“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”的教學(xué)分析與建議

摘要： “化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”作為高中化學(xué)的重要內(nèi)容，主要承載著“變化觀念與平衡思想”這一化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。考量和分析當(dāng)前“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”教學(xué)，發(fā)現(xiàn)其科學(xué)性及邏輯性都存在一定的問題，有必要加以改進(jìn)和完善。為此，提出了相應(yīng)的教學(xué)建議和研究啟示。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)反應(yīng)能量; 教學(xué)分析; 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

文章編號： 10056629（2020）10004005

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

化學(xué)反應(yīng)能量為學(xué)生認(rèn)識化學(xué)變化提供了一個(gè)新的角度，是發(fā)展學(xué)生“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)的重要教學(xué)主題，因此，對“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”這一教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分析，具有重要的理論及實(shí)踐意義。

1 “化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”的教學(xué)分析

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

1.1 邏輯性分析

在實(shí)際教學(xué)中，“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”的教學(xué)通常遵循以下邏輯（見圖1）。

首先，教師通常會指出化學(xué)反應(yīng)過程中能量變化的本質(zhì)，即“在化學(xué)反應(yīng)過程中，破壞舊化學(xué)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(xué)鍵時(shí)又要釋放一定的能量”;其次，提供一些實(shí)驗(yàn)用品，旨在使學(xué)生通過給定實(shí)驗(yàn)用品，設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，借助溫度計(jì)來外顯化學(xué)反應(yīng)中的能量變化，從而得出“每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)都伴隨著能量的變化，有的反應(yīng)吸收能量，有的反應(yīng)釋放能量”的結(jié)論，進(jìn)而引出吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)的概念;其三，從化學(xué)鍵的角度對化學(xué)反應(yīng)過程中能量的變化及轉(zhuǎn)化進(jìn)行分析，指出化學(xué)反應(yīng)吸收、釋放能量取決于反應(yīng)物與生成物總能量的相對大小;最后，通過列舉化學(xué)反應(yīng)中能量變化（轉(zhuǎn)化）的應(yīng)用，指出研究化學(xué)反應(yīng)中能量的變化（轉(zhuǎn)化），對于社會發(fā)展以及科技進(jìn)步都具有深遠(yuǎn)的意義。

通過對上述教學(xué)邏輯進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

首先，溫度計(jì)測的是“溫度”，學(xué)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(xué)生直接感受能量的變化，從溫度到能量之間實(shí)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(dǎo)致學(xué)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(xué)生很難通過化學(xué)反應(yīng)的溫度變化得出化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)中的能量變化時(shí)，也都引入了熱能等相關(guān)概念來增強(qiáng)邏輯性。

其次，為了順利地引出吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)的定義，教師往往會指出“每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)都伴隨著能量的變化，有的反應(yīng)吸收能量，有的反應(yīng)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(yīng)與放熱反應(yīng)的定義（化學(xué)上把最終表現(xiàn)為吸收熱量的化學(xué)反應(yīng)叫作吸熱反應(yīng)……把最終表現(xiàn)為釋放熱量的化學(xué)反應(yīng)叫作放熱反應(yīng)）中卻只字未提“能量”，而是將其悄然換成了“熱量”。因此，筆者認(rèn)為，從“能量”到“熱量”略顯突兀，其間缺少適當(dāng)過渡，從而可能會使學(xué)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(xué)變化伴隨能量變化”的結(jié)論。

再者，在從化學(xué)鍵的角度對化學(xué)反應(yīng)過程中的能量變化進(jìn)行分析時(shí)，教師通常會指出：“在化學(xué)反應(yīng)過程中，如果形成新化學(xué)鍵釋放的能量大于破壞舊化學(xué)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(yīng)與放熱反應(yīng)時(shí)的“熱量”的關(guān)系。此外，在此時(shí)才明確指出熱能、電能、光能等只是化學(xué)反應(yīng)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?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)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(xué)的邏輯性有待增強(qiáng)。

最后，教師往往會先后指出化學(xué)反應(yīng)過程中能量變化的原因有兩種，一種是形成新化學(xué)鍵釋放的能量與破壞舊化學(xué)鍵吸收的能量不等;另一種是反應(yīng)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(jìn)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(xué)生對化學(xué)反應(yīng)過程中能量變化的本質(zhì)產(chǎn)生認(rèn)知沖突。

1.2 科學(xué)性分析

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

首先，教師在教學(xué)中會指出：“在化學(xué)反應(yīng)過程中，破壞舊化學(xué)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(xué)鍵時(shí)又要釋放一定的能量”。由此，不難得出以下結(jié)論： 在化學(xué)反應(yīng)中同時(shí)存在兩種過程： 一種是舊化學(xué)鍵的破壞，這一過程會吸收能量;另一種是新化學(xué)鍵的形成，這一過程會釋放能量。也就是說，同一化學(xué)反應(yīng)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(shè)置問題時(shí)，往往會暗示化學(xué)反應(yīng)只存在一種過程，即化學(xué)反應(yīng)過程只能是吸收能量或只能是釋放能量，如在提供多個(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式后，讓學(xué)生判斷上述反應(yīng)中，哪些是釋放能量的反應(yīng)、哪些是吸收能量的反應(yīng)、你還知道哪些吸收或釋放能量的反應(yīng)，在引出吸熱反應(yīng)以及放熱反應(yīng)的概念前，提到“每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)都伴隨著能量的變化，有的反應(yīng)吸收能量，有的反應(yīng)釋放能量”等。顯然，以上各種表述方式所暗示的化學(xué)反應(yīng)只能是釋放或吸收能量的觀點(diǎn)與化學(xué)反應(yīng)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(xué)性問題的原因主要是教師的語言表述不夠嚴(yán)謹(jǐn)，從而容易使學(xué)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(yīng)”與“放熱反應(yīng)”的錯(cuò)誤認(rèn)知。如果教師在表達(dá)以上觀點(diǎn)、提出以上問題時(shí)，能夠在前面加上類似其在吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)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(shí)，其科學(xué)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(yīng)（或放熱反應(yīng)）本身還存在科學(xué)性錯(cuò)誤。這是因?yàn)樵跓醾鬟f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(gè)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(yīng)（或放熱反應(yīng)）是不符合科學(xué)事實(shí)的。筆者認(rèn)為，出現(xiàn)上述科學(xué)性問題的原因可能是專業(yè)詞匯的翻譯問題所導(dǎo)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]。《Chemistry： the central science》教材則指出： 熱能（heat）從環(huán)境流入系統(tǒng)的反應(yīng)叫作吸熱反應(yīng)，熱能從系統(tǒng)流入環(huán)境的反應(yīng)叫作放熱反應(yīng)[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(gè)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(yīng)該將吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)的定義修改為： 化學(xué)上把最終表現(xiàn)為吸收熱能的化學(xué)反應(yīng)叫作吸熱反應(yīng)，把最終表現(xiàn)為釋放熱能的化學(xué)反應(yīng)叫作放熱反應(yīng)。

2 “化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”的教學(xué)建議

基于以上分析，不難發(fā)現(xiàn)“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”教學(xué)的邏輯性及科學(xué)性都有必要加以改進(jìn)和完善。因此，筆者嘗試對教學(xué)中存在的邏輯性及科學(xué)性等問題進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，重構(gòu)了教學(xué)邏輯結(jié)構(gòu)圖，并將之與前述教學(xué)邏輯結(jié)構(gòu)圖（圖1）進(jìn)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(xué)反應(yīng)中的能量變化”的教學(xué)有所裨益。

由圖2可知，重構(gòu)后的教學(xué)邏輯結(jié)構(gòu)圖與圖1所示的教學(xué)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(xué)功能都有所加強(qiáng)，邏輯線索更加清晰，主題更加聚焦。下面對重構(gòu)后的教學(xué)邏輯結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行詳細(xì)闡釋。

2.1 感受化學(xué)反應(yīng)中的能量變化及其應(yīng)用，認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)中能量的變化及轉(zhuǎn)化

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

借助溫度計(jì)或通過觸摸來感受這些物品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過程中的溫度變化。

如此才既能體現(xiàn)從生活走向化學(xué)，從化學(xué)走向社會的理念，又能最大程度地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)素材的教學(xué)價(jià)值，使學(xué)生認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)中有溫度變化的同時(shí)，體會到化學(xué)反應(yīng)中溫度的變化對生活、生產(chǎn)實(shí)際所產(chǎn)生的影響和功能。

根據(jù)上述分析，學(xué)生的認(rèn)識很難從化學(xué)反應(yīng)中存在溫度變化順利過渡到化學(xué)反應(yīng)過程中會有能量的變化。為此，教師可以結(jié)合學(xué)生初三物理課程所學(xué)到的Q=mcΔt這一公式，引導(dǎo)學(xué)生得出化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)都會伴隨能量的變化。如此，學(xué)生的認(rèn)知路徑就會轉(zhuǎn)換為： 溫度→熱量→熱能→能量，只有這樣，學(xué)生才能從溫度變化的直觀感受順利過渡到對化學(xué)反應(yīng)伴隨能量變化的理性認(rèn)識，進(jìn)而形成認(rèn)識化學(xué)變化的兩個(gè)角度，即物質(zhì)變化和能量變化。

學(xué)生在認(rèn)識到化學(xué)變化會伴隨能量變化的同時(shí)，其實(shí)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(shí)明確指出：“可將化學(xué)反應(yīng)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(dāng)學(xué)生認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)過程中會有能量的變化及轉(zhuǎn)化時(shí)，才會產(chǎn)生了解化學(xué)反應(yīng)中能量變化本質(zhì)的動機(jī)，此時(shí)，揭示化學(xué)反應(yīng)中能量變化的本質(zhì)才能水到渠成。

2.2 理解化學(xué)反應(yīng)中能量變化的原因，從熱能變化的角度判斷化學(xué)反應(yīng)的類型

在“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”的教學(xué)過程中，教師往往會提到化學(xué)反應(yīng)過程中能量變化的原因有兩種，即形成新化學(xué)鍵釋放的能量與破壞舊化學(xué)鍵吸收的能量不等，以及反應(yīng)物的總能量與生成物總能量不等。筆者認(rèn)為，非常有必要明確指出化學(xué)反應(yīng)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(shí)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(xué)鍵斷裂及形成的結(jié)果。因此，反應(yīng)物的總能量與生成物的總能量不等只是化學(xué)反應(yīng)中能量變化的表面原因，而非本質(zhì)原因，其本質(zhì)原因?yàn)樾纬尚禄瘜W(xué)鍵釋放的能量與破壞舊化學(xué)鍵吸收的能量不等。只有這樣，學(xué)生才能夠認(rèn)識到化學(xué)反應(yīng)中能量發(fā)生變化的不同層次的原因，進(jìn)而能夠從新化學(xué)鍵形成釋放的能量與舊化學(xué)鍵破壞吸收的能量的相對大小，以及反應(yīng)物與生成物總能量的相對大小兩個(gè)層面來分析化學(xué)反應(yīng)過程中能量的變化。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)中熱能的變化，可以將化學(xué)反應(yīng)分為吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)。化學(xué)上把最終表現(xiàn)為吸收熱能的化學(xué)反應(yīng)叫作吸熱反應(yīng);把最終表現(xiàn)為釋放熱能的化學(xué)反應(yīng)叫作放熱反應(yīng)。需要強(qiáng)調(diào)的是，學(xué)生學(xué)習(xí)吸熱反應(yīng)與放熱反應(yīng)的概念并非最終目的。從增加認(rèn)識和解釋化學(xué)反應(yīng)的角度出發(fā)，基于化學(xué)鍵的視角解釋某些化學(xué)反應(yīng)的能量變化，進(jìn)而落實(shí)“變化觀念與平衡思想”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，才是學(xué)習(xí)這一內(nèi)容的價(jià)值所在。

3 研究啟示

3.1 加強(qiáng)教學(xué)的邏輯性

教學(xué)的邏輯性既表現(xiàn)為化學(xué)知識的發(fā)展應(yīng)符合客觀的科學(xué)邏輯，也表現(xiàn)為化學(xué)知識的呈現(xiàn)順序要符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展邏輯。如果教學(xué)邏輯不符合化學(xué)知識發(fā)展的科學(xué)邏輯，就會違背化學(xué)發(fā)展史實(shí)，進(jìn)而阻礙學(xué)生科學(xué)史觀的形成與發(fā)展;如果教學(xué)邏輯不符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展邏輯，則會加重學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷及學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)，不利于學(xué)生對化學(xué)本質(zhì)的理解，進(jìn)而阻礙學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。因此，在化學(xué)教學(xué)中，應(yīng)以發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為宗旨，依循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，組織化學(xué)教學(xué)內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)特征，反映化學(xué)學(xué)科的內(nèi)在邏輯，做到化學(xué)知識、化學(xué)方法、化學(xué)思想、化學(xué)觀念及科學(xué)精神的連貫性及一致性[7]。

3.2 加強(qiáng)教學(xué)的科學(xué)性

“化學(xué)學(xué)科理解”作為一個(gè)新概念，首次在國家政策文件——《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中提出，具有重要的意義[8]。化學(xué)學(xué)科理解指教師對化學(xué)學(xué)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(rèn)識[9]，其基礎(chǔ)是化學(xué)學(xué)科知識，關(guān)鍵是培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)，歸宿是指向?qū)W科育人[10]。由此可見，加強(qiáng)教學(xué)的科學(xué)性是促進(jìn)化學(xué)學(xué)科理解最為基礎(chǔ)，同時(shí)也是極其重要的一個(gè)要求。在“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”這一內(nèi)容的教學(xué)過程中，由于各種原因?qū)е逻@一教學(xué)內(nèi)容存在科學(xué)性問題，其實(shí)也反映出教師對這一教學(xué)內(nèi)容尚未進(jìn)行深入解讀，對這一內(nèi)容的學(xué)科理解不夠。因此，應(yīng)該不斷提升教師的化學(xué)學(xué)科理解水平，提升化學(xué)教學(xué)的科學(xué)性。

3.3 突出教學(xué)的素養(yǎng)導(dǎo)向

化學(xué)教學(xué)的重要依據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》注重素養(yǎng)導(dǎo)向，以達(dá)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(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[11]為最終目標(biāo)。如“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”這一內(nèi)容的教學(xué)，并不以使學(xué)生掌握化學(xué)反應(yīng)伴隨能量的變化這一事實(shí)為最終目的，而是以這一事實(shí)為載體，使學(xué)生能夠從能量變化的角度認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，這才是這一內(nèi)容所應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。同樣，盡管化學(xué)反應(yīng)伴隨能量的變化這一學(xué)科知識承載著重要的素養(yǎng)要求，學(xué)生如不清楚這一事實(shí)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(xué)概念

研究表明，每一個(gè)化學(xué)概念的背后往往都有一套相應(yīng)的科學(xué)理論作為支撐。在中學(xué)階段，學(xué)生接觸到的化學(xué)理論有限，因此，應(yīng)盡量避免呈現(xiàn)不必要的化學(xué)概念。美國科學(xué)教育研究者柳秀峰教授等[12]高度認(rèn)可Taber和“科學(xué)教育框架”（美國國家研究委員會，2012）所提出的觀點(diǎn)，即科學(xué)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(xué)反應(yīng)中的能量變化”這一內(nèi)容時(shí)，教師提到的有關(guān)能量的化學(xué)概念有“能量”“熱量”“熱能”“化學(xué)能”等，魯科版教材[13]在編寫這一部分內(nèi)容時(shí)的處理方法值得借鑒。該教材并沒有直接出現(xiàn)“化學(xué)能”這一概念，因?yàn)橛嘘P(guān)化學(xué)能的專業(yè)術(shù)語背后的理論較為復(fù)雜，“化學(xué)能”的本質(zhì)在中學(xué)階段不要求學(xué)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(xué)能”這一化學(xué)概念，就可以有效避免新的化學(xué)概念帶給學(xué)生不必要的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，同時(shí)，也達(dá)到了這一內(nèi)容所要求承載的素養(yǎng)目標(biāo)。

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