摘要： “化學反應中的能量變化”作為高中化學的重要內(nèi)容，主要承載著“變化觀念與平衡思想”這一化學學科核心素養(yǎng)?？剂亢头治霎斍啊盎瘜W反應中的能量變化”教學，發(fā)現(xiàn)其科學性及邏輯性都存在一定的問題，有必要加以改進和完善。為此，提出了相應的教學建議和研究啟示。

關(guān)鍵詞： 化學反應能量; 教學分析; 化學學科核心素養(yǎng)

文章編號： 10056629（2020）10004005

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

化學反應能量為學生認識化學變化提供了一個新的角度，是發(fā)展學生“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)的重要教學主題，因此，對“化學反應中的能量變化”這一教學內(nèi)容進行分析，具有重要的理論及實踐意義。

1 “化學反應中的能量變化”的教學分析

由于邏輯性與科學性是保證教學質(zhì)量最為基本的兩個前提，因此，從這兩個角度對“化學反應中的能量變化”的教學展開分析就顯得至關(guān)重要。

1.1 邏輯性分析

在實際教學中，“化學反應中的能量變化”的教學通常遵循以下邏輯（見圖1）。

首先，教師通常會指出化學反應過程中能量變化的本質(zhì)，即“在化學反應過程中，破壞舊化學鍵需要吸收一定的能量來克服原子（或離子）之間的相互作用，形成新化學鍵時又要釋放一定的能量”;其次，提供一些實驗用品，旨在使學生通過給定實驗用品，設計并實施實驗方案，借助溫度計來外顯化學反應中的能量變化，從而得出“每一個化學反應都伴隨著能量的變化，有的反應吸收能量，有的反應釋放能量”的結(jié)論，進而引出吸熱反應與放熱反應的概念;其三，從化學鍵的角度對化學反應過程中能量的變化及轉(zhuǎn)化進行分析，指出化學反應吸收、釋放能量取決于反應物與生成物總能量的相對大小;最后，通過列舉化學反應中能量變化（轉(zhuǎn)化）的應用，指出研究化學反應中能量的變化（轉(zhuǎn)化），對于社會發(fā)展以及科技進步都具有深遠的意義。

通過對上述教學邏輯進行分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

首先，溫度計測的是“溫度”，學生感受到的也只是溫度的變化，教師通常并不會明確指出溫度、熱量、熱能及能量之間的關(guān)系，而是會讓學生直接感受能量的變化，從溫度到能量之間實際上存在著熱量以及熱能等概念的銜接過程。Taber曾指出，有關(guān)能量形式的各種概念術(shù)語可能是導致學生對能量概念理解混亂的原因之一[1]。因此，如果不厘清這些相關(guān)概念之間的關(guān)系，學生很難通過化學反應的溫度變化得出化學反應伴隨能量變化這一結(jié)論。通過比較研究發(fā)現(xiàn)，國外《Fundamentals of Chemistry》及《Chemistry： the central science》等教材在編寫化學反應中的能量變化時，也都引入了熱能等相關(guān)概念來增強邏輯性。

其次，為了順利地引出吸熱反應與放熱反應的定義，教師往往會指出“每一個化學反應都伴隨著能量的變化，有的反應吸收能量，有的反應釋放能量”。顯然，這句話中提到的相關(guān)專業(yè)術(shù)語只有“能量”，而緊隨其后的吸熱反應與放熱反應的定義（化學上把最終表現(xiàn)為吸收熱量的化學反應叫作吸熱反應……把最終表現(xiàn)為釋放熱量的化學反應叫作放熱反應）中卻只字未提“能量”，而是將其悄然換成了“熱量”。因此，筆者認為，從“能量”到“熱量”略顯突兀，其間缺少適當過渡，從而可能會使學生在邏輯上無法理順“能量”與“熱量”的關(guān)系，也就難以得出“化學變化伴隨能量變化”的結(jié)論。

再者，在從化學鍵的角度對化學反應過程中的能量變化進行分析時，教師通常會指出：“在化學反應過程中，如果形成新化學鍵釋放的能量大于破壞舊化學鍵吸收的能量，就會有一定的能量以熱能、電能或光能等形式釋放出來……”，在此處首次提到“熱能”這一術(shù)語，而且并未明確指出“熱能”與前述的定義吸熱反應與放熱反應時的“熱量”的關(guān)系。此外，在此時才明確指出熱能、電能、光能等只是化學反應過程中能量變化的一種表現(xiàn)形式，在邏輯上稍顯“滯后”，這是因為在實驗探究部分，就已經(jīng)體現(xiàn)出能量轉(zhuǎn)化的思想。因此，這也表明教學的邏輯性有待增強。

最后，教師往往會先后指出化學反應過程中能量變化的原因有兩種，一種是形成新化學鍵釋放的能量與破壞舊化學鍵吸收的能量不等;另一種是反應物的總能量與生成物的總能量不等。那么，這兩種原因之間究竟是什么關(guān)系？是并列關(guān)系？還是遞進關(guān)系？一般情況下，教師很少會對這一系列問題給出明確答案，這就容易使學生對化學反應過程中能量變化的本質(zhì)產(chǎn)生認知沖突。

1.2 科學性分析

科學性是衡量教學質(zhì)量的另一重要指標。經(jīng)過分析，筆者發(fā)現(xiàn)，“化學反應中的能量變化”教學通常存在以下科學性問題：

首先，教師在教學中會指出：“在化學反應過程中，破壞舊化學鍵需要吸收一定的能量來克服原子（或離子）之間的相互作用，形成新化學鍵時又要釋放一定的能量”。由此，不難得出以下結(jié)論： 在化學反應中同時存在兩種過程： 一種是舊化學鍵的破壞，這一過程會吸收能量;另一種是新化學鍵的形成，這一過程會釋放能量。也就是說，同一化學反應過程既會吸收能量，也會釋放能量。然而，教師在語言表述及設置問題時，往往會暗示化學反應只存在一種過程，即化學反應過程只能是吸收能量或只能是釋放能量，如在提供多個反應的化學方程式后，讓學生判斷上述反應中，哪些是釋放能量的反應、哪些是吸收能量的反應、你還知道哪些吸收或釋放能量的反應，在引出吸熱反應以及放熱反應的概念前，提到“每一個化學反應都伴隨著能量的變化，有的反應吸收能量，有的反應釋放能量”等。顯然，以上各種表述方式所暗示的化學反應只能是釋放或吸收能量的觀點與化學反應中能量變化的本質(zhì)是矛盾的。歸根結(jié)底，出現(xiàn)上述科學性問題的原因主要是教師的語言表述不夠嚴謹，從而容易使學生形成將“吸收能量”與“釋放能量”分別簡單地等同于“吸熱反應”與“放熱反應”的錯誤認知。如果教師在表達以上觀點、提出以上問題時，能夠在前面加上類似其在吸熱反應和放熱反應的定義中所加的“最終表現(xiàn)為吸收熱量（或釋放熱量）”的字眼時，其科學性問題就會迎刃而解。

其次，用吸收（或釋放）熱量來定義吸熱反應（或放熱反應）本身還存在科學性錯誤。這是因為在熱傳遞過程中，傳遞能量的多少叫做熱量[2]。因此，能量是狀態(tài)量，而熱量是過程量[3]，在這個意義上，“吸收（或釋放）熱量”就表示“吸收（或釋放）能量的多少”，顯然，用吸收（或釋放）能量的多少來定義吸熱反應（或放熱反應）是不符合科學事實的。筆者認為，出現(xiàn)上述科學性問題的原因可能是專業(yè)詞匯的翻譯問題所導致的。在英文教材《Fundamentals of Chemistry》中提到： 系統(tǒng)中能量增加的過程叫作吸熱過程，能量減少的過程叫做放熱過程[4]?！禖hemistry： the central science》教材則指出： 熱能（heat）從環(huán)境流入系統(tǒng)的反應叫作吸熱反應，熱能從系統(tǒng)流入環(huán)境的反應叫作放熱反應[5]。在英文中，heat本身就是指一種能量[6]，表示熱能，而quantity of heat則表示熱量，熱能與熱量從根本上就是兩個不同的物理量。因此，結(jié)合國際上對熱量及熱能的表述方式及中國的語境，應該將吸熱反應和放熱反應的定義修改為： 化學上把最終表現(xiàn)為吸收熱能的化學反應叫作吸熱反應，把最終表現(xiàn)為釋放熱能的化學反應叫作放熱反應。

2 “化學反應中的能量變化”的教學建議

基于以上分析，不難發(fā)現(xiàn)“化學反應中的能量變化”教學的邏輯性及科學性都有必要加以改進和完善。因此，筆者嘗試對教學中存在的邏輯性及科學性等問題進行適當改進，重構(gòu)了教學邏輯結(jié)構(gòu)圖，并將之與前述教學邏輯結(jié)構(gòu)圖（圖1）進行對比，更加清晰明了地呈現(xiàn)修改前后的邏輯結(jié)構(gòu)（見圖2），以期對“化學反應中的能量變化”的教學有所裨益。

由圖2可知，重構(gòu)后的教學邏輯結(jié)構(gòu)圖與圖1所示的教學邏輯結(jié)構(gòu)圖相比，內(nèi)容并未減少，但每一環(huán)節(jié)所承載的教學功能都有所加強，邏輯線索更加清晰，主題更加聚焦。下面對重構(gòu)后的教學邏輯結(jié)構(gòu)圖進行詳細闡釋。

2.1 感受化學反應中的能量變化及其應用，認識化學反應中能量的變化及轉(zhuǎn)化

在教授“化學反應中的能量變化”這一內(nèi)容時，如果僅為學生提供一些傳統(tǒng)實驗用品，使學生根據(jù)給定用品設計并實施實驗方案，通過溫度計讀出化學反應發(fā)生前后的溫度，從而認識到化學反應伴隨有溫度的變化，那么，這樣的教學功能就僅僅局限于使學生認識到化學反應中會有溫度變化，而無法使學生感知到溫度變化對生活、生產(chǎn)實際的重要影響。因此，筆者認為，可以將實驗素材換成速熱火鍋或暖貼等與學生生活非常貼近的物品，

借助溫度計或通過觸摸來感受這些物品發(fā)生化學反應過程中的溫度變化。

如此才既能體現(xiàn)從生活走向化學，從化學走向社會的理念，又能最大程度地發(fā)揮實驗素材的教學價值，使學生認識到化學反應中有溫度變化的同時，體會到化學反應中溫度的變化對生活、生產(chǎn)實際所產(chǎn)生的影響和功能。

根據(jù)上述分析，學生的認識很難從化學反應中存在溫度變化順利過渡到化學反應過程中會有能量的變化。為此，教師可以結(jié)合學生初三物理課程所學到的Q=mcΔt這一公式，引導學生得出化學反應會伴隨熱量變化的結(jié)論。由于熱量指熱能傳遞的多少，而熱能是能量的一種類型，所以，化學反應都會伴隨能量的變化。如此，學生的認知路徑就會轉(zhuǎn)換為： 溫度→熱量→熱能→能量，只有這樣，學生才能從溫度變化的直觀感受順利過渡到對化學反應伴隨能量變化的理性認識，進而形成認識化學變化的兩個角度，即物質(zhì)變化和能量變化。

學生在認識到化學變化會伴隨能量變化的同時，其實也比較容易意識到這一變化過程也存在著不同能量之間的轉(zhuǎn)化，因此，可以在此時明確指出：“可將化學反應的過程看作‘儲存在物質(zhì)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化為熱能、電能或光能等釋放出來的過程，或者是熱能、電能或光能等轉(zhuǎn)化為物質(zhì)內(nèi)部的能量被‘儲存起來的過程”。當學生認識到化學反應過程中會有能量的變化及轉(zhuǎn)化時，才會產(chǎn)生了解化學反應中能量變化本質(zhì)的動機，此時，揭示化學反應中能量變化的本質(zhì)才能水到渠成。

2.2 理解化學反應中能量變化的原因，從熱能變化的角度判斷化學反應的類型

在“化學反應中的能量變化”的教學過程中，教師往往會提到化學反應過程中能量變化的原因有兩種，即形成新化學鍵釋放的能量與破壞舊化學鍵吸收的能量不等，以及反應物的總能量與生成物總能量不等。筆者認為，非常有必要明確指出化學反應中能量變化的本質(zhì)原因，并揭示出這兩種原因之間的關(guān)系。實際上，生成物的總能量是原子（或離子）重新組合的結(jié)果，也就是化學鍵斷裂及形成的結(jié)果。因此，反應物的總能量與生成物的總能量不等只是化學反應中能量變化的表面原因，而非本質(zhì)原因，其本質(zhì)原因為形成新化學鍵釋放的能量與破壞舊化學鍵吸收的能量不等。只有這樣，學生才能夠認識到化學反應中能量發(fā)生變化的不同層次的原因，進而能夠從新化學鍵形成釋放的能量與舊化學鍵破壞吸收的能量的相對大小，以及反應物與生成物總能量的相對大小兩個層面來分析化學反應過程中能量的變化。

根據(jù)化學反應中熱能的變化，可以將化學反應分為吸熱反應和放熱反應?；瘜W上把最終表現(xiàn)為吸收熱能的化學反應叫作吸熱反應;把最終表現(xiàn)為釋放熱能的化學反應叫作放熱反應。需要強調(diào)的是，學生學習吸熱反應與放熱反應的概念并非最終目的。從增加認識和解釋化學反應的角度出發(fā)，基于化學鍵的視角解釋某些化學反應的能量變化，進而落實“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養(yǎng)，才是學習這一內(nèi)容的價值所在。

3 研究啟示

3.1 加強教學的邏輯性

教學的邏輯性既表現(xiàn)為化學知識的發(fā)展應符合客觀的科學邏輯，也表現(xiàn)為化學知識的呈現(xiàn)順序要符合學生的認知發(fā)展邏輯。如果教學邏輯不符合化學知識發(fā)展的科學邏輯，就會違背化學發(fā)展史實，進而阻礙學生科學史觀的形成與發(fā)展;如果教學邏輯不符合學生的認知發(fā)展邏輯，則會加重學生的認知負荷及學業(yè)負擔，不利于學生對化學本質(zhì)的理解，進而阻礙學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。因此，在化學教學中，應以發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)為宗旨，依循學生的認知發(fā)展規(guī)律，組織化學教學內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，體現(xiàn)化學學科的本質(zhì)特征，反映化學學科的內(nèi)在邏輯，做到化學知識、化學方法、化學思想、化學觀念及科學精神的連貫性及一致性[7]。

3.2 加強教學的科學性

“化學學科理解”作為一個新概念，首次在國家政策文件——《普通高中化學課程標準（2017年版）》中提出，具有重要的意義[8]。化學學科理解指教師對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結(jié)構(gòu)化的認識[9]，其基礎(chǔ)是化學學科知識，關(guān)鍵是培養(yǎng)學科素養(yǎng)，歸宿是指向?qū)W科育人[10]。由此可見，加強教學的科學性是促進化學學科理解最為基礎(chǔ)，同時也是極其重要的一個要求。在“化學反應中的能量變化”這一內(nèi)容的教學過程中，由于各種原因?qū)е逻@一教學內(nèi)容存在科學性問題，其實也反映出教師對這一教學內(nèi)容尚未進行深入解讀，對這一內(nèi)容的學科理解不夠。因此，應該不斷提升教師的化學學科理解水平，提升化學教學的科學性。

3.3 突出教學的素養(yǎng)導向

化學教學的重要依據(jù)《普通高中化學課程標準（2017年版）》注重素養(yǎng)導向，以達成“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”等化學學科核心素養(yǎng)[11]為最終目標。如“化學反應中的能量變化”這一內(nèi)容的教學，并不以使學生掌握化學反應伴隨能量的變化這一事實為最終目的，而是以這一事實為載體，使學生能夠從能量變化的角度認識化學反應，這才是這一內(nèi)容所應重點發(fā)展的化學學科核心素養(yǎng)。同樣，盡管化學反應伴隨能量的變化這一學科知識承載著重要的素養(yǎng)要求，學生如不清楚這一事實背后的淺層原因及其本質(zhì)原因，核心素養(yǎng)要求也難以真正“落地”。

3.4 避免呈現(xiàn)不必要的化學概念

研究表明，每一個化學概念的背后往往都有一套相應的科學理論作為支撐。在中學階段，學生接觸到的化學理論有限，因此，應盡量避免呈現(xiàn)不必要的化學概念。美國科學教育研究者柳秀峰教授等[12]高度認可Taber和“科學教育框架”（美國國家研究委員會，2012）所提出的觀點，即科學教育共同體需要努力簡化有關(guān)能量的概念術(shù)語。在教授“化學反應中的能量變化”這一內(nèi)容時，教師提到的有關(guān)能量的化學概念有“能量”“熱量”“熱能”“化學能”等，魯科版教材[13]在編寫這一部分內(nèi)容時的處理方法值得借鑒。該教材并沒有直接出現(xiàn)“化學能”這一概念，因為有關(guān)化學能的專業(yè)術(shù)語背后的理論較為復雜，“化學能”的本質(zhì)在中學階段不要求學生掌握，因此，魯科版教材用“‘儲存在物質(zhì)內(nèi)部的能量”來代替“化學能”這一化學概念，就可以有效避免新的化學概念帶給學生不必要的認知負擔，同時，也達到了這一內(nèi)容所要求承載的素養(yǎng)目標。

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