基于真實(shí)情境的教學(xué)設(shè)計(jì)

“化學(xué)反應(yīng)的方向”中涉及的焓變、熵變和自由能變是比較抽象的內(nèi)容，本文從情境導(dǎo)學(xué)、任務(wù)促學(xué)、實(shí)驗(yàn)助學(xué)和評(píng)價(jià)診學(xué)四個(gè)方面引導(dǎo)學(xué)生開展學(xué)習(xí)，將枯燥的化學(xué)理論與生活實(shí)際、課堂實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)圖像相互結(jié)合，讓課堂變得生動(dòng)有趣。一、課標(biāo)解讀1．內(nèi)容要求了解反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)——焓變和熵變判據(jù)，能用焓變和熵變說明化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向。2．目標(biāo)要求（1）通過實(shí)驗(yàn)了解放熱反應(yīng)的自發(fā)性，導(dǎo)出焓的概念，學(xué)會(huì)用焓判據(jù)判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向。（2）通過實(shí)驗(yàn)和情境演示“有序”和“無序”狀態(tài)，導(dǎo)出熵的概念，學(xué)會(huì)用熵判據(jù)判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向。（3）能通過生產(chǎn)生活中的實(shí)例，學(xué)會(huì)綜合利用焓變和熵變的大小來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向。二、教材分析教材在安排了化學(xué)反應(yīng)中的能量變化、反應(yīng)速率和限度相關(guān)知識(shí)之后，再出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向，是對(duì)化學(xué)熱力學(xué)的一次綜合的認(rèn)知提升，內(nèi)容安排符合由易到難的認(rèn)知規(guī)律。教材以日常生活中的現(xiàn)象誘導(dǎo)學(xué)生得出焓變和熵變的大小概念，且通過一些簡(jiǎn)單應(yīng)用來闡釋這些概念，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到單一判據(jù)的局限性，由此引入自由能變判據(jù)。三、學(xué)情分析通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步認(rèn)識(shí)了化學(xué)反應(yīng)經(jīng)常由高能態(tài)向低能態(tài)轉(zhuǎn)變，掌握了常見的放、吸熱反應(yīng)的類型，知道了化學(xué)反應(yīng)伴隨著能量變化，同時(shí)，能夠理解生活中相應(yīng)的“有序”狀態(tài)和“無序”狀態(tài)，但對(duì)熵這一概念的理解有一定的困難。學(xué)生對(duì)反應(yīng)方向的理解比較模糊，對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向的綜合判據(jù)相關(guān)知識(shí)比較缺乏。四、教學(xué)目標(biāo)1.了解自發(fā)過程和自發(fā)反應(yīng)。2.通過實(shí)驗(yàn)探究和經(jīng)驗(yàn)對(duì)比，認(rèn)識(shí)焓變、熵變與自發(fā)性的關(guān)系。3.通過自由能對(duì)焓、熵判據(jù)進(jìn)行整合統(tǒng)一，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理和模型構(gòu)建的能力。五、教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：焓、熵和自由能判據(jù)。教學(xué)難點(diǎn)：熵、焓變與化學(xué)反應(yīng)方向的關(guān)系。六、教學(xué)方法1.情境導(dǎo)學(xué)：列舉生活中反應(yīng)進(jìn)行的方向案例及課堂實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的興趣。2.任務(wù)促學(xué)：（1）創(chuàng)設(shè)情境，認(rèn)識(shí)自發(fā)過程和自發(fā)反應(yīng)。（2）利用實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的對(duì)比探究焓和焓判據(jù)，認(rèn)識(shí)到放熱反應(yīng)的自發(fā)性。（3）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)初步認(rèn)識(shí)熵和熵判據(jù)，認(rèn)識(shí)熵增、熵減過程的自發(fā)性。（4）自由能判據(jù)的歸納總結(jié)，促進(jìn)學(xué)生形成對(duì)反應(yīng)進(jìn)行方向的統(tǒng)一化認(rèn)知。3.評(píng)價(jià)診學(xué)：通過課堂環(huán)節(jié)中的師生評(píng)價(jià)、生生評(píng)價(jià)以及課堂練習(xí)檢測(cè)等來診斷學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。4.實(shí)驗(yàn)助學(xué)：結(jié)合改進(jìn)實(shí)驗(yàn)Ba（OH）2·8H2O與NH4Cl的反應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生從“宏觀、微觀、符號(hào)”的角度學(xué)習(xí)反應(yīng)進(jìn)行方向。七、教學(xué)思路（見表1）八、教學(xué)過程環(huán)節(jié)一：情境認(rèn)知自發(fā)過程和自發(fā)反應(yīng)教師活動(dòng)：引入——觀察生活中的現(xiàn)象：高山流水、冰雪融化。提問：這些現(xiàn)象需要外力推動(dòng)嗎？學(xué)生活動(dòng)：觀察回答。教師總結(jié)：在一定條件下，不借助外力而自動(dòng)進(jìn)行的過程稱之為自發(fā)過程；需要借助外力才能進(jìn)行的過程稱之為非自發(fā)過程。比如高山流水是自發(fā)過程，而把水從低處抽到高處則需要外力做功，則是非自發(fā)過程。教師提問：有沒有自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)？舉幾個(gè)例子。播放實(shí)驗(yàn)視頻：Na和水的反應(yīng)。教師總結(jié)：一定條件下，能自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)就是自發(fā)反應(yīng)。環(huán)節(jié)二：對(duì)比探究總結(jié)焓判據(jù)教師提問：從能量變化角度看，反應(yīng)前后發(fā)生了什么變化？對(duì)比：下列反應(yīng)都是自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，有哪些共同點(diǎn)？2Na（s）+Cl2（g）===2NaCl（s）4Fe（s）+3O2（g）===2Fe2O3（s）H2（g）+F2（g）===2HF（g）學(xué)生回答：上述反應(yīng)都是劇烈的發(fā)光發(fā)熱的化學(xué)反應(yīng)，在一定的條件下都能自發(fā)反應(yīng)。學(xué)生活動(dòng)：分組實(shí)驗(yàn)Mg和稀鹽酸反應(yīng)。學(xué)生描述：當(dāng)鎂條和鹽酸接觸時(shí)，鎂條表面產(chǎn)生氣泡，試管外壁發(fā)熱。學(xué)生得出結(jié)論：上述反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，且自發(fā)反應(yīng)大多為放熱反應(yīng)。教師總結(jié)：從能量的角度看，反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量，在反應(yīng)過程中體系的能量降低了，因此具有自發(fā)進(jìn)行的傾向。針對(duì)這類反應(yīng)，科學(xué)家提出了用焓值的變化來判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，即焓判據(jù)。教師講解焓的相關(guān)知識(shí)：（1）焓可以衡量物質(zhì)所具有的能量。符號(hào)：H，單位：kJ·mol-1。（2）化學(xué)反應(yīng)前后能量的變化可以表示為焓變，符號(hào)ΔH。ΔH<0：放熱反應(yīng)；ΔH>0：吸熱反應(yīng)。（3）焓判據(jù)：體系趨向于從高能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)（這時(shí)體系會(huì)對(duì)外做功或者釋放熱量，即ΔH<0）。環(huán)節(jié)三：實(shí)驗(yàn)探究總結(jié)熵判據(jù)教師引導(dǎo)：是不是所有自發(fā)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)都是放熱的？請(qǐng)舉例說明。學(xué)生回答：生活中常見的化學(xué)反應(yīng)基本都是放熱的，吸熱反應(yīng)似乎沒見過，在必修二課本上出現(xiàn)過Ba（OH）2·8H2O固體和NH4Cl固體的吸熱反應(yīng)，但是現(xiàn)象并不明顯。改進(jìn)課本實(shí)驗(yàn)：事先用一個(gè)保鮮袋，兩角分別裝入Ba（OH）2·8H2O固體和NH4Cl固體，打結(jié)。課上，把兩部分固體混合，隔著保鮮袋用手揉搓固體，感受溫度變化。反應(yīng)一段時(shí)間后，打開保鮮袋，觀察混合物狀態(tài)，聞氣味。學(xué)生活動(dòng)：分組實(shí)驗(yàn)。教師提問：該反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有哪些？學(xué)生回答：固體混合后，保鮮袋外部有水珠，手感冰冷。內(nèi)部是糊狀物，有刺激性氣味氣體生成。學(xué)生練習(xí)：請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象寫出該反應(yīng)的方程式Ba（OH）2·8H2O（s）+2NH4Cl（s）===BaCl2（s）+10H2O（l）+2NH3（g）教師總結(jié)：實(shí)驗(yàn)說明，八水合氫氧化鋇和氯化銨的反應(yīng)能夠自發(fā)進(jìn)行，但它卻是吸熱的。這樣的反應(yīng)還有很多，比如：（1）2N2O5（g）===4NO2（g）+O2（g）（2）（NH4）2CO3（s）===NH4HCO3（s）+NH3（g）教師引導(dǎo)：這些都是自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)，但全部都是吸熱反應(yīng)。按照剛才所言的焓判據(jù)，這些吸熱反應(yīng)是不容易自發(fā)進(jìn)行的，但它們卻發(fā)生了，說明反應(yīng)是否自發(fā)，除了焓的影響外，還有其他因素。那是什么呢？播放情境：（1）散落的粉筆；（2）散落的撲克牌，并由此引出熵判據(jù)。教師講解：熵判據(jù)。（1）熵是用來衡量體系（物質(zhì)）無序程度的物理量。熵值越大，體系的混亂度越大。符號(hào)：S，單位：J·mol-1·K-1。（2）影響熵大小的因素。①同一條件，不同物質(zhì)的熵值不同。②熵值與物質(zhì)的存在形態(tài)有關(guān)，一般而言：S（g）>S（l）>S（s）。③氣體物質(zhì)的量越大，分子數(shù)越多，熵值越大。（3）反應(yīng)前后體系熵的變化稱為熵變，ΔS。①ΔS>0，熵增，在一定條件下可以自發(fā)進(jìn)行。②ΔS<0，熵減，在一定條件下不可以自發(fā)進(jìn)行。教師總結(jié)：一般而言，氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)為熵增大（ΔS>0）的反應(yīng)。環(huán)節(jié)四：綜合總結(jié)自由能判據(jù)引導(dǎo)過渡：經(jīng)過漫長(zhǎng)的探究后，吉布斯·亥姆霍茲提出了體系自由能變，詮釋了反應(yīng)能否自發(fā)與焓變和熵變的關(guān)系。教師講解：吉布斯自由能判據(jù)。（1）ΔG＝ΔH－TΔS（T是絕對(duì)溫度，單位為K）。（2）ΔG與反應(yīng)的自發(fā)性：①當(dāng)ΔG＝ΔH－TΔS<0時(shí)反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。②當(dāng)ΔG＝ΔH－TΔS>0時(shí)反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行。教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生繪制吉布斯自由能判據(jù)的二維象限圖如圖1所示：環(huán)節(jié)五：案例分析學(xué)以致用案例1：-10℃時(shí)水能自動(dòng)結(jié)成冰，10℃時(shí)冰也能自動(dòng)變成水，試從熵變和焓變的兩個(gè)角度，分析促使他們自發(fā)反應(yīng)發(fā)生的主要因素是什么？教師引導(dǎo)：水變冰時(shí)，ΔH<0，水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，ΔS<0。冰變?yōu)樗?，ΔH<0，水由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，ΔS>0，請(qǐng)大家結(jié)合吉布斯自由能判據(jù)的二維象限圖開展分析。學(xué)生很快就能分析出一個(gè)低溫自發(fā)，一個(gè)高溫自發(fā)。過渡：學(xué)習(xí)了焓變和熵變的概念之后，我們就可以用這些概念去解釋生活中常見的現(xiàn)象了。案例2：汽車尾氣中的污染物主要是CO和NO，它們是現(xiàn)代城市中的主要大氣污染物，為了減輕大氣污染，人們提出能否通過以下反應(yīng)來處理汽車尾氣：2NO（g）+2CO（g）=N2（g）+CO2（g），ΔH=-746.8kJ/mol，ΔS