BOPPPS模型在化学核心概念建构教学中的实践
—以“变量思想在阿伦尼乌斯公式中的应用”为例
【设计说明】
本节课设计内容选自《化学反应原理》第2章第3节“化学反应的速率”教材栏目追根寻源“对活化能本质的认识”中的阿伦尼乌斯公式,本节课以核心概念“阿伦尼乌斯公式”的建构,统摄活化能、过渡态、催化剂、速率方程、温度、浓度等次级概念,通过阿伦尼乌斯公式中的变量进行探究,运用数学模型进行定量分析,从学科本质上深入理解外界条件是如何定量影响反应速率,从而学会调控化学反应。在核心概念建构教学中,消除对活化能、速率方程等概念的错误认知,体会科学探究的发展历程,发展学生理论模型构建、变量控制思想、演绎推理、系统假设和高阶思维能力,提升“科学探究与创新意识”、“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养。
本课时设计思路如下:
任务线 问题线 知识线 驱动线 设计意图
温度和反应速率常数两者的定量关系 1.哪个公式能定量表达温度和反应速率常数两者的定量关系? 阿伦尼乌斯公式及各参数的意义 温度是如何影响速率常数;升高温度,活化能如何变化,如何修正阿伦尼乌斯公式 从阿伦尼乌斯公式中的参数分析影响变量。通过活化能与温度的关系分析阿伦尼乌斯公式存在的缺陷;建立数学分析模型
2.阿伦尼乌斯公式是完美的吗?需要修正吗? 温度升高活化能变小
活化能、催化剂与速率常数k关系 3.降低活化能的物质一定能加快反应速率吗? 催化剂在催化反应中起双重作用 通过数据计算确定变量主次 培养学生基于信息借助数学工具解决问题的能力,培养变量意识。
4.为什么工业生产中更重视催化剂对速率的影响? 温度不可能无限制提高,耗材和成本角度 活化能降低不代表一定作催化剂 培养学生归纳与论证能力;基于真实情境解决问题的能力。
5.阿伦尼乌斯公式中为什么没有浓度这个物理量? k与浓度无关;反应速率与速率常数是两个不同概念
如何定量表达浓度与速率间的关系? 6.哪个方程能表达浓度与速率间的定量关系? 反应级数、基元反应 速率方程与基元反应、碰撞理论之间的关系 培养学生建立数学模型解决化学问题的能力
7.如何将阿伦尼乌斯公式和速率方程结合,创新出一个新的速率方程? 将速率方程中的k换成阿伦尼乌斯公式
【教学及评价目标】
1. 能从定量的角度理解温度、催化剂、浓度对反应速率的影响。
2. 通过阿伦尼乌斯公式、速率方程等的应用,诊断并发展学生变量思想在解决复杂问题中的价值。
3.通过数学模型的建立,发展学生利用数学工具解决化学问题的思维模式。
【教学过程】
教学环节 驱动问题与任务 教师活动 学生活动 设计意图
引入 猜一猜这位诺贝尔奖获得者的名字? 讲述阿伦尼乌斯毕业论文不被赏识到最终获得诺贝尔奖的经历 倾听与思考 让学生要从理性的高度大胆挑战权威并自我认可和积极争取。
温度对反应速率常数k的影响 哪个公式能定量表达温度和反应速率常数两者的定量关系? 引出阿伦尼乌斯公式 理解公式中的各个参数,并分析温度升高,速率常数k的变化 1.根据阿伦尼乌斯公式,定量分析温度对k的影响。2.对活化能越大,改变温度对反应速率的影响程度越大,知其所以然。3.借助数学模型,分析化学变量。
CO2(g)+2CH3OH(g) CH3OCOOCH3 (g) + H2(g),以lnk为纵坐标,以为横坐标,画出图像,分析问题 引导学生将阿伦尼乌斯公式进行对数变形,根据数学模型,作出两条直线,对比分析 学生作图并分析曲线斜率代表的含义、活化能大的曲线、升高温度对活化能大的影响更大
活化能对反应速率常数k的影响 1.温度会影响活化能吗?2.活化能减小,反应速率一定加快吗?3.为什么工业生产中更重视催化剂对速率的影响?4.若催化剂在可逆反应中也起双重作用,如乙酸乙酯制备实验中浓硫酸作催化剂和吸水剂,浓硫酸能提高反应的转化率吗?5.活化能降低速率一定加快吗? 引导探究1.活化分子的平均能量与全部反应物分子平均能量之差称为活化能。温度升高,反应物分子平均能量增大而活化分子的平均能量不变,则活化能如何变?2.阿伦尼乌斯公式是完美的吗?需要修正吗?3.催化剂在催化反应中起双重作用:一是降低活化能,使反应容易进行。二是减少碰撞次数使反应速率减慢。(给出支持信息)4.根据阿伦尼乌斯公式计算理论活化能至少降低多少才能起到催化作用? 1.基于问题引导,结合已有经验作出判断。2.通过问题探究,思考公式的不足之处和公式的使用条件。3.通过评价试题,体会催化剂参与两个过程对转化率的影响。4.结合教师给出的支持信息,通过计算,分析变量碰撞频率对结果的影响,体验数学知识在化学解题中的价值。将结论应用到催化剂与温度对速率常数k的影响在实际工业生产中的应用。 1.从活化能与温度的关系分析阿伦尼乌斯公式存在的缺陷,体会科学进步。2.结合碰撞频率因子,通过数学计算得出满足条件,培养学生运用数学工具解决化学问题的能力。3.通过催化剂的双重作用,分析转化率问题,培养变量思想。基于数据,培养学生归纳与论证能力和证据推理核心素养。
浓度对反应速率的影响浓度对反应速率的影响 1.阿伦尼乌斯公式中为什么没有浓度这个物理量? 1.引导学生回顾影响速率常数的因素 1.速率常数是单位浓度下测得的,与浓度无关 1.明确速率常数和化学反应速率是两个不同概念。2.理解速率方程、碰撞理论、活化能研究的都是基元反应
2.怎么定量表达浓度与速率间的关系? 引出速率方程,给出基元反应和非基元反应表达式的不同 理解反应级数,结合数学分析,级数与图像关系
3.如何将阿伦尼乌斯公式和速率方程结合,创新出一个新的速率方程? 引导学生综合分析,创新融合 学生创造新公式 3.体验探索乐趣。学会利用整合思想进行归纳学习。4.在认知矛盾冲突中,通过变量思想,基于问题本身逆向思维,得出正确结论,避免学习过程机械记忆。
4.结合新的速率方程分析,当温度升高,浓度下降,反应速率变大、变小还是无法确定,判断的依据是? 通过学生对试题分析,引导从变量角度理解决定因素,强化变量思想。 通过评价试题4的练习,体会变量思想
概况总结 1.变量思想在本节课如何体现的? 构建变量思想概念图 感悟、反思学习过程 1.强化变量思想和变量意识,形成思维模型2.培养学生自我反思和语言表达能力。体验科学在不断进步,知识在不断更新,培养终身学习的意识。
2.建构主义认为:知识是人们对客观世界的一种解释、假设或假说,将随着人们认识程度的深入而不断地变革、深化,出现新的解释和假设。 结合本节课的学习,让学生谈体会 学生谈感悟
成果应用 学习过程中由于未知变量的存在,导致已知结论与原有认知冲突,请以案例报告的形式呈现:问题、困惑、解决方案、总结原因。 教师展示问题 学生课后书写案例报告 通过案例总结,延伸课堂教学价值,体会变量思想的普遍性,增强学习了动力。
【教学反思】
(1)BOPPPS模型在化学核心概念教学中的价值
BOPPPS模型是一种教学模式,这种教学模式以建构主义和交际法为理论依据,以有效教学设计著称,它强调学生的参与和反馈。BOPPPS模型突出了参与式学习,强调学习者在课堂中的主动角色,通过对教与学的时时反馈作出及时调整。BOPPPS模型将课堂教学划分为导言、学习目标、前测、参与式学习、后测、总结六个阶段,使教师更关注学生的学,提高教学效率,提升教学效果。
(2)核心概念为本的教学
阿伦尼乌斯公式核心概念建构教学基于学生认知能力和经验,逐渐进阶发展,拓展了学生视野,提升了现场学习力,培养了学生变量思想,深化了学生基于学科本质理解化学问题。
建构了“一核五线”式核心概念教学模型。一核:教学活动紧紧围绕核心概念阿伦尼乌斯公式发展学生素养展开。五线:分别指的是“情境线”、“思维线”、“活动线”、“概念线”、“素养线”。“情境线”以阿伦尼乌斯获诺贝尔奖的故事展开,进行情境教学;接下来根据学生的认知发展特点从阿伦尼乌斯公式中提出问题让学生思考形成“思维线”;然后指导学生带着问题进行活动形成“活动线”,学生在参与活动后得出相应的结论,由此形成“概念线”,完成理论知识的教学目标;最后学生再根据得到的概念原理来解决问题。
(3)体现了建构主义教学设计的7原则:
1. 以学生为中心,发挥学生的主观能动性。
2. 包括教师在内的学习环境支持学习自主学习、协作学习。
3. 以变量引发的认知冲突等问题作为学习的核心驱动源。
4. 强调问题要在真实的情景中展开。
5. 意识到学习任务的复杂性,提供学习资源、认知工具和帮助等内容。
6. 注重非量化的整体评价。
7. 设计不同的自主学习策略,使学习能够在学生主体中顺利进行
(4)多个维度发展了学生的化学核心素养
以“变量思想在阿伦尼乌斯公式中的应用”为例活动思维路线设计:从问题驱动、问题探究、寻找证据、建构模型到实践应用,将核心概念与情境、活动和问题解决融为一体,注重学生自主建构、合作探究和问题解决等学习活动的设计,促进学生化学学习方式的转变,体现了学科育人价值和学科本质价值,发展了学生证据推理与模型认知、科学探究与创新意识的学科素养。