“四重表征”在“化學(xué)反應(yīng)速率”教學(xué)中的價值

摘要：從2007年至2012年間全國各省市地區(qū)共82份高考題人手，根據(jù)“四重表征”模式，對“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題進行統(tǒng)計分析。從統(tǒng)計分析結(jié)果可以看到這類高考題所體現(xiàn)的特點與“四重表征”緊密結(jié)合。結(jié)合“四重表征”模式，對“化學(xué)反應(yīng)速率”教學(xué)實施內(nèi)容與環(huán)節(jié)、實驗研究載體選取和探究方法設(shè)計提出了針對性建議。

關(guān)鍵詞：化學(xué)高考題；化學(xué)反應(yīng)速率；四重表征；教學(xué)

文章編號：1005-6629（2012）11-0058-04 中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：B

1、前言

“多重表征”作為化學(xué)學(xué)科獨特的表征模式，已經(jīng)取得了諸多研究成果。傳統(tǒng)的“三重表征”包括“宏觀表征”、“微觀表征”、“符號表征”。在此基礎(chǔ)上，錢揚義等人提出了“曲線表征”，將“三重表征”發(fā)展為“四重表征”，并經(jīng)過多項教學(xué)實踐研究，得到“四重表征”教學(xué)模式有助于加深學(xué)生對知識的認(rèn)識的結(jié)論。

“化學(xué)反應(yīng)速率”包括化學(xué)反應(yīng)速率的計算、比較，化學(xué)反應(yīng)速率影響因素的探究等內(nèi)容。以人教版高中化學(xué)教材為例，必修、選修模塊均涉及這一內(nèi)容。在選修教材《化學(xué)反應(yīng)原理》中，“化學(xué)反應(yīng)速率”為后續(xù)“化學(xué)平衡”的學(xué)習(xí)奠定了堅實的基礎(chǔ)，具有重要作用。

筆者統(tǒng)計了2007年至2012年六年全國各省、市、地區(qū)共82份高考試題中與“化學(xué)反應(yīng)速率”有關(guān)的試題。出現(xiàn)此類題目的高考試卷共54份，占65.85%之多?？梢?，“化學(xué)反應(yīng)速率”是較為常見的高考考點。

“化學(xué)反應(yīng)速率”的定量探究實驗涉及大量實驗數(shù)據(jù)，定性探究實驗則要求觀察對比組的現(xiàn)象變化。無論選取什么樣的實驗研究載體，無論將“化學(xué)反應(yīng)速率”的探究實驗設(shè)計成哪種類型，在探究過程中都涉及反應(yīng)現(xiàn)象觀察等宏觀表征、粒子濃度變化等微觀表征、方程式表述等符號表征。不僅如此，連續(xù)定量測定還涉及反應(yīng)的圖像曲線等曲線表征。由此可見，“四重表征”是研究化學(xué)反應(yīng)速率的重要表征模式，也是研究“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題重要的理論基礎(chǔ)和研究方法。

2、“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的研究方法

依據(jù)《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中對探究實驗的定義，可以將“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實驗劃分為“提出問題”、“猜想與假設(shè)”、“制定計劃”（設(shè)計方案）、“進行實驗”、“收集證據(jù)”、“解釋與結(jié)論”、“表達與交流”7個步驟。“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題也是就某一實驗研究載體，在這7個實驗步驟中設(shè)計試題。

根據(jù)錢揚義等人提出的“四重表征”定義分析各個實驗步驟可以發(fā)現(xiàn)，“四重表征”模式是“化學(xué)反應(yīng)速率”實驗研究的重要方法，表1為“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實驗各步驟涉及的表征形式。據(jù)此，筆者應(yīng)用“四重表征”模式，分析“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的特點。

3、“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的統(tǒng)計概況

《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在必修2專題2“化學(xué)反應(yīng)與能量”、選修4主題2“化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡”中對“化學(xué)反應(yīng)速率”知識點提出了內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)：

①通過實驗認(rèn)識、測定某些化學(xué)反應(yīng)的速率；

②知道化學(xué)反應(yīng)速率的定量表示方法；

③知道活化能對化學(xué)反應(yīng)速率的影響；

④通過實驗探究溫度、濃度、壓強和催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響，認(rèn)識其一般規(guī)律；

⑤認(rèn)識催化劑在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重大作用。

根據(jù)《化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對“化學(xué)反應(yīng)速率”的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，筆者將相關(guān)高考題界定為涉及以上內(nèi)容的試題?！盎瘜W(xué)反應(yīng)速率”高考題常與“化學(xué)平衡”內(nèi)容相結(jié)90但是在本研究中，筆者僅統(tǒng)計涉及“化學(xué)反應(yīng)速率”內(nèi)容的題目，共109小題，分散在70道大題中。題型包括填空、選擇、主觀問答、計算以及繪圖。通過統(tǒng)計2007年至2012年各年份“化學(xué)反應(yīng)速率”試題的題量（見圖1），發(fā)現(xiàn)題量大體呈上升趨勢，在2010年達到頂峰。

4 “化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的考查視角

根據(jù)“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實驗的一般步驟，筆者對“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的考查內(nèi)容進行分類，主要有實驗方案設(shè)計、實驗現(xiàn)象描述、曲線分析及曲線預(yù)測與繪制、化學(xué)反應(yīng)速率計算與比較、理論分析與微觀解析、實驗結(jié)論總結(jié)、方程式書寫等（見圖2）。

分析可知，“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題既考查學(xué)生設(shè)計實驗方案、描述實驗現(xiàn)象、總結(jié)實驗結(jié)論的“宏觀表征”能力，也考查學(xué)生進行理論分析與微觀解析的“微觀表征”能力，還考察學(xué)生書寫方程式、公式計算的“符號表征”能力以及曲線分析、預(yù)測、繪制的“曲線表征”能力?！盎瘜W(xué)反應(yīng)速率”高考題與“四重表征”模式緊密結(jié)合是這類題目的整體特點。

筆者應(yīng)用“四重表征”模式為理論基礎(chǔ)，又從研究載體、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式、考查方式等方面，進一步分析“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的特點。

4.1 研究載體多樣，不限反應(yīng)類型

“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題常以實驗為依托設(shè)計問題。其中所選擇的實驗研究載體，既有無機化學(xué)反應(yīng)、有機化學(xué)反應(yīng)等真實反應(yīng)，也有一類以A、B、C表示的虛擬反應(yīng)。

例如2011年重慶理綜卷第10題：一定條件下，下列反應(yīng)中水蒸氣含量隨反應(yīng)時間的變化趨勢符合下圖的是：

在這道典型的“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中，以無機化學(xué)反應(yīng)、有機化學(xué)反應(yīng)兩種類型多個反應(yīng)為研究載體，考查外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

而2011年全國卷28題的研究載體卻為“aA（g）+6B（g）=（催化劑）cC（g）（△H<0）”。這一類虛擬反應(yīng)不受反應(yīng)事實的限制，可根據(jù)考查需要“量身定制”。

可見高考題的研究載體不受反應(yīng)類型的限制，具有“研究載體多樣性”的特點，表2為相關(guān)高考題中研究載體的分布情況。

4.2 數(shù)據(jù)形式豐富，以圖像曲線為典型

數(shù)據(jù)采集是探究實驗中“收集證據(jù)”的重要子步驟。數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式又是多樣化的，包括：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，例如測得的反應(yīng)時間15 s；“字母代表”型數(shù)據(jù)，例如amol·L^-NaCl溶液；“文字描述”型數(shù)據(jù)，例如對實驗現(xiàn)象的描述；“圖像曲線”型數(shù)據(jù)，例如連續(xù)定量測定得到的圖像曲線等。

在70道“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中，有49道（70%）題目通過給出數(shù)據(jù)提出問題，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式的種類及其題量如表3所示。由統(tǒng)計結(jié)果可以看到，“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式具有多樣性，以“圖文并茂”的新面貌取代舊時呈現(xiàn)方式的單一性。

“曲線表征”是研究“化學(xué)反應(yīng)速率”重要的表征形式。在70道“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中，以“圖像曲線”呈現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的試題總共28道題（40%）?！矫?，在“化學(xué)反應(yīng)速率”定量探究實驗中，連續(xù)測量物理量在反應(yīng)過程中的變化情況，通過曲線上各點切線斜率的變化可以了解化學(xué)反應(yīng)速率的變化，也可以通過某一時段的物理量差值計算平均反應(yīng)速率，培養(yǎng)學(xué)生圖像信息采集與處理能力。另一方面，通過“曲線表征”認(rèn)識反應(yīng)，繪制反應(yīng)圖像曲線，要求學(xué)生聯(lián)系反應(yīng)的“宏觀表征”與“微觀表征”，由此培養(yǎng)學(xué)生的信息遷移能力。

以2009年福建省理綜卷化學(xué)部分28題為例：“Fenton法常用于處理含難降解有機物的工業(yè)廢水，通常是調(diào)節(jié)好pH和Fe²⁺濃度的廢水中加入H₂O₂，所產(chǎn)生的羥基自由基能氧化降解污染物。現(xiàn)運用該方法降解有機污染物p-CP，探究有關(guān)因素對該降解反應(yīng)速率的影響。

[實驗設(shè)計]控制p-CP的初始濃度相同，恒定實驗溫度在298K或313K（其余實驗條件見下表），設(shè)計如下對比實驗。

（1）請完成以下實驗設(shè)計表（表中不要留空格）。

[數(shù)據(jù)處理]實驗測得p-CP的濃度隨時間變化的關(guān)系如上圖。

（2）請根據(jù)上圖實驗①曲線，計算降解反應(yīng)在50～150 s內(nèi)的反應(yīng)速率：v（p-CP）=_______mol·L^-1·s^-1。

[解釋與結(jié)論]

（3）實驗①、②表明溫度升高，降解反應(yīng)速率增大。但溫度過高時反而導(dǎo)致降解反應(yīng)速率減小，請從Fenton法所用試劑H202的角度分析原因：__________。

[思考與交流]

（5）實驗時需在不同時間從反應(yīng)器中取樣，并使所取樣品中的反應(yīng)立即停止下來。根據(jù)上圖中的信息，給出一種迅速停止反應(yīng)的方法：__________________。

這一道“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題以“曲線表征”形式反映反應(yīng)過程。基于圖像曲線數(shù)據(jù)，考查學(xué)生推測、設(shè)計實驗方案，讀取數(shù)據(jù)計算反應(yīng)速率，從微觀角度分析曲線變化趨勢，并得出結(jié)論——這是一份完整的實驗報告，重在考查學(xué)生“四重表征”的遷移、轉(zhuǎn)化能力。

這一類考查“曲線表征”能力的題目是“化學(xué)反應(yīng)速率”、“化學(xué)平衡”、“化學(xué)反應(yīng)過程能量變化”等反應(yīng)原理試題特有的。在70道“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中共有19道“曲線分析、預(yù)測與繪制”題，出現(xiàn)頻率較高。

4.3 考查方式多樣，多重角度進行表征

由“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題各主要考點的題量統(tǒng)計結(jié)果看到，在70道涉及“化學(xué)反應(yīng)速率”的高考題中，有49道（70.0%）題目涉及反應(yīng)速率的計算、比較，考查學(xué)生化學(xué)反應(yīng)速率的定量計算、定性比較能力，出現(xiàn)頻率最高。根據(jù)“四重表征”模式，定量計算化學(xué)反應(yīng)速率的公式屬于反應(yīng)速率的“符號表征”。

反應(yīng)速率的計算、比較在“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中的考查方式是多樣的，包括“直接給出數(shù)據(jù)進行計算”、“要求學(xué)生從數(shù)據(jù)表格中讀取數(shù)據(jù)并計算”、“要求學(xué)生從圖像曲線提取數(shù)據(jù)并計算”以及“根據(jù)理論定性預(yù)測反應(yīng)速率的大小”。通過不同的考查方式考查學(xué)生多種表征方式間的轉(zhuǎn)化能力以及數(shù)據(jù)處理能力，2009年福建省理綜卷化學(xué)部分28題第（2）小題便是“要求學(xué)生從圖像曲線提取數(shù)據(jù)并計算”的典型例子。

筆者統(tǒng)計各種考查方式在這49道高考題中的出現(xiàn)次數(shù)，發(fā)現(xiàn)“要求學(xué)生從數(shù)據(jù)表格中讀取數(shù)據(jù)”、“要求學(xué)生從圖像曲線提取數(shù)據(jù)”兩種考查方式出現(xiàn)頻率較高（見表4）。

在“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中其他考點的考查方式也同樣具有多樣性的特點，這是“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實驗可從多重角度進行表征的性質(zhì)所決定的。

5、研究結(jié)論與啟示

5.1 “化學(xué)反應(yīng)速率”高考題研究的結(jié)論

從2007年至2012年六年間全國各省、市、地區(qū)的82份高考卷中與“化學(xué)反應(yīng)速率”相關(guān)的70道高考題來看，其特點為：

（1）‘化學(xué)反應(yīng)速率”高考題涉及的研究載體豐富而不限類型，甚至包括虛擬反應(yīng)；

（2）但無論是何種實驗類型，高考題的考查內(nèi)容均依據(jù)實驗設(shè)計；

（3）研究發(fā)現(xiàn)，曲線是“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題中兩種主要的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式之一。與此同時，對曲線的分析是這一類高考題重要的考查方式之一。

除此之外，“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實驗作為高中階段經(jīng)典定量實驗，“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題還考查學(xué)生實驗方案設(shè)計、實驗現(xiàn)象描述、實驗結(jié)論總結(jié)的“宏觀表征”能力，理論分析與微觀解析的“微觀表征”能力，方程式書寫、公式計算的“符號表征”能力。

總體而言，“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題與“四重表征”緊緊聯(lián)系，其中“曲線表征”又體現(xiàn)了尤為突出的地位。

5.2 “化學(xué)反應(yīng)速率”的教學(xué)實施建議

5.2.1 對“四重表征”模式教學(xué)實施的建議

根據(jù)本研究得出的結(jié)論，“四重表征”是“化學(xué)反應(yīng)速率”探究實驗的重要研究方法，高考題與之緊密聯(lián)系?！八闹乇碚鳌蹦Ｊ揭矊⑹恰盎瘜W(xué)反應(yīng)速率”教學(xué)重要的教學(xué)模式。

在教學(xué)過程中，可適當(dāng)?shù)卦鲈O(shè)曲線繪制、曲線分析等教學(xué)內(nèi)容，豐富“化學(xué)反應(yīng)速率”實驗的探究方式，并將“曲線表征”教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)中的“宏觀表征”、“微觀表征”、“符號表征”緊密聯(lián)系。既可以培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)速率的多重表征能力，也可以培養(yǎng)學(xué)生不同表征間的轉(zhuǎn)化、遷移能力，由此加深學(xué)生對“化學(xué)反應(yīng)速率”內(nèi)容的理解及掌握程度。

以“影響反應(yīng)速率的因素”內(nèi)容為例，實驗教學(xué)可設(shè)置表5所示教學(xué)環(huán)節(jié)的建議，實施“四重表征”教學(xué)模式。

5.2.2 對教學(xué)中實驗研究載體選取的建議

筆者對人教版教材中涉及“化學(xué)反應(yīng)速率”的相關(guān)章節(jié)進行分析，統(tǒng)計各個探究實驗方案的研究載體，除了草酸與高錳酸鉀的反應(yīng)，其余都是無機化學(xué)反應(yīng)。而草酸與高錳酸鉀的反應(yīng)能否歸類于有機反應(yīng)還有很大爭議。教材中實驗載體的單一性，常常限制教師的教學(xué)。而“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題的研究載體確實是豐富而多變的。根據(jù)這樣的啟示，教師可根據(jù)學(xué)生的知識能力水平設(shè)計其他反應(yīng)類型的實驗方案，引導(dǎo)學(xué)生加深對化學(xué)反應(yīng)原理的理解。

例如乙酸乙酯水解反應(yīng)受溫度影響較為明顯，可設(shè)計為探究“溫度對反應(yīng)速率的影響”的實驗。人教版選修教材《有機化學(xué)基礎(chǔ)》第三章第3節(jié)第二部分“科學(xué)探究”，通過限時定量測定對比組液面高低變化，探究溫度、溶液酸堿度對反應(yīng)速率的影響。此外，王立斌等人運用手持技術(shù)儀器連續(xù)測定乙酸乙酯水解反應(yīng)，探究濃度、溫度對反應(yīng)的影響。

5.2.3 對教學(xué)中實驗探究方法設(shè)計的建議

“化學(xué)反應(yīng)速率”高考題已不拘泥于定性實驗探究，還突出了實驗的“曲線表征”。根據(jù)這一特點，培養(yǎng)學(xué)生“曲線表征”能力不僅需要適當(dāng)增加“曲線表征”教學(xué)環(huán)節(jié)，還應(yīng)對學(xué)生的實驗活動進行方法指導(dǎo)、培養(yǎng)。

在傳統(tǒng)實驗儀器的條件下，可將部分簡單定量實驗開發(fā)成連續(xù)定量測量實驗。以鋅與稀硫酸、雙氧水的分解等有氣體產(chǎn)生的實驗為例，可參考選修教材《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章第1節(jié)實驗2-1的裝置，定時記錄注射器或其他氣體體積測量裝置的讀數(shù)變化，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制成V-t曲線，并進一步完成對比組的曲線繪制。

隨著現(xiàn)代連續(xù)定量測量儀器走進課堂，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生運用先進儀器，突破傳統(tǒng)儀器的局限，實現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)測量，并繪制曲線。而“手持技術(shù)”儀器不僅可以完成曲線繪制，還可以同步記錄反應(yīng)現(xiàn)象，輔助“四重表征”教學(xué)。