高中化学人教版选修四《以Fe3+催化过氧化氢分解机理为例的项目式学习》教学设计

以Fe3+催化过氧化氢分解机理为例的项目式学习
教学设计
——基于化学学科核心素养培养的实验探究
一、教学与评价目标
1.
教学目标
（1）通过实验体验催化剂能够加快化学反应速率。
（2）通过实验探究Fe3+对过氧化氢分解催化的机理，测定不同催化剂下反应路径的改变是否对化学反应反应热造成改变，完善过氧化氢分解的能量变化图像。
（3）通过实验仪器、实验试剂的研究改进，促使学生领会研究化学问题的方法。
（4）通过制作负载Fe3+的硅胶颗粒并验证效果，体验“学以致用”，增强社会责任感。
2．评价目标
（1）通过对实验装置设计方案的交流与点评，诊断并发展学生的实验探究水平（定性水平）。
（2）通过对“反应路径的改变确实不会改变反应热”的感知与分析，诊断并发展学生对催化分解过程的能量变化图像的认识进阶（宏观现象、微观认识）以及认识思路的结构化水平（视角水平、内涵水平）。
（3）通过对实验试剂改进（负载Fe2O3、MnO2等难溶颗粒物）方案的提出及实施，诊断并发展学生对化学价值的认识水平（学科价值视角、社会价值视角、学科和社会价值视角）。
二、教学与评价思路
Ⅰ宏观现象
化学科学实践
科学探究与创新意识
实验设计
诊断实验探究水平
Ⅱ微观本质
化学科学思维
宏观辨识与微观探析
证据推理与模型认知
发展知识关联结构化水平
发展认识思路结构化水平
Ⅲ问题解决
化学科学价值
科学态度与社会责任
体现社会价值的
方案的评价与选择
三、教材与学情分析
1.
教材分析
本实验项目选自人教版高中化学教材选修4——《化学反应原理》。
新课程标准要求：通过实验探究催化剂对化学反应速率的影响，认识其一般规律。
2.
学情分析
学生在初中化学学习中最早接触到了催化剂的概念——在化学反应里能改变反应物化学反应速率（一般是提高）而不改变化学平衡，且本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质。但是这个概念使学生产生了一个较大的误解，大多数学生认为催化剂在改变化学反应速率时是不参加化学反应的，学生更不可能知道有中间体的存在；此外，概念中也完全没有提及催化剂的工作原理，使学生对此概念感觉“神秘莫测”。
在高中化学必修2模块中，【实验3-3】探究乙醇的催化氧化过程中使用了铜丝作为该实验的催化剂，实验中铜丝经历先变黑、后恢复红色的过程，实际上CuO便是该催化过程的中间体，但是基于该内容承载的有机物性质，教师通常忽略了对催化机理的分析。事实上，在很多时候我们会将该过程主要表示为：CH3CH2OH+CuO→CH3CHO+Cu+H2O，这也是教教学中不重视催化机理教学的一种体现。
在高中化学选修4模块中，催化剂被再次重提，这一次则被表述为“降低反应的活化能”，对于相当一部分学生来说则更显得抽象难懂。教材中为了解释催化剂参与过程中的能量变化，在原有曲线的下方绘制了一条光滑的曲线，但回避了（不能反映）催化反应中（过程中）物质能量的真实变化情况，学生依然不能准确理解催化剂的工作原理。
四、理论依据和设计理念
1.?教学设计的理论依据——化学学科核心素养的培育
化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、变化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。
普通高中《化学课程标准》（2017版）中指出，学生应该能从元素和原子、分子水平认识物质的组成、结构、性质和变化，形成“结构决定性质”的观念。能从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。
化学实验是化学教学的重要组成部分，也是学生建构化学学科素养的必经之途。尤其在《化学反应原理》模块的学习中，学生需要在原有对化学反应速率的表观认识逐步深入到微观层面的认知。只有借助深入的实验探究，学生才可能实现从宏观辨识到微观探析、通过实验证据的推理形成对化学抽象理论的模型认知。
2．教学设计理念——关注学生“痛点”，重视实验的项目式学习
在日常的教学中，学生难免会遇到一些不能准确、深刻理解的概念和原理，即所谓学生的“痛点”。应该注意到，化学实验是帮助学生理解陌生化学情景的最有效途径，教师在完成课标要求的演示实验之余，如果能够关注学生的“痛点”，引导学生设计合适的化学实验来解释学生学习中困惑，对于学生的化学学习肯定是大有裨益。正如北京师范大学王磊教授在其编写的《中学化学实验及教学研究》一书中提出：作为一名化学教师，不仅自己要能研究实验，更要引导学生用实验来探究化学。
采用项目式学习的理念，基于学生存在的问题，鼓励学生提出问题并设计实验探究来解决问题。在项目式学习的过程中，学生可以不断提出新的问题，然后形成对这一主题比较全面的解决办法和实践。
五、实验器材
1.
仪器和设备：温度传感器
2.
药品及试剂：H2O2溶液、FeCl3溶液、MnO2固体、铁氰化钾溶液、盐酸等
??
3.?实验教学过程
教学环节
实验教学设计
现象及结论
环节一问题的提出催化剂之惑
【回顾、整理】回顾初中化学对催化剂的定义；结合高中化学选修4的有关内容——催化剂可以改变化学反应的路径，降低反应的活化能。【设问】催化剂参加了化学反应吗？催化剂如何改变化学反应的路径？【演示实验】（1）展示质量分数为30%的过氧化氢溶液；（2）取20mL过氧化氢溶液，向其中加入少量MnO2固体粉末；（3）取20mL过氧化氢溶液，向其中加入10mL过氧化氢溶液。
（1）【现象及结论】过氧化氢在常温下不易发生分解；（2）【现象及结论】过氧化氢迅速分解，产生大量气泡，携带MnO2固体粉末形成烟雾；表明MnO2固体能高效催化过氧化氢的分解。（3）【现象及猜想】FeCl3溶液的颜色由黄色立即转变为蓝紫色，溶液中生成气泡并逐渐加快，当不再生成气泡时溶液恢复黄色
【猜想】猜想一：?
催化剂参与了化学反应，
Fe3+可能被还原为了低价态的Fe2+,也可能被氧化成了高价态的未知离子
猜想二：过氧化氢的分解是分步骤进行的，催化剂通过参与反应而改变了反应的路径
环节二追踪中间体检验二价铁
【实验设计一】【小结】H+是除了二价铁之外的两一个中间体，反应过程中H+的改变会影响溶液的pH大小；请设计实验来证明。
【现象及结论】加入Fe3+作为催化剂后，过氧化氢的分解是分两步进行的；根据氧化还原反应的理论，用方程式表示第一步：2Fe3++H2O2=2
Fe2++O2+2H+
第二步：2Fe2++H2O2+2H+=2
Fe3++2H2O
环节三完善催化机理关注pH的变化
【实验设计二】【实验教学总结】第一：催化剂参加反应
。Fe3+作为催化剂，既是反应物，也是生成物；
Fe2+和H+是中间体。
第二：反应机理
第三：不同催化剂（Fe3+和MnO2）决定了不同的反应路径，则其催化效率也不同
。
【现象及结论】结论1：?
三组实验中溶液的pH数值均先减小，后增大，最终恢复到初始数值。表明H+是反应的中间体
结论2：
加入的过氧化氢的体积越大，则反应速率会加快，pH下降也越多。表明过氧化氢越多，则反应生成的H+浓度更大
六、实验教学的组织及创新亮点
实验教学是养成学生化学科学素养的必要手段，本次实验的创新着眼于提升学生微观探析、模型认知等方面的素养，并培养学生善于创新，注重绿色环保等思想。本实验设计的创新点主要有如下四方面（两个基于、两个重视）：
1、基于学生的问题。学生对催化剂的有关概念和其工作原理存在困惑，教师通过引导学生设计实验来探究催化剂的反应机理。
2、基于项目式的学习。充分调动学生已有的化学知识，体验实验中：观察→猜想→实验→分析结论的过程。
3、重视学生活动。引导学生自主思考、设计并进行实验。
4、重视数字实验的应用。应用前沿、较为精确的手持技术，使实验过程更高效、准确；培养学生关注实验数据，能够从实验数据中获取可信结论。
5、此外，本次实验设计所使用的试剂和仪器都是当前中学实验室里常规易得的，操作的过程并不复杂，很利于师生推广模仿，并在此基础上进行进一步的拓展和创新。
七、实验总结和反思
本实验过程能够较好的证明催化剂能够通过参加化学反应改变原化学反应的路径，且通过向中间反应液中滴加铁氰化钾证明反应过程中过Fe3+转变成了Fe2+，且在反应结束后恢复为Fe3+，即说明该分解过程包含两个步骤（第一步：2Fe3++H2O2=2
Fe2++O2+2H+，第二步：2Fe2++H2O2+2H+=2
Fe3++2H2O）；进而教师引导学生关注反应过程中溶液pH的变化，用pH传感器来检测pH数值的变化，从而完善了催化机理。
实验过程中仍有一些突出的困难，比如环节一中必须等待过氧化氢充分分解之后Fe3+才能恢复，配制氯化铁溶液时若加酸过多则不利于催化过氧化氢的分解；学生对于pH传感器的了解非常有限，在实验操作和数据记录过程中经过多次的失败才取得了成功；此外，作为一次项目式学习的实验教学，要求学生具备较高的化学学科素养，才能充分调动已有的化学知识对实验现象、实验数据进行有效分析，并制定合理的方案。
总的来说，在这次项目式学习的过程中教师和学生都有很大的收获。对于事物真理的好奇心驱使师生们不断的探索和尝试，实验的失败也不断促使我们改进自己的方案，最终获得了丰硕的成果。本次项目式教学也给予我更多的信心在未来的教学中更加重视实验的探索。