从教材到教学的研究——以“化学反应的方向”为例，本文主要内容关键词为：化学反应论文,为例论文,方向论文,教材论文，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。
与以往的教材不同，高中化学新教材《化学反应原理》（选修4）新增了有关化学反应方向的教学内容。根据体系存在着力图使自身能量趋于“最低”和从“有序”变“无序”的自然现象，提出了用相互关联的焓判据和熵判据解决化学反应的方向问题，要求学生理解变化和稳定是相互对立的，化学变化需要在一定条件下进行。使学生对化学变化有了更深层次和全面性的认识，主动构建、发展自己的知识体系，进一步构建能量转化观念和微粒观念。
一、3套教材中“化学反应的方向”编排特点
在执行新课标的过程中，各版新教材编写安排有所不同：如有关内容编写的先后顺序及知识内容进退详略有所不同，教学栏目名称设置及知识点处理方式有所差异，但各版新教材体现的思想旨意及学科内涵是一样的。
1.鲁科版《化学反应原理》教材中“化学反应的方向”编排特点
以学生十分熟悉的汽车尾气的治理为切入点，引导学生探讨反应焓变与化学反应方向的关系，使学生认识反应放热有利于反应自发进行，同时探讨碳酸钙的分解反应并结合固体硝酸铵、氢氧化钠、氯化钠及蔗糖的溶解现象得出熵增加有利于反应的自发进行。然后讨论焓变与熵变对反应方向的共同影响。最后让学生从焓变和熵变角度认识用于汽车尾气净化的反应，从而建立了体系能量趋于“最低”和体系从“有序”变“无序”的概念。
2.人教版《化学反应原理》教材中“化学反应的方向”编排特点
教材从学生已有的知识和生活经验出发，以学生熟悉的自发进行的放热反应为例，介绍焓变对反应方向的影响，以生活现象为例，介绍熵变对反应方向的影响。然后让学生分析要正确地判断化学反应的方向，需要综合考虑焓变和熵变的复合判据。最后简单介绍了自由能判据的结论性内容。
3.苏教版《化学反应原理》教材中“化学反应的方向”编排特点
教材首先从室温下冰的融化、瀑布从高处落向低处等自然变化的方向性，引出化学反应的方向性，并结合一些自发反应实例，得出焓变是判断反应是否能自发进行的因素之一。其次通过消石灰与氯化铵反应的实验，结合混乱度不同的房间及火柴图片，得出体系的混乱度是判断反应能否自发进行的另一个重要因素。最后，从知识结构完整性和科学性的角度，教材介绍了综合考虑焓变ΔH和熵变ΔS判断化学反应能否自发进行的规律，为向化学专业发展的学生进一步的学习作好铺垫。
二、“化学反应的方向”教学案例分析
“化学反应的方向”教学设计很多，但许英慧老师发表于《化学教学》2008年10期的教学设计比较有代表性，通过大量生活经验和实验探究建立概念：以人教版教材为基础，参考苏教版、鲁科版教材，以围绕着研究化学反应的方向的意义为情感主线，使学生明白研究一个化学反应在给定条件（通常指温度、压强）下能否自发进行以及在什么条件下有可能按预期的方向发生，为研究和设计新的化学反应提供理论依据，从而满足人类生存和发展的需要，以自发反应有能量趋于“最低”和从“有序”变“无序”的趋势为知识主线，使学生对化学变化有了更深层次和全面性的认识。
三、化学反应的方向教学论问题分析
1.一般认知观点
认识新知识与旧知识之间的联系，并把新知识纳入自己已有的学科知识结构之中，是学生主动构建知识体系的必由之路。普遍比较接受的观点是，需要从学生已有的知识和生活经验出发，通过问题层层分析，得出判断化学反应方向的依据（焓变和熵变）。从自然界中水由高处往低处流、石头从山坡上滚下等角度入手，引导学生分析某些自发反应的能量变化，它们都有明显的自发性并且自发进行后体系的能量降低，得出反应焓变ΔH＜0是反应能自发进行一个重要因素。从实验探究（如氯化铵与消石灰反应）和固体（如硝酸铵、氢氧化钠、氯化钠、蔗糖等）能自动溶解于水，从而得出体系的混乱度是判断反应能否自发进行的另一个重要因素，微粒排布从相对有序过渡到相对无序状态有利于反应自发进行（即熵变ΔS＞0），从而建立反应体系趋于稳定性的观念。
2.学生认识发展障碍点分析
（1）如何让学生理解一定条件
在一定条件下无需外界帮助就能自动进行的反应，称之为自发反应。一般认为一定条件指的是一定温度和压强，值得注意的是，一定条件并不指常温，否则就可能导致判断的错误。如认为①锌和硫酸铜溶液的反应是自发的；而认为②氧气与氢气的反应及③碳酸钙的分解就是非自发的反应。事实上，3个反应都是自发反应，只不过①是常温下的自发反应，且反应速率较快；②也是常温下的自发反应，不过反应速率很慢；而③是高温下的自发反应。也可以通过氯化铵加热分解实验加强学生对一定条件的了解，氯化铵加热分解成氨气和氯化氢气体（吸热反应），常温下氨气和氯化氢气体化合成了氯化铵晶体（放热反应），都是自发反应。
（2）如何让学生理解“外界的帮助”
什么样的“帮助”是“外界的帮助”？通常的反应条件比如“点燃”、“加入催化剂”等等，算不算“外界的帮助”呢？“外界的帮助”这句话中，指的是为反应体系提供能量。“帮助”并不是指提供反应发生的温度和压强等反应条件，也不是点燃、使用催化剂等等。一定的温度、一定的压强是反应所需要的条件。很多场合下，提高温度，往往是为了加速反应。
从热力学角度分析，“外界的帮助”指的是对体系做“有用功”。例如，水的分解在常温常压下是不自发的，但通电，为体系提供电能，可以使水分解成
和
。电解反应都是非自发反应，“通电”对体系做有用功，使反应在常温常压下得以进行。而原电池反应是自发的氧化还原反应，它能对外作电功。
（3）如何理解自发反应与发生反应的区别
自发反应是从热力学的角度研究化学反应自发进行的可能性；而发生反应是从动力学的角度研究化学反应，与反应机理和速率有关。在100kPa和298.15K的条件下，和反应生成水是自发的，但实际上在常温、常压条件下，和混合无论经过多长时间，几乎不反应，不见有水生成。如果点燃或加热到800℃以上则爆炸（迅速反应）。在氢氧燃料电池里，在催化剂铂、钯等的作用下，和也能以很快的速度反应，并提供电能。
（4）如何让学生建立体系趋于稳定性的科学观念
学生在学习化学反应的方向之前必须认识到变化与稳定是相互对立的，化学变化需要在一定条件下进行。体系存在着力图使自身能量趋于“最低”和从“有序”变为“无序”的自然现象。这是自然现象，是普遍规律。这部分知识在大学物理化学要进行系统的学习，基于学生目前的认知水平，有一定的难度。
四、基于观念建构的教学设计
学习中获得的学科观念指学生通过对学科中某一领域的学习所获得的对该领域的总观性的认识和理解。从广义范畴看待知识，这种认识和理解也可称作观念性知识。这种观念或观念性知识是在学科具体性知识的基础上通过不断地概括和提炼形成的，它对学生的学习和发展都能发挥重要的、持久的迁移作用。化学基本观念包括微粒观、元素观、分类观、物质转化观、能量观和反应限度观等，这是功能化和方法化的核心概念、基本原理。
1.以观念建构为本的教学内容分析
体系存在着力图使自身能量趋于“最低”和从“有序”变“无序”是本节内容的核心观念。知识间的层级关系如下页图1。
2.以观念建构为本的教学设计
以苏教版《化学反应原理》专题2第二单元“化学反应的方向”为例。
（1）构建能量转化观
从自然界中水由高处往低处流的自然现象引入，再通过锌与稀硫酸反应的实验探究（观察到锌块表面有气泡，感受到烧杯外壁发热），让学生分析其共同特点是自发进行，体系能量从高到低转化。提出观点：在一定条件下无需外界帮助就能自动进行的反应，称之为自发反应。联系教材第40页“你知道吗”栏目探讨反应焓变与化学反应方向的关系。达成共识：体系存在着力图使自身能量趋于“最低”的倾向，这是自然现象，是普遍规律。引导学生从能量角度分析ΔH＜0有利于化学反应的自发进行，进而构建能量转化观念。
（2）构建微粒观
从氯化铵与消石灰的反应实验探究入手（教材第40页“观察与思考”栏目，该反应有气体产生，体系温度降低，热能转化为化学能），结合固态硝酸铵、氢氧化钠、氯化钠和蔗糖溶解于水的实验（固态硝酸铵的溶解是吸热，氢氧化钠的溶解是放热，而氯化钠和蔗糖溶解过程的焓变微乎其微），进而引起质疑，说明焓判据不足以全面说明反应的自发性，即决定化学反应自发进行一定还有其他因素。然后分析氯化钠溶于水后微粒排布变化：钠离子和氯离子由规则的排列变为能在水中自由地运动，并从微粒排布的角度分析有气体生成其实也是体系的混乱度增加。得出结论：上述自发进行的过程的共同点是微粒排布明显从相对有序状态过渡到相对混乱状态。引导学生从微粒角度分析混乱度增加即熵增加（ΔS＞0）有利于自发进行，从而得出体系的混乱度是判断反应能否自发进行的另一个重要因素，进而构建微粒观。
五、讨论及建议
1.增加研究“化学反应的方向”的意义的内容
现代社会从环境保护、可持续发展以及循环经济等角度对化学家们不断提出更高的要求（如有机合成的“绿色合成思想”）。为了满足人类生存和发展的需要，化学家们需要不断地设计和研究新的化学反应。在引入新课时对此内容应进行激情的解说，以唤醒学生的主体意识，使学生能积极主动地学习和研究化学反应。例如，引入与人类的生活密切相关的汽车尾气处理[2NO（g）+2CO（g）=
]的讨论，使学生明白研究化学反应不仅要解决化学反应的方向问题（热力学角度），而且要解决化学反应速率问题（动力学角度），对化学变化有更深层次和全面性的认识。
2.使学生了解熵变与生命的意义
把水洒在地上，水就会渗到泥土里，自然界的自发过程总是从有序走向无序，然而生命系统也是自然界的一部分，怎么会从中产生高度有序的生命体？热力学第二定律告诉我们，一个与外界没有物质和能量交流的封闭体系，它的熵只能增加，不能减少，也就是我们理解的混乱度增加。但是，生命有机体却是一个开放体系，它不断地吃、喝、呼吸，又不断地排泄（新陈代谢），生命体与外界不断有物质和能量的交流，在这种交流中，它一面从外界摄入低熵的物质，一面向外界排出高熵的物质，使有机体维持在低熵状态。薛定谔说新陈代谢的本质就是使有机体成功地消除自身内部不断产生的正熵，一旦生物有机体同他生存所必需的环境隔离开来，成为一个孤立系统，那么有机体就会死亡、腐烂，走向无序。