葉晨　黃志華　張文華

摘要： 進階學習從學生已有的經驗模型和認知水平出發(fā)，通過漸進的學習方式，完成概念和模型的構建。學生通過進階學習，有效地構建科學模型，培養(yǎng)綜合分析及問題解決能力。通過“影響化學反應速率的因素”教學案例，探索基于核心素養(yǎng)的進階學習模型的構建。

關鍵詞： 進階學習; 核心素養(yǎng); 化學反應速率影響因素; 變化觀念與平衡思想

文章編號： 1005-6629（2020）03-0029-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

近十年，國際理科教育提出了學習進階（Learning Progressions）理念，旨在構建一致性、連貫性的課程，充分調動學生的生活經驗和認知發(fā)展?jié)撃?，為持續(xù)性、系統(tǒng)性地理解科學本質和核心概念提供了可操作、更成功的方法。進階學習由以下五個要素組成： （1）進階預期——學生預期需要培養(yǎng)的學科素養(yǎng);（2）進階維度——學生所需掌握的核心概念;（3）成就水平——反映學生思維發(fā)展過程中的關聯(lián)性和層次性;（4）預期表現(xiàn)——處于特定理解水平的學生完成特定任務時所應呈現(xiàn)的表現(xiàn);（5）評估方法——測評學生在預期進階學習路徑上的概念、思維、能力的素養(yǎng)的發(fā)展水平。進階學習將科學教育的課程標準、課程大綱、課程內容和學業(yè)評價等要素進行整合，為學生的學習和教師的教學提供一個大框架指導[1～3]。

在“化學反應原理”模塊的學習中，由于知識本身的系統(tǒng)性和復雜性，學生可以采用階梯式的路徑實現(xiàn)進階學習，深化對概念的理解和原理的認知。參見表1，以“化學反應速率”學習主題為例，來認識進階學習在高中化學必修模塊和選擇性必修模塊的系統(tǒng)性和連貫性[4，5]。

表1? “化學反應速率”的進階學習

進階預期4通過反應速率實驗，認識到方法選擇和反應條件控制在化學反應實際應用中的重要性。

進階預期3認識活化能，能用有效碰撞理論、過渡態(tài)理論解釋相關化學反應速率問題;

了解化學反應速率的不同測定方法，分析實際測定中的化學問題。

進階預期2進一步深化化學反應速率的概念，理解化學反應中“平均速率”和“瞬時速率”的意義;

理解濃度、溫度、壓強、催化劑等因素對化學反應速率的影響;

掌握化學反應速率的定量計算;

認識濃度-時間等相關速率圖像和曲線。

進階預期1掌握化學反應速率的表示方法，能進行簡單計算;

定量判斷各種類型的化學反應速率的大小關系;

了解化學反應速率隨時間的變化情況;

初步認識影響化學反應速率的因素。

1? 進階起點及素養(yǎng)預期

由于不同學習者對必修課程中化學反應速率相關內容的掌握程度有差異，教師可以設計相關教學前測內容來設定進階學習的起點，對教學內容的選擇、安排、難度進行統(tǒng)籌規(guī)劃。

[教學前測]（1）寫出影響化學反應速率的內因;（2）寫出各類外界因素對化學反應速率的影響;（3）知識遷移與應用： Ⅰ.對于Fe+2HClFeCl2+H2↑，改變下列條件對生成氫氣的速率有何影響？①增大鹽酸的濃度;②增大鐵的質量;③把鐵塊改成鐵粉;④加入氯化鈉固體;⑤加入醋酸鈉固體;⑥升高溫度;⑦滴入幾滴CuSO4溶液。

Ⅱ.對于反應N2（g）+O2（g）2NO（g），在恒溫恒容條件下進行，下列措施對化學反應速率有何影響？①縮小體積使壓強增大;②恒容充入He;③恒壓充入He;④加入催化劑。

教師針對某個教學班課前發(fā)放了39份教學前測，對前測結果進行了統(tǒng)計和分析?！爸R遷移和應用”有89.7%的學生回答正確，另有10.3%的學生對于個別因素還有疑惑，可見學生初步掌握了各種因素對化學反應速率的影響，基本上達成必修模塊的素養(yǎng)要求并能解決相關的簡單問題。在選擇性必修模塊中，進階學習可以以“表1”中的進階預期3和進階預期4為頂層設計，注重學生“變化觀念”“證據(jù)推理”和“模型認知”核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。基于學情的分析，選擇性必修模塊中本主題學生現(xiàn)有的核心素養(yǎng)要求和預設的進階預期列于表2。

表2? 主題核心素養(yǎng)的起點和進階預期

素養(yǎng)維度素養(yǎng)起點進階預期

變化觀念

平衡思想1. 初步形成化學變化是有條件的大觀念;

2. 認識反應條件對化學反應速率的影響;

3. 能分析化學變化的內因和變化的本質。1. 能運用反應原理分析影響反應速率變化的因素;

2. 體會變量控制方法的重要性;

3. 能運用化學變化原理和規(guī)律分析實際問題。

證據(jù)推理

模型認知1. 能理解、描述和表示化學反應速率中常見的認知模型;

2. 能推測各種因素變化時對化學反應速率的影響。1. 能對復雜化學問題的關鍵要素進行分析并構建相應的模型;

2. 能選擇不同的模型綜合解釋或解決復雜問題。

科學探究

創(chuàng)新意識能設計簡單的實驗方案，完成實驗操作，記錄實驗現(xiàn)象，形成實驗結論。1. 培養(yǎng)強烈的問題意識，獨立完成實驗，并基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進行分析和總結;

2. 能根據(jù)文獻和實際需要提出綜合性的解決方案，并能進行相關評價和優(yōu)化。

科學態(tài)度

社會責任初步形成了科學態(tài)度，意識到化學和社會發(fā)展的緊密關系。樹立將化學成果應用于生產、生活的意識，用化學理論解決實際化學問題。

2? 進階維度分析和核心教學流程設計

在選擇性必修模塊進階學習中，學生預期學會從內因與外因、量變與質變等多維度分析物質和化學變化，認識到化學反應變化是有條件的，用發(fā)展、變化、平衡的觀點預測某一特定條件下可能發(fā)生的化學反應變化。

2.1? 進階維度一： 碰撞理論模型建構

進階起點： 定性認識了濃度、溫度、壓強的變化對化學反應速率的影響。

核心素養(yǎng)預期： 構建碰撞理論模型;用碰撞理論來解釋三種因素對反應速率的影響;體會化學實驗中變量控制方法的重要性。

2.1.1? 核心教學內容設計

[情境設置]化學史短視頻： 1918年，路易斯運用氣體運動論的成果，提出了化學反應速率的碰撞理論。該理論認為，化學反應物分子間的有效碰撞是化學反應的先決條件。化學反應物分子間有效碰撞的頻率越高，反應速率越大。

[理論模型探索]構建碰撞理論模型和核心概念。設置問題鏈： （1）思考有效碰撞和化學反應的聯(lián)系;（2）思考有效碰撞的前提條件;（3）思考活化分子、活化能、活化分子百分數(shù)的概念。

[證據(jù)推理]2HI（g）H2（g）+I2（g），在973K、 1L密閉容器中，HI的濃度為1×10-3mol/L，反應物分子碰撞次數(shù)每秒3.5×1028次，如果每次碰撞都發(fā)生的話，反應速率為5.8×104mol/（L·s），但實驗測得實際反應速率為1.2×10-8mol/（L·s）。思考這些數(shù)據(jù)背后的化學問題。

[認知沖突]只有極少數(shù)的碰撞是有效的。深入理解活化分子的有效碰撞是化學反應的先決條件。

[變化觀念構建]思考哪些途徑可以改變活化分子的濃度來增加有效碰撞的頻率。

[科學實驗探究]學生分組進行硫代硫酸鈉與硫酸反應的實驗（見表3），體會變量控制在實驗中的重要作用。

實驗儀器： 50mL錐形瓶、燒杯、試管、溫度計、秒表、白紙

表3? 硫代硫酸鈉與硫酸反應實驗數(shù)據(jù)

錐形瓶編號0.1mol/L Na2S2O3溶液蒸餾水0.1mol/L H2SO4溶液反應時間/s反應溫度

110mL0mL10mL室溫

25mL5mL10mL室溫

310mL0mL10mL水浴

[理論模型應用]由表3實驗數(shù)據(jù)可知，增大硫代硫酸鈉溶液濃度和升高溫度都能加快反應速率。小組合作，嘗試用碰撞理論模型解釋化學反應速率加快的本質原因。

2.1.2? 學習障礙點分析及教學突破

學習任務障礙點一： 有效碰撞的核心概念。教學者抽取一位男生示范標準投籃動作并向其他同學分解投籃動作要領，從而類比遷移到有效碰撞發(fā)生的條件。學生通過生活的實際經驗聯(lián)想，明確足夠的能量和合適的取向是有效碰撞發(fā)生的必要條件，深入理解活化分子、活化能、活化分子百分數(shù)等核心概念。

學習任務障礙點二： 哪些途徑可以增加有效碰撞的頻率。學生在課堂學習中能合理解釋濃度增大引起單位體積內活化分子數(shù)增加，從而加快有效碰撞頻率。但在分析溫度升高這個因素時，學生無法用專業(yè)化學術語來解釋本質原因。教學者通過展示分子能量和分子百分數(shù)的正態(tài)分布曲線，直觀對比升溫后的正態(tài)分布曲線變化，引導學生明確在不改變反應物濃度的基礎上可以通過升溫來增加活化分子百分數(shù)，從而加快反應速率。

學習任務障礙點三： 學生小組合作，自主確定實驗操作環(huán)節(jié)和試劑添加順序。學生需要認真體會變量控制在科學實驗和研究中的重要作用，深切感知在實驗、生活、生產中，化學試劑、藥品的純度、濃度、溫度等各種因素對化學反應速率有重要影響。在學生充分的自主設計基礎上，教師適時指導學生完成科學實驗。

學習任務障礙點四： 有效碰撞理論的適用范圍。學生在理論和實驗分析的基礎上，學會了用碰撞理論解釋濃度和溫度的影響，但是對有效碰撞理論的適用范圍并不太清楚。教師可以引導學生嘗試用碰撞理論來解釋壓強、催化劑對化學反應速率的影響，從而引發(fā)新的認知沖突，用碰撞理論解釋催化劑的影響比較困難。

2.2? 進階維度二： 過渡態(tài)理論模型建構

化學動力學、熱力學對化學反應的速率和反應機理的研究有重要的作用，對進一步學習化學平衡等相關化學反應原理課程的進階學習有深遠的影響。

進階起點： 定性認識催化劑對反應歷程的影響;初步建構碰撞理論模型;能簡單運用化學反應原理分析影響化學反應速率變化的因素。

核心素養(yǎng)預期： 建構過渡態(tài)理論模型;用過渡態(tài)理論來解釋催化劑對反應速率的影響;能對復雜化學問題的關鍵要素進行分析并建構相應的模型。

2.2.1? 核心教學內容設計

[認知沖突]能否用碰撞理論解釋催化劑對化學反應速率的影響？

[情境設置]化學史（1）： 1930年，艾林提出了過渡狀態(tài)理論，1935年由A.G.埃文斯和M.波拉尼提出了“絕對反應速率理論（absoluterate theory）”。反應物分子并不只是通過簡單碰撞直接形成產物，而是必須經過一個形成高能量活化絡合物的過渡狀態(tài)，并且達到這個過渡狀態(tài)需要的一定的活化能，再轉化成生成物?；瘜W史（2）： 介紹1999年諾貝爾化學獎——美國科學家澤維爾教授用飛秒分光技術觀察化學反應的過渡狀態(tài)。

[理論模型探索]構建過渡態(tài)理論模型和核心概念。設置問題鏈： （1）思考科學家為什么會提出過渡態(tài)理論;（2）思考反應物到高能量過渡態(tài)，再從高能量過渡態(tài)到生成物的能量變化;（3）思考活化能高低對反應速率快慢的影響;（4）思考催化劑是通過什么途徑加快反應速率。

[理論模型歸納]小組合作，教師引導探討并繪制無催化劑和有催化劑條件下化學反應歷程與能量變化圖（見圖1），明確催化劑是通過降低反應活化能來增大化學反應速率的。

圖1? 無催化劑和有催化劑條件下化學反應歷程與能量變化

[前沿化學熱點介紹]催化劑是改變化學反應速率最有效的手段之一，工業(yè)上涉及的90%以上化學反應都使用催化劑。在環(huán)保領域，汽車尾氣凈化催化劑研發(fā)過程經歷了從貴金屬三效催化劑、稀土型摻雜型催化劑到復合金屬氧化物型催化劑的發(fā)展。

2.2.2? 學習障礙點分析及教學突破

學習任務障礙點一： 過渡態(tài)理論的適用范圍。催化劑對反應速率的影響是一個復雜的化學問題，教學者利用化學史情境引出認知沖突，反應物分子并不只是通過簡單碰撞直接形成產物，從而明確科學理論模型是不斷發(fā)展的，培養(yǎng)學生強烈而持久的求知欲和探索精神。

學習任務障礙點二： 反應活化能高低和反應速率的關系。教師引導學生從已有的熱化學知識出發(fā)，認識不穩(wěn)定的高能量過渡狀態(tài)，挖掘反應活化能與反應速率的關系。

學習任務障礙點三： 催化劑對化學反應速率的本質影響。學生無法直接理解反應物與催化劑形成中間產物，再由中間產物變?yōu)楫a物的總活化能，要比反應物之間直接反應生成生成物的活化能小得多。教師通過直觀數(shù)據(jù)對比，用圖示的方法將催化劑對反應過程的影響表征出來，從而明確催化劑通過降低反應的活化能，增加活化分子百分數(shù)的途徑來加快反應速率。

2.3? 進階維度三： 化學速率問題解決模型

進階起點： 初步建構了碰撞理論和過渡態(tài)理論模型;能簡單運用化學變化原理和規(guī)律分析實際問題。

核心素養(yǎng)預期： 能選擇不同的模型綜合解釋或解決復雜問題。

2.3.1? 核心教學內容設計

[理論模型應用1]有研究表明生成NaClO3的反應分兩步進行： Ⅰ.2ClO-ClO-2+Cl-; Ⅱ.ClO-2+ClO-ClO-3+Cl-。常溫下，反應Ⅱ能快速進行，但是氯氣與氫氧化鈉溶液反應很難得到NaClO3，試用化學反應原理解釋其原因。

[理論模型應用2]NO在空氣中存在如下反應： 2NO（g）+O2（g）2NO2（g）， ΔH<0。此反應分兩步進行： Ⅰ.2NO（g）N2O2（g）， ΔH1<0; Ⅱ.N2O2（g）+O2（g）2NO2， ΔH2<0。反應Ⅰ的反應速率數(shù)值較大，是一個快反應，而反應Ⅱ是一個慢反應。試用過渡態(tài)理論來確定哪步反應是反應速率的決速步驟，并繪制化學反應歷程與能量變化圖像。

[理論模型歸納]小組合作，用思維導圖來呈現(xiàn)影響化學反應速率的理論模型認知發(fā)展過程，見圖2。

2.3.2? 學習障礙點分析及教學突破

學習障礙點一： 對復雜化學問題關鍵要素進行分析，并選擇合適的理論模型。改編一道2016年浙江省普通高校招生選考化學科目考試題，原題指定用碰撞理論來解釋原因。教師刪除了指定條件，增加了問題難度，預期希望學生能對問題進行預判，選擇合適的理論分析問題。但學生的課堂反饋并未達到預期，說明理論模型的建構不到位。教師需要引導學生從碰撞理論的活化能、有效碰撞頻率角度來思考此問題，并且在后續(xù)教學中要強化復雜化學問題的關鍵要素分析。

學習障礙點二： 綜合化學問題的信息處理。應用2中，學生需要對化學問題進行文字圖像轉換“快反應反應速率快，圖像表征為活化能低;慢反應反應速率慢，

圖2? 影響化學反應速率的理論模型認知發(fā)展過程思維導圖

圖像表征為活化能高”。在思考多步反應中速率控制步驟時，教師應引導學生思考活化能高、比較難進行的反應是速率控制步驟，因此在實際生產中可以通過選擇慢反應的合適催化劑來加快總反應速率。

3? 進階學習發(fā)展水平評估及教學反思

一個新的理論、概念學習之后，教師需要設計一個完整的進階學習評價體系，包括課內的評價和課后的評價。為了評估學生對碰撞理論和過渡態(tài)理論模型的認知水平，筆者在授課結束后的課間對學生進行了簡要測試。后測問卷的編制主要是以表2核心素養(yǎng)的進階預期為依據(jù)，因課間時間限制，測試題為下列選擇題：

反應2N2O5（g）4NO2（g）+O2（g）經歷如下歷程： 第一步N2O5NO3+NO2，快速平衡;第二步NO2+NO3NO+NO2+O2，慢反應;第三步NO+NO32NO2，快反應。其中可近似認為第二步反應不影響第一步的平衡。下列表述正確的是? ? ? ? （填標號）。

A. v（第一步的逆反應）>v（第二步反應）

B. 反應的中間產物只有NO3

C. 第二步中NO2與NO3的碰撞僅部分有效

D. 第三步反應活化能較高

問卷發(fā)放39份，全數(shù)收回，結果顯示，53.85%的學生雙選完全正確，33.33%的學生單選C選項，另有7.7%的學生錯選D。后測結果顯示，學生初步完成了碰撞理論、過渡態(tài)理論模型的構建，能對相關問題基于反應原理角度進行判斷和分析，基本達成本主題核心素養(yǎng)的進階預期。

教師在課后還對不同層次發(fā)展水平的學生進行學習訪談，從學生的主體需求對本次教學進行了反思： （1）部分學生認為概念理解沒問題，但是對實際問題的分析無從入手，不知道選擇哪個模型進行分析;（2）部分學生認為課堂進展偏快，有些知識點還處于一知半解狀態(tài)，對概念、理論的講解還需要進一步深化;（3）部分學生覺得問題分析基本沒問題，但是用專業(yè)化學術語描述比較困難。因此，教師在本次課程結束之后，還需要設計基于原理的化學速率綜合問題的進階課程，以培養(yǎng)學生復雜化學問題的分析和解決能力。教師從“影響化學反應速率的因素”主題設計中，認識到進階學習的連貫性、科學性和發(fā)展性。進階學習可以呈現(xiàn)學生在學習、研究化學學科主題和概念時，逐步從簡單到復雜、從低水平到高水平、從陌生到熟練，對化學反應原理核心概念和理論系統(tǒng)的構建產生深遠影響。

參考文獻：

[1]Duschl R.， Maeng S.， Sezen A.. Learning progressions and teaching sequences： a review and analysis [J]. Stud. Sci. Educ.， 2011， 47（2）： 123～182.

[2]Gobert J.， Buckley B.. Introduction to modelbased teaching and learning in science education [J]. Int. J. Sci. Educ.， 2000， 22（9）： 891～894.

[3]Khan S.. Modelbased inquiries in chemistry [J]. Sci. Educ.， 2007， （91）： 877～905.

[4]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[5]劉晟， 劉恩山. 學習進階： 關注學生認知發(fā)展和生活經驗[J].教學學報， 2012，（4）： 81～86.