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核心素養(yǎng)視域下高中化學(xué)中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”主題的基本課程問題探析

2022-05-05 01:57黃鳴春張彥婷
化學(xué)教與學(xué) 2022年9期
關(guān)鍵詞:高中化學(xué)

黃鳴春 張彥婷

摘要:“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”是高中化學(xué)課程的重要內(nèi)容。以1978年改革開放以來的5版高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)/教? 學(xué)大綱及人民教育出版社出版的5版高中化學(xué)教科書作為研究對象,采用內(nèi)容分析法,梳理“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”內(nèi)容的選取、組織與呈現(xiàn)問題。研究發(fā)現(xiàn):高中化學(xué)課程中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”的內(nèi)容選取深廣度有所提升,主要體現(xiàn)在一級概念下位的概念和原理的精度上,相應(yīng)的活動和素材更加豐富。內(nèi)容組織逐步形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。內(nèi)容呈現(xiàn)方式逐步豐富多樣化。

關(guān)鍵詞:高中化學(xué);化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡;課程問題

文章編號:1008-0546(2022)05-0002-06中圖分類號:G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B

doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.05.001

一、問題提出

“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”是我國高中化學(xué)的重要內(nèi)容,屬于化學(xué)反應(yīng)原理范疇。我們在研究一個化學(xué)反應(yīng)時,必然要關(guān)注兩方面的問題:一是反應(yīng)的快慢,涉及反應(yīng)速率;二是反應(yīng)的趨勢和限度,涉及反應(yīng)方向和化學(xué)平衡,這就構(gòu)成了“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”的內(nèi)容。

通過以“反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、反應(yīng)限度”為主題,分別選定《化學(xué)教育》《化學(xué)教學(xué)》期刊,進(jìn)行檢索并在結(jié)果中再次以“教材”為主題進(jìn)一步檢索,發(fā)現(xiàn)目前文獻(xiàn)中對“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”的課程內(nèi)容研究主要有四個方面:一是教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”相關(guān)內(nèi)容辨析和釋疑[1-8];二是不同教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”內(nèi)容比較[9-12];三是國外教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”相關(guān)內(nèi)容推介與分析[13-14];四是教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”的教學(xué)分析[15]。

已有文獻(xiàn)立足于核心素養(yǎng)視域,即關(guān)聯(lián)知識、活動、素材三角度,基于我國高中化學(xué)課程內(nèi)容縱向變遷來探析化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡主題的基本課程問題的研究較少,本文旨在對改革開放以來我國高中化學(xué)課程中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”內(nèi)容的選取、組織和呈現(xiàn)進(jìn)行初步的探討。

二、分析框架

“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”在高中化學(xué)課程中包括化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)反應(yīng)限度與平衡、化學(xué)反應(yīng)的方向和化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控四方面,本研究針對這四個方面,基于學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的視角,從知識、活動、素材的角度對內(nèi)容的選取、組織、呈現(xiàn)進(jìn)行分析,分析框架見圖1。

三、研究對象與方法

研究對象為1978~2020年高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱及相應(yīng)人民教育出版社出版的高中化學(xué)教科書中的“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”內(nèi)容,涉及的高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱及對應(yīng)教科書見表1[16-25],在后文中以年份表示課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱和教科書。研? 究方法采用內(nèi)容分析法。

四、研究結(jié)果

1.歷年課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”內(nèi)容的變遷主要體現(xiàn)在內(nèi)容要求和實驗要求的精細(xì)化程度,以及知識選取的刪減和新增情況。

(1)課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”內(nèi)容要求日益精細(xì)。

1978年、1983年和1994年只是對概念的羅列,并沒有明確提出對內(nèi)容的要求,如“化學(xué)反應(yīng)速度”;2003年和2020年提出了具體的內(nèi)容要求,且2020年更加精細(xì),如“通過實驗認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的速率(2003年)”“知道化學(xué)反應(yīng)平均速率的表示方法,通過實驗探究影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素(2020年)”;1978年、1983年和1994年“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”沒有區(qū)分必修階段和選修階段,2003年區(qū)分了必修階段和選修階段,2020年區(qū)分為必修階段和選擇性必修階段。

(2)課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”實驗要求日益精細(xì)。

改革開放以來,高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱在“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”中提及的實驗,都是針對“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”和“影響化學(xué)平衡的因素”。1978年、1983年和1994年將這兩個實驗規(guī)定為學(xué)生實驗,但是沒有對實驗內(nèi)容提出具體的建議;2003年沒有將其規(guī)定為學(xué)生實驗,但在活動探究建議部分對實驗內(nèi)容提出了較具體的建議;2020年既將其規(guī)定為學(xué)生必做實驗,又對實驗內(nèi)容提出了具體的建議。

(3)課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”知識選取總體增加。

改革開放以來,高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)/教學(xué)大綱在“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”中知識選取的變遷如下:

①對于“化學(xué)反應(yīng)速率”,1978年到2020年都對化學(xué)反應(yīng)速率及其影響因素提出了要求;除1994年外,其他版本都要求學(xué)生認(rèn)識活化能對化學(xué)反應(yīng)速率的影響,1978年還介紹了催化原理,2020年新增了基元反應(yīng);

②對于“化學(xué)反應(yīng)限度與平衡”,1978年到2020年都對化學(xué)平衡及其影響因素提出了要求;除1994年外,其他版本都對化學(xué)平衡常數(shù)提出了要求;2007年要求學(xué)生能利用化學(xué)平衡常數(shù)計算反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率,其他版本并沒有這一要求;1978年、1983年和1994年并未對化學(xué)平衡影響因素的解釋提出要求,2003年要求學(xué)生用相關(guān)理論解釋,2020年明確要求學(xué)生用濃度商和化學(xué)平衡常數(shù)的相對大小來解釋;

③對于“化學(xué)反應(yīng)的方向”,1978年、1983年和1994年并未涉及,是2003年和2020年新增的部分,2003年要求學(xué)生用焓變和熵變說明化學(xué)反應(yīng)的方向,而2020年只要求學(xué)生知道化學(xué)反應(yīng)方向與焓變和熵變有關(guān),要求程度有所降低;

④對于“化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控”,1978年、1983年和1994年要求學(xué)生應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速度和化學(xué)平衡原理選擇合成氨的適宜條件并了解其工業(yè)流程,2003年和2017年只要求學(xué)生認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的調(diào)控在生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重要作用,對合成氨工業(yè)并未做具體要求。

2.教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”中一級概念下位的概念和原理精度進(jìn)一步提升,相應(yīng)的活動和素材選取更加豐富;逐步形成穩(wěn)定的內(nèi)容組織結(jié)構(gòu);內(nèi)容呈現(xiàn)也不斷豐富。

(1)教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”知識選取深廣度呈現(xiàn)提升的趨勢。

改革開放以來,高中化學(xué)教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”在知識選取上一直不變的有:化學(xué)反應(yīng)速率文字表達(dá)、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素、可逆反應(yīng)、化學(xué)平衡狀態(tài)、影響化學(xué)平衡的因素、勒夏特列原理和選擇反應(yīng)的適宜條件。對主要變化進(jìn)行詳細(xì)闡述如下:

①化學(xué)反應(yīng)速率表達(dá)方式日益精細(xì)。

對于“化學(xué)反應(yīng)速率”這一概念,我國高中化學(xué)教科書在表達(dá)方式上存在明顯的進(jìn)階,1979年和1984年只是用文字來表達(dá)“化學(xué)反應(yīng)速率”這一概念,單位也是用文字來表示的;1995年把“化學(xué)反應(yīng)速率”的單位由文字表達(dá)更換成了符號形式;2007年開始用公式來表達(dá)“化學(xué)反應(yīng)速率”這一概念,但是并未區(qū)分反應(yīng)物和生成物的化學(xué)反應(yīng)速率的正負(fù);2019年不僅區(qū)分了反應(yīng)物和生成物的化學(xué)反應(yīng)速率的正負(fù),而且提出了參與反應(yīng)的各物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率之間的關(guān)系及符號表達(dá)式。在這一變遷過程中,教科書對“化學(xué)反應(yīng)速率”的表達(dá)越來越精確,說明高中化學(xué)課程對“化學(xué)反應(yīng)速率”的要求越來越高,越來越注重科學(xué)表達(dá)和科學(xué)計算。

②對各因素影響化學(xué)反應(yīng)速率的機(jī)理解釋日益完善。

我國高中化學(xué)教科書在解釋“化學(xué)反應(yīng)速率影響因素”的影響機(jī)理時,也存在一定的進(jìn)階。1979年和??? 1984年只用“有效碰撞”“活化分子”“活化能”來解釋溫度和催化劑影響化學(xué)反應(yīng)速率的機(jī)理;2007年還用“活化分子”和“有效碰撞”來解釋濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響機(jī)理;2019年新增了“基元反應(yīng)”,并用“基元反應(yīng)”“有效碰撞”“活化分子”和“活化能”來解釋所有因素的影響機(jī)理。在這一變遷過程中,教科書對“化學(xué)反應(yīng)速率影響因素”機(jī)理的解釋越來越全面和精細(xì),說明高中化學(xué)課程對化學(xué)反應(yīng)速率影響因素機(jī)理的解釋日益完善。

③判斷化學(xué)平衡移動的原理或方法更加全面。

從1979年到2007年,教科書中只提供了一條化學(xué)平衡移動原理,即勒夏特列原理,這是一條經(jīng)驗規(guī)律,且具有一定的局限性。2019年新增了一種判斷化學(xué)平衡移動的方法,即利用濃度商Q 和平衡常數(shù)K 的相對大小來判斷化學(xué)平衡移動的方向,精確的數(shù)據(jù)計算比純理論的推斷更具有說服力,且適用范圍更廣,體現(xiàn)了化學(xué)作為一門科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性和發(fā)展性。

④新增化學(xué)反應(yīng)方向的判斷。

1979年、1984年和1995年并沒有提到如何判斷化學(xué)反應(yīng)的方向,2007年和2019年增加了“化學(xué)反應(yīng)的方向”這一內(nèi)容,這一內(nèi)容的增加不僅符合學(xué)科邏輯,使《化學(xué)反應(yīng)原理》更加完善,而且符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展。研究一個化學(xué)反應(yīng)時,只知道化學(xué)反應(yīng)速率是不夠的,必須還知道反應(yīng)進(jìn)行的方向,才能判斷出這個反應(yīng)的終態(tài)。在“化學(xué)反應(yīng)的方向”的內(nèi)容中,還補(bǔ)充了“熵變”的概念,也是對高中化學(xué)課程內(nèi)容的豐富。

⑤合成氨工業(yè)適宜條件的選取先刪后加,合成氨工業(yè)簡述被刪減。

1979年、1984年和1995年除了介紹工業(yè)合成氨適宜條件的選擇外,還簡述了合成氨的工業(yè)流程,2007年將這部分內(nèi)容完全刪減,2019年重新加入了工業(yè)合成氨適宜條件的選擇,且對工業(yè)合成氨適宜條件的介紹更加精確。然而這并不是一次簡單的回歸,這一內(nèi)容對應(yīng)的節(jié)標(biāo)題由“合成氨工業(yè)”變化為“化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控”,這意味著從2019年開始,合成氨工業(yè)在教科書中只是幫助學(xué)生理解“化學(xué)反應(yīng)調(diào)控”的手段,而非教學(xué)的最終目的,這一變化對學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的應(yīng)用價值提出了要求,而弱化了對合成氨工業(yè)適宜條件的記憶;與此同時,合成氨工業(yè)簡述并未被恢復(fù),與前一討論相呼應(yīng),應(yīng)該是為了減輕學(xué)生學(xué)習(xí)和記憶的負(fù)擔(dān),更注重學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

(2)教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”活動逐漸多樣,實驗活動的探究性和思路方法正在凸顯。

改革開放以來,教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”的活動數(shù)量有所增加,活動類型逐漸多樣,且主要集中在“化學(xué)反應(yīng)速率”和“化學(xué)平衡”部分。活動可被劃分為實驗類活動和思考類活動,其中實驗類活動較多。因此對“化學(xué)反應(yīng)速率”和“化學(xué)平衡”的實驗類活動進(jìn)一步展開分析。

①“化學(xué)反應(yīng)速率”實驗類活動有一定調(diào)整。

改革開放以來,高中化學(xué)教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率影響因素”都沒有通過實驗探究“壓強(qiáng)對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”;2007年選修涉及了“測定化學(xué)反應(yīng)速率的實驗”,而其他教科書都沒有,且2007年實驗活動涉及的化學(xué)反應(yīng)數(shù)量最多;2019年必修和選擇性必修均設(shè)計了綜合實驗來探究“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”,且都有要求學(xué)生自行設(shè)計實驗,對學(xué)生的要求有明顯提高。

教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率影響因素”的實驗都選用了“Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+S ↓+SO2↑+H2O”和“H2O2=2H2O+O2↑”這兩個反應(yīng),不同之處在于1979年到2007年 H2O2分解反應(yīng)采用的催化劑都是MnO2,而2019年則改用FeCl3溶液。此外,2007年還涉及了“Zn+2H+=Zn2++H2↑”和“2KMnO4+5H2C2O4+ 3H2SO4=2MnSO4+K2SO4+ 10CO2↑+8H2O”兩個反應(yīng),實驗活動更多,但也都是為了探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素。

②“化學(xué)平衡影響因素”實驗類活動基本沒有變化,但細(xì)節(jié)部分有所改動。

在探究濃度對化學(xué)平衡的影響時,教科書都選取了“FeCl3+3KSCN?? Fe(SCN)3+3KCl”這一反應(yīng),在探究壓強(qiáng)、溫度對化學(xué)平衡的影響時,都選取了“2NO2????? N2O4”這一反應(yīng);但在探究濃度對化學(xué)平衡的影響時,為改變 FeCl3溶液的濃度,2019年將滴加FeCl3溶液改為加入鐵粉,是更加精確的控制變量法,對學(xué)生認(rèn)知水平的要求有所提高。此外,2007年和2019年都只在選修/選擇性必修中通過實驗探究了“化學(xué)平衡影響因素”;2007年選修設(shè)置了2個實驗來探究濃度對化學(xué)平衡的影響,但刪減了壓強(qiáng)對化學(xué)平衡的影響的實驗。

(3)教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”素材類型有所增加,數(shù)量上無明顯變化。

高中化學(xué)教科書中素材的選取可以被分為自然界、生產(chǎn)生活、實驗室、微觀模型和化學(xué)史五種類型,前三種是從不同領(lǐng)域中獲得的宏觀經(jīng)驗,第四種是為了幫助學(xué)生理解而構(gòu)建的微觀示意圖或結(jié)構(gòu)圖,第五種是從化學(xué)學(xué)科發(fā)展的歷史出發(fā),幫助學(xué)生建立化學(xué)概念和科學(xué)態(tài)度。本文中討論的實驗室素材是除實驗類活動所涉及反應(yīng)之外的補(bǔ)充反應(yīng)。

①“化學(xué)反應(yīng)速率”素材內(nèi)容有增有減,新增化學(xué)史素材。

對改革開放以來高中化學(xué)教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率”部分的素材選取進(jìn)行歸類,見表2。

根據(jù)上表,可以發(fā)現(xiàn):改革開放以來高中化學(xué)教科書在“化學(xué)反應(yīng)速率”中,自然界、生產(chǎn)生活和微觀模型類素材的選取存在刪減和新增的反復(fù),但總體來看變化不明顯;2007年和2019年除了實驗活動涉及的反應(yīng)外,沒有補(bǔ)充其他實驗室素材;2007年和2019年新增了化學(xué)史素材,使教科書內(nèi)容更加豐富。

②“化學(xué)平衡”素材內(nèi)容有增有減,新增微觀模型和化學(xué)史素材。

對改革開放以來高中化學(xué)教科書中“化學(xué)平衡”部分的素材選取進(jìn)行歸類,見表3。

根據(jù)上表,可以發(fā)現(xiàn):改革開放以來高中化學(xué)教科書在“化學(xué)平衡”中,沒有選取自然界素材;生產(chǎn)生活素材只有1個,在2007年被刪減;2007年和2019年加入了兩個化學(xué)史素材;2019年加入了1個微觀模型素材;實驗室素材最多,但存在刪減和新增的反復(fù),總體來看,最主要的變化是2019年刪減了“固體溶解平衡/飽和溶液”這一素材??傮w來看,改革開放以來高中化學(xué)教科書在“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”中的素材在類型有所增加,在數(shù)量上無明顯變化。

(4)教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”內(nèi)容組織逐步完善。

改革開放以來,高中化學(xué)教科書中在“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”中有較為穩(wěn)定的組織邏輯,圖2表現(xiàn)了不同年代教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”的組織結(jié)構(gòu),由于2007年和2019年分為必修和選修/選擇性必修階段,且選修/選擇性必修階段內(nèi)容更加全面,與之前年代的教科書內(nèi)容相似度更高,因此選擇選修/選擇性必修階段來繪制“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”的組織結(jié)構(gòu)圖。

從上圖可以看出,教科書中不變的邏輯是“化學(xué)反應(yīng)速率”→“影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素”→“化學(xué)平衡狀態(tài)”→“影響化學(xué)平衡的因素”。1995年刪減了“化學(xué)平衡常數(shù)”,2007年和2019年均加入了“化學(xué)平衡常數(shù)”;2007年把“可逆反應(yīng)與不可逆反應(yīng)”作為一個獨立的節(jié)下標(biāo)題來對待,而不只是在“化學(xué)平衡”中提及;2007年和2019年新增了“化學(xué)反應(yīng)的方向”,而刪減了“工業(yè)合成氨簡述”;2007年選修刪減了“化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控/選擇工業(yè)合成氨的適宜條件”,2007年必修介紹了“化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控”,但是以“煤的燃燒”而不是“工業(yè)合成氨”為例。

目前人教版教科書中逐步形成的穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(5)教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”內(nèi)容呈現(xiàn)日益豐富。

改革開放以來,教科書中“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡”的內(nèi)容呈現(xiàn)的豐富程度顯著增大。1979年和1984年只通過正文、實驗、圖片和表格來呈現(xiàn)內(nèi)容;1995年只增加了一個討論活動;2007年和2019年內(nèi)容呈現(xiàn)方式出現(xiàn)多樣化,除了固有的正文、圖片、表格和實驗,還增加了豐富的活動和素材,主要以欄目的形式存在,包括思考與討論、科學(xué)視野、科學(xué)史話、STS 欄目等?;顒哟偈箤W(xué)生思考和探究,素材幫助學(xué)生理解和創(chuàng)新,這些呈現(xiàn)方式的增加,無疑會給我們的化學(xué)教學(xué)提供更可靠的輔助。

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