高中化学教材中热化学内容的比较研究_化学反应论文

高中化学教材中热化学内容的比较研究,本文主要内容关键词为:教材论文,高中化学论文,内容论文,热化学论文,此文献不代表本站观点,内容供学术参考,文章仅供参考阅读下载。

      热化学是研究伴随化学变化(和物理变化)而发生能量变化的学科。热化学从能量角度解释化学反应发生的可能性,预测反应发生的方向性,是判断反应能否发生的重要理论依据。高中阶段热化学知识的学习可以让学生认识到化学反应伴随着能量变化、化学反应具有方向性,是学生认识化学反应与能源关系的起点,同时让学生认识到化学反应不再局限于研究化学反应的物质变化,而是可以从能量的角度认识化学变化,并且对反应能否发生做出准确判断,更深层次地理解化学反应和化学现象,形成完整的化学观念,提高学生分析和解决化学问题的能力[1]。高中学生接触热化学知识会感到这部分内容与先前学习的关于具体物质的性质与结构等知识有很大差异。热化学知识理论性强、概念多且抽象、公式多且推导繁琐复杂,学习此部分知识要求学生具有一定的物理、数学基础。这些特点使学生学习此部分内容时深感困难,教师讲授时也觉得比较吃力[2]。各国化学教育工作者在热化学的教学上都做了大量的探索[3-5]。教材是教和学的重要资源,对教学活动起支撑作用,是学生学习的阅读材料。设计科学合理的教材可以有效提高教学质量与学习效率。本文选择基础教育发达的五个国家的主流高中化学教材为对象,对比分析其热化学知识的选择、编排与呈现特点,为我国高中化学教材这部分内容的编写以及高中教师的教学提供借鉴。

      一、研究对象

      本文选取研究的高中化学教材依次为:人民教育出版社2007年《化学2(必修)》[6]、《化学反应原理(选修4)》[7](中国),Glencoe/McGraw-Hill出版公司2009年《Chemistry:Concepts and Applications》[8](美国),天才教育出版社2011年《化学Ⅱ》[9](韩国),Pearson Education South Asia Pte Ltd(培生教育出版集团南亚洲有限公司)2007年《CHEMISTRY INSIGHTS(O-Level)》[10](新加坡),Pearson Longman(培生教育集团旗下朗文出版公司)2004年《Longman GCSE Chemistry》[11](英国)。

      二、内容选取的比较

      对中国、美国、韩国、新加坡和英国高中化学教材中热化学具体内容进行了统计。高中化学教材中的热化学知识包括认识化学反应中的能量变化和判断化学反应方向两方面内容。

      1.化学反应与能量变化

      对五个国家高中化学教材热化学内容(化学反应与能量变化)的统计见下页表1。学生认识化学反应与能量变化关系的基础是理解能源、系统、焓和能量变化的有关内容。能源是产生能量的物质,是学生接触热化学的开山之石。上述国家除英国高中化学教材外都给出了能源的概念;研究能量的变化必然涉及对环境与体系能量交换传递的认识。韩国高中化学教材给出了系统概念;焓和焓变是热化学的核心概念,化学反应的能量变化是用焓和焓变来描述刻画的。上述国家高中化学教材都把焓和焓变作为重点内容介绍,都给出了焓、焓变和键焓的概念。韩国高中化学教材还分别给出了中和焓、燃烧焓、生成焓、标准生成焓、溶解焓的概念;我国高中化学教材给出了中和焓与燃烧焓的概念;美国教材给出燃烧焓的概念。吸热反应、放热反应与热化学方程式是化学反应与能量变化的重点内容,每个国家高中化学教材对该内容都做了详细介绍。对于化学反应的能量变化的计算,各个国家高中化学教材的侧重点不同:我国、韩国、新加坡、英国高中化学教材展示了利用键焓计算反应的能量变化;我国与韩国高中化学教材中给出了盖斯定律;美国、韩国、英国高中化学教材中还呈现了通过比热容计算反应的能量变化。我国、美国和韩国高中化学教材中都给出了能量守恒定律。除了英国,其他四个国家的高中化学教材中都介绍了活化能的概念。

      

      2.化学反应的方向性

      对五个国家高中化学教材热化学内容(化学反应的方向与限度)的统计见表2。熵与吉布斯自由能是学生判断化学反应方向性的两个基础概念。我国、美国和韩国高中化学教材中给出了熵的定义与熵增加原理。韩国高中化学教材详细介绍了熵变,吉布斯自由能的公式、来源与意义等,阐述了焓变与熵变对反应自发性的影响,重点介绍了吉布斯自由能与温度的关系,给出判断反应方向性的概念体系。我国高中化学教材在视野拓展模块给出吉布斯自由能的公式及其应用。美国高中化学教材在章节的最后简单介绍了判断反应的自发性要考虑焓变与熵变,并列举不同情况下反应的自发性情况,但没有明确给出吉布斯自由能的概念与公式。韩国高中化学教材中化学反应方向性的内容难度远超其他四国。新加坡与英国高中化学教材没有涉及这方面的内容。

      三、内容编排的比较

      中国、美国、韩国、新加坡与英国高中化学教材热化学内容的章节分布见下页表3。

      从表3可以看出,美国、韩国和英国高中化学教材热化学内容分布在一章中。美国、英国高中化学教材分两个小节介绍热化学内容,都侧重化学反应与能量变化,都在第一小节呈现化学反应能量变化的基本概念,在第二节呈现化学反应热的计算。韩国高中化学教材热化学内容编排细致,分三节编排:一节详细介绍化学反应与能量变化,一节介绍能量守恒、熵变与化学反应的自发性,最后一节介绍化学反应的自发性与自由能。可以看出,韩国高中化学教材很重视化学反应的方向性。我国、新加坡高中化学教材热化学内容分布在多个章节。新加坡把燃料与能源单独放在一章;我国高中化学教材中关于热化学的内容分布在必修和选修两大模块,并且把熵变与判断反应自发性的内容放在了化学反应速率和化学平衡这一章,于化学平衡的内容之后。

      

      四、呈现特点的比较

      由于热化学知识抽象复杂,学生理解比较困难,所以教材中内容的呈现化抽象为具体、变复杂为明晰就显得尤为重要。

      对于化学反应与能量变化这部分内容,韩国高中化学教材的呈现方式是值得借鉴的。例如,韩国高中化学教材有系统的概念,在呈现这部分内容时,编者利用碗装泡菜、保温密封杯和矿泉水瓶等图片引入开放系统、封闭系统与半开放系统,通过源于生活的实例帮助学生建立系统这一抽象概念;在焓与焓变的内容呈现方面,韩国高中化学教材给出全面的键焓数据,帮助学生感知键焓概念。在具体介绍燃烧热时,韩国和美国高中化学教材都用图片呈现氧弹式量热计的内部结构和测量方法,我国高中化学教材给出的是酸碱中和热的测定实验。美国高中化学教材呈现吸热反应与放热反应内容时给出情境,如由生活中拍照发生能量的变化、冷热袋的工作原理,引导学生感知吸热反应与放热反应的现象,建立吸热反应与放热反应的概念。在盖斯定律的呈现上,韩国高中化学教材利用氧化钙分别与盐酸、水反应,氢氧化钙与盐酸反应的能量变化图,让学生通过探究对盖斯定律有更深刻的认识。我国高中化学教材在讲盖斯定律时给出一张登山路径与到达的高度没有关系的图片作为类比,直接给出盖斯定律的概念。美国与新加坡高中化学教材中活化能介绍得比较详细,两国高中化学教材都以图片的形式给出活化能与吸热反应、放热反应的关系图。对于这部分内容,美国高中化学教材重视将化学与日常经验和社会生活紧密联系起来,且在正文中使用了大量的疑问句、设问句型,引发学生的认知冲突,激发学生自己去探究,更加注重启发学生。生活化、口语化的语言形式拉近了教材与学生的距离。

      

      化学反应的方向性这部分内容要求的学习水平较高,大部分学生很难理解熵及吉布斯自由能的含义。熵增加原理的呈现上,我国高中化学教材用“有序排列的火柴散落时成为无序排列比较容易”类比;美国高中化学教材用“扑克牌洗牌后会变混乱的可能性大而排列很整齐的情况可能性很小”类比,二者有异曲同工之妙;韩国高中化学教材这部分内容使用了大量微观粒子图,例如,冰、水、水蒸气的微观粒子图表示不同状态水分子的混乱程度,用这三者之间的相互转化来解释熵及熵增加原理,还用图片展示了环境熵变与体系熵变在不同情况下总熵变的情况。在吉布斯自由能内容的呈现上,韩国高中化学教材运用趣味漫画来呈现,降低了学习难度。

      (1)化学反应与能量变化是高中化学教材热化学的重点内容。韩国高中化学教材热化学内容较深,化学反应的方向性也是热化学的重点内容。

      (2)热化学内容抽象、难懂,各国高中化学教材这部分内容的呈现各具特点:英国高中化学教材这部分内容突出能力训练,创设情境引导学生学会反应热的计算;美国高中化学教材注重以生活实例让学生感知热化学现象,通过热化学实验让学生认识热化学原理并在生活中加以运用,如食物热量的测量;韩国高中化学教材中热化学内容呈现注重知识由感性到理性,将热化学抽象的概念和知识点用易于感知、容易理解且更具吸引力的形式呈现给学生。

      六、对我国高中教材热化学内容的编写建议

      1.注重热化学知识的系统性与连贯性

      奥苏贝尔的概念同化理论指出学生概念的转换是建立在前概念之上的。热化学内容抽象,概念很多且各个概念之间关系复杂、互相递进,所以在教材中有序地呈现热化学知识就显得尤为重要。我国高中化学教材将热化学的内容安排在必修2与选修4中,必修2中对于热化学的内容仅从总能量变化的角度讲了吸热反应、放热反应,只能让学生对化学反应伴随能量变化有感性的认识;在选修4中再给学生讲键焓、反应热的计算等内容。这样的安排表面上来看是体现了知识的螺旋上升,但是概念关联间隔时间太长,无法起到相互促进的作用,容易导致学生死记硬背,不利于达到学习效果,缺乏系统性的设计也会造成事倍功半。笔者建议,相关概念联系起来编排。

      我国高中化学教材把熵与判断化学反应的自发性的内容放在“化学反应与能量”变化的下一章节“化学平衡”中。熵变是热化学的重要内容,化学平衡有关概念要建立在化学反应方向性的基础上,且反应的方向性与焓变等概念有密切关系,可以考虑在学习了焓变之后紧接着学习熵与化学反应的方向性。建议我国高中化学教材应在不增加教材难度的情况下,充分考虑学生的认知规律,知识点层层推进,注重知识的系统性、连贯性。

      2.注重设计热化学实验

      化学是一门以实验为基础的学科,热化学实验能够让学生直观地感受到化学反应与能量变化的关系。在热化学实验方面,我国高中化学教材给出的是酸碱中和热的测定实验,该实验操作与步骤较为简单,仅用碎塑料泡沫绝热,很难完全阻止热量的散失,最终测定的结果可能存在较大误差。这样的设计虽然简化了实验仪器与实验步骤,但不利于培养学生科学严谨的化学学习态度。建议设计更加规范科学的热化学实验,考虑选取氧弹式量热计测定热量的变化,并让学生计算该反应过程中的热量变化,既能让学生获取精确可靠的实验结果,也能让学生掌握热量测定的原理和反应热计算的原理。美国化学教材设计的实验是测定食物中的卡路里,选用的是氧弹式量热计,实验内容的选择更加贴近生活。我国教材也可以考虑设计一些有关热化学的趣味实验,提高学生化学学习兴趣。

      3.体现亲和力,加强趣味性,贴近生活

      教材文字的书写如果以第二人称的方式来编写,可以让学生读起来像是与人对话,增加亲和力;同时,教材中引用生活中的实例,可以让学生体验到所学知识在生活中的价值。再有,对于抽象的知识点,如熵、焓等,可以加入微观粒子图、漫画等,用插图的形式直观呈现知识点。总之,教材设计应考虑降低学生认知负荷,解决学生的认知困难,让学生体会到化学不是一门难掌握的学科,化学就在我们身边,去除学生对化学望而生畏的心理,增加其学习兴趣与自信。

标签:;  ;  ;  ;  

高中化学教材中热化学内容的比较研究_化学反应论文
下载Doc文档

猜你喜欢