒸餾水用磁力攪拌器加速溶解，稱取0.2g魯米諾粉末于燒杯中，繼續(xù)攪拌溶解，再稱取24.0g碳酸氫鈉，0.5g碳酸氫銨，20滴濃氨水，逐次加入到燒杯中，用磁力攪拌數(shù)分鐘，待粉末全部溶解后加入蒸餾水稀釋至1000mL，繼續(xù)攪拌均勻，然后裝入試劑瓶中備用[4]），配制1：40的H2O2稀釋溶液。

【PPT展示】魯米諾又名發(fā)光氨，在堿性條件下遇H2O2分解釋放的氧氣會發(fā)出藍色熒光。

【演示實驗】在錐形瓶中加入50毫升的魯米諾試劑，再倒入50毫升的H2O2稀釋液。

【學生活動】觀察實驗現(xiàn)象。

【講解】沒有看到強烈的熒光，是因為H2O2的分解反應是一個慢反應。我們加入一些硫酸銅溶液試試。

【演示實驗】在錐形瓶中滴入幾滴硫酸銅稀溶液，振蕩搖勻錐形瓶立即產(chǎn)生強烈的藍色熒光，持續(xù)數(shù)分鐘左右（如圖3）。

【提問】加入的硫酸銅起到了什么作用？

【作答】催化劑作用，加快H2O2分解產(chǎn)生氧氣。

【講解】催化劑可以加快化學反應速率，抑制劑可以減緩化學反應速率。下面我們從能量和微觀的雙重角度來探析一下使用催化劑是如何加快反應速率的。

【學生活動】閱讀并交流“過渡態(tài)理論”“活化能”變化。

【講解】加入催化劑使反應的“活化能”降低，我們再從“碰撞理論”來探析一下。板書見表4。

【提問】大家可能發(fā)現(xiàn)，從“碰撞理論”上來說，升高溫度與加入催化劑有相似的地方，那它們的區(qū)別在哪兒呢？

【作答】升高溫度是分子的能量增大，而加入催化劑是降低了“活化能”，并沒有增大分子的能量。

【講解】加入催化劑沒有增加分子的能量，它只是通過改變反應途徑（反應歷程），到達“過渡態(tài)”，然后再反應，這樣子就降低了成為“活化分子”的標準，使得更多的分子成為“活化分子”，從而增加了有效碰撞，加快了反應速率。

設計意圖：應用魯米諾試劑的熒光反應顯示H2O2分解反應，拓展了化學知識廣度，延伸了H2O2分解的應用，以此來代替原本的觀察氣泡速率，不僅增強了催化實驗的視覺效果，增添了教材實驗現(xiàn)象的直觀性和趣味性，還使學生在實驗過程中探索并領會實驗所蘊含的化學原理，提升了化學學科能力和發(fā)展“科學探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)。

4.項目四：拓展廣度、全面考量——其他因素的影響

【視頻】電視劇《偽裝者》面粉工廠爆炸

【講解】化學反應速率除了受到內(nèi)因——反應物本身的性質(zhì)和常見外因——濃度、溫度、壓強、催化劑的影響外，還有一些其他的外界影響因素也能改變反應的速率，比如反應物間的接觸面積。

上述視頻中，由于細小的面粉顆粒與空氣有了更大的接觸面積，遇明火即發(fā)生了爆炸，所以面粉廠是嚴禁煙火的。我們在接觸法制硫酸時，講到黃鐵礦要粉碎后進入沸騰爐里焚燒，以及吸收塔內(nèi)要填充大量的瓷環(huán)，這也都是為了增大反應的接觸面積。此外，某些反應還會受到光、電磁波、超聲波等外界因素的影響。

在生產(chǎn)或生活中的反應，往往是多個因素復合起來對某個反應發(fā)揮影響作用。

設計意圖：結(jié)合STS教育，拓展生活生產(chǎn)中的化學常識，全面考量反應速率的影響因素，體會反應速率影響因素的多樣性與復合性，幫助學生構(gòu)建更為科學、更為完善的知識體系，發(fā)展學生的“科學態(tài)度”的核心素養(yǎng)。

四、課后反思與感悟

實驗探究是化學研究最重要的方法，它是學生感性認識抽象理論的最好途徑，針對反應速率的影響因素內(nèi)容，結(jié)合學生的認知水平，調(diào)整重排實驗，開發(fā)創(chuàng)新實驗，強化實驗效果，激發(fā)學生的興趣，讓學生在探究中自主學習、在探究中獲得知識、在探究中培養(yǎng)能力。

新一輪課程改革倡導“用教材教”，這就喚醒我們一線教師的教學活動要從“目標意識”轉(zhuǎn)向“資源意識”，課堂教學的科學性重在“實”[5]，教材中的實驗素材并非唯一的教學資源，只是引導我們教學活動的一個線索，在實際的教學中，我們可以根據(jù)學生的具體學情，靈活地調(diào)整重排、開發(fā)創(chuàng)新、改進強化教學實驗，從而達成教學目標，提升學科能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。

參考文獻

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[5]張寧云.化學與藝術(shù)的跨科統(tǒng)整——“鐵化合物的相互轉(zhuǎn)化”STEAM設計[J].化學教與學，2019（12）：22-25