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中学化学教育改革 问题之我见 宋心琦 清华大学化学系 （2007年 黄山市） 对中学化学教育改革的认识 • 学科的现状与发展趋势及社会需求 是教育改革的基础和推动力 • 要学习并重视现代教育学和学科教 学研究所提供的新理念和方法论 • 探究性学习仍然是教育改革的突破 口 • 要区分职业性要求和素质性要求 • 学段的衔接更着重于能力 化学教育改革研究的重点 • 新课标提出和强调的新理念 • 教材在教学活动中的作用 • 教学中如何全面落实三维教 育目标 • 探究性学习仍然是教学改革 的突破口 教材设计和编写时的考虑 • 如何领会并体现新课标提出的 基础性、时代性和选择性原则 • 如何实现新课标规定的三维教 育目标：知识技能、过程方法 和情感态度价值观 • 确定知识和技能目标时应该区 分职业要求和素质要求 “基础性和时代性”的关系 ⊗学科基础的陈述方式和教育价值 是可变的。如对原子的认识 ⊗关注学科的发展。由20－50年后化 学学科的面貌来审视某些知识技能的 价值 ⊗ 基础的教育价值并不是等同 的。 如四类化学反应主要起着认识阶梯和 体验分类法的作用 课程结构的改变意味着什么 • 选修模块和必修模块的关系与前者的相对 独立性 • 选修模块并不要求面向全体学生 • 各门课程的选修与必修模块的总和构成一 个个有针对性的符合学生个体特点的教学 计划 • 为学生的自主学习和发展提供了必需的时 间与空间 • 不要忘记对有发展潜力的学生的培养 情感态度价值观教育问题 • 学科教育的价值观是教学质 量评价的基础 • 学科教育应当服务于素质教 育 • 如何全面评价国民科学素质 关于过程方法教育的思考 • 化学是一门既重视过程有时又容易忽 略过程的学科 • 化学是一门实验性科学，重现性和反 复验证的要求，往往使得过程的终态 －结果成为评价的主要依据。而对过 程的描述或解释－学科理论至今尚不 够完善。如何处理好这对矛盾是改进 化学教学和推动教学改革中的一个值 得认真研究的问题 关于过程方法教育的思考 • 教学过程是一个漫长、艰苦而又充满着激 情的过程 • 方法不仅依靠教师和教材的传授，教学过 程本身所涉及的、通过潜移默化、思考争 论、发现谬误和解题捷径的过程，都应当 纳入方法教育的范畴。其中以学生对适合 自己的方法的发现和构建最有价值 • 对方法的领会与把握存在着因人因学科而 异和循序渐进的心理学特点 中学化学教学实验改革问题 化学实验体系的三要素 符合探究目标而且不确定因素 最少的化学反应体系 合理的实验装置，包括安全措 施等 合理的实验步骤和合乎规范的 操作技术 实验与探究式学习 • 案例1: 拉瓦西测定空气组成的实验 步骤1 2Hg ＋O2 2HgO 步骤2 2HgO 2Hg ＋ O2 步骤3 步骤2得到的O2和步骤1剩余的N2 混合，得到“原来”的空气 • 学习要点： 1。为什么选择Hg？ 2。为什么3个步骤都有必要性？ 3。还能想到些什么？ 如何发掘实验的学科教育价值 • 实验设计时所依据的基本假设和基本原 理和必需思考和确定的方面 １．同名分子具有不可区分性；气体摩尔体积； 气体的ＰＶＴ之间的关系 ２．混合物和纯净物；化学变化和物理变化 ３．某些单质或化合物和氧发生反应的条件和 氧化物的组成与性质（在水中的溶解度，是 否和氮也能反应等）－物理性质和化学性质 ４．反应是否能够进行到底；氧能否全部耗尽 （涉及燃烧理论） 实验与探究式学习 • 案例2：空气组成测定体系的选择 4 P ＋ 5O2 2P2O5 1。已知S、C、Mg、Na、蜡烛等都可以 满足和空气中的O2发生燃烧反应的条件， 为什么P是最佳选择？ 2。对这个探究性实验来说，为什么以Hg 方案最为理想？ 3。 实施“磷”方案时，最重要的前提假 设是什么？ 4。采用“磷”方案时，除去经典的体积 测定法外，还能想到哪些方法？ 值得进一步思考的问题 • 选择这类实验体系来探究类似于空气 组成问题时，共同的前提假设是什么 • 用气体分压或分体积的改变来提供有 关气态化学物质变化的信息时，理论 依据是什么 • 如果希望提高实验所得数据的精确程 度，除去改进装置外，还应当考虑哪 些问题 更多的化学教育内容 • 进一步认识和区分物质的化学变化和 物理变化 • 进一步认识和区分纯净物和混合物 • 对物质性质的了解，在思考与构成最 佳实验探究方案时极其重要 • 加深对化学学科定义和思维特点的了 解 • 科学精神和科学方法是化学课程的精 髓 教学案例之一 • 为什么中外的中学化学教材“偏爱” 钠？ • 教学中应当关注的化学教育内容是 什么？ • 了解化学必须以纯净物为研究对象 将有助于提高科学素质 • 从钠和铁、镁、铝和氧反应的对比 中领会化学学科特点 教学案例之二 • 速率方程： v =± ∆x/∆t 对于化学 反应，∆x取反应物或产物的分子数变 化最为方便，所以物质的量（及物质 的量浓度）成为常用的计量单位之一 • 分子发生反应的必要条件是相遇（碰 撞），充分条件是分子相遇时，其能 量高于平均能量（活化能）。亦即活 化分子的碰撞才可能是有效的 教学案例之二 • 所有能够影响反应速率的因素，都可以用 活化分子有效碰撞模型来理解 • 建立这个模型的基本假设和理论基础（同 名分子的全同性，气体分子运动论，理想 气体定律，Maxwell－Boltzmann分布定律） • 化学反应速率观念的建立，将有助于理解 化学平衡的动平衡性质。而平衡状态及其 移动的理解与应用，在化工流程设计、化 学合成与分析中都很重要 教学案例之二 • 化学反应速率的测定 了解物质的稳 定性或活性；测定给定反应的活化能；提 供反应进行机制的信息（如确定该反应的 瓶颈，了解物质变化的主要过程等）；了 解外界因素的影响力度 • 慢反应 自然界的极慢反应（如化石燃 料的形成，地质变化，元素在地壳中的迁 移等）；一般的慢反应（如金属在一般环 境中的腐蚀，酸雨对岩石或建筑物的损坏， 环境中某些污染物的自降解过程等） 教学案例之二 • 超快速及快速反应（如爆炸，分子间 或分子内的质子、电子传递过程，分 子吸收光子或其他能量后的能量弛豫 过程，同位素混杂、简单分子的异构 化、激发态分子的非辐射弛豫和荧光 发射过程等) • 测量方法 由可测量的性质或变化而 定。特殊情况下会用到同位素纪年、 过程强化模型、时间分辨光谱等方法 化学反应的限度（1） • 区分可逆反应与不可逆反应 不可逆反应是存在的，如金属腐蚀、塑料老 化、淀粉发酵、复杂分子裂解等都属于不可逆反 应（过程）。最典型的如葡萄糖的氧化 C6H12O6 + 6O2 6CO2 +6H2O 区分在外力作用下的可逆（如光合作用可 以使上述反应反向进行等）和由化学反应本质 决定的可逆性（如SO2+O2变为SO3;C+H2O在 高温下生成CO+H2；FeO+CO在高炉中转变为 Fe+CO2等反应），后者才存在反应限度问题 化学反应的限度（2） • 可逆反应的终点是这个化学体系在给定条件下的 化学平衡态。也就是所说的“反应的限度” • 大量粒子组成的物质体系的平衡态具有能量相对 最低和粒子在体系中的分布均匀程度（混乱度） 最大的特点。在热力学上用∆G＝0（也可以近似 地用∆H＝0）和∆S＝0来表示。 • 处于热力学平衡态的化学体系既不吸收也不释放 能量（体系内的所有物质的物质的量均保持不 变），体系内的任何同种粒子的相互交换，对于 粒子的分布方式均不会产生影响。从外界观察不 到体系具有任何的宏观变化，似乎是一种寂静态。 实际上是一种动平衡状态 化学反应的限度（3） • ∆G＝0 和 ∆S＝0，可以用来判断在无外力 作用时，（热力学）可逆体系的自发过程 的方向。 假如体系中粒子的均匀度基本保 持不变时（即 ∆S≈0）， ∆H＝∆G≈0也可以 用于判断。在中学化学中，通常是先给定 平衡常数，然后应用勒夏特里原理来推断 平衡移动的方向。 自发过程将趋向于平衡态。平衡态受到外 力扰动后，有可能移向新的平衡态，由新 状态下的∆G’＝0 作为新的自发过程方向判 据 化学反应的限度（4） • 自发性过程指不需要外力推动就 可能发生的过程，过程的方向为趋 向于与体系状态最邻近的平衡态 • 化学平衡原理在化学中不仅可用于 可逆的化学反应，对于溶解、电离、 相平衡等过程，都可以作为严格的 理论工具加以应用。但已不属于中 学化学所要求的了 化学反应的限度（5） • 当体系的变化过程包括多个平衡态时， 每个平衡态的判据只适用于和它相邻 近的非平衡态。此时，反应的限度将 因体系所处的状态而变（如复杂化学 过程，包括某些生命过程） • 初等化学中出现的许多与可逆过程相 关的化学术语，如电离度、溶解度中 的“度”字，已体现出相关过程是有 限度的 化学反应的限度（6） ∆G＝0 的关系式，可以推衍出许多有用的公式， 如计算平衡常数、电极电势等，以及体系温度、 参加反应的物质的物质的量浓度等对平衡状态的 影响 对于像溶解、扩散这样的过程，∆S可以作为独 立判据。因为 混合熵>∑纯组分熵 △Smix = RT(ASAlnA+BSBlnB) >0 从而说明为什么溶解、扩散和掺杂后的均匀化过 程，都具有自发性的特征。也可以回答纯净物难 以得到，在放置过程中纯度会不断下降的原因 热力学判据的再审视 • 从∆G＝∆H－T∆S的关系式，可以得知当体系到达 平衡时，∆G＝0，∆H＝T∆S。纯物质发生相变时， 因为H和S是状态函数，∆H 和∆S在给定始态和终 态时为一定，相应地，T是一个固定值。 • 同一纯物质的S固<S液<S气， • 热力学判据仅适用于大量微粒组成的体系，它的 前提仍然是：同种（微观）粒子的不可区分性， 据此归纳出与体系能量和粒子分布状态有关的判 据。因为不考虑微粒的化学结构和相互作用 时的反应机制，在化学中的应用有一定的 局限性。 化学教育怎样和环境教育结合 • 过程自发性概念很重要 :气体的互相 扩散，溶质溶解于溶剂形成溶液和溶液 中溶质浓度的均匀化过程，杂质向固体 物质内部的扩散（或掺杂工艺）均与原 理： △mixS = R (ASAlnA+BSBlnB) >0有关 • 污染物属于化学物质，污染过程则归 因于某些自然过程的自发性。防止污染 的关键在于阻止这类自发过程的实现 素质教育任重道远 由一堂小学英语课引发的思考 审查科学教材过程中想到的问题 几节中学化学示范课听后的感想 参加中学社会活动总结答辩会后 获得的启示 环境教育中的问题 教师和学生间的教育互动 • 豌豆公主的垫被和蝌蚪变什么 • 两节有趣的中学数学课 • CIT 的Gray 教授获奖时提到的对他影响至 深的几位导师的话：“你的目标有多大， 你的成就就有多大”；“走自己的路”； “要做到说得清楚，写得明白” • 法拉第说“蜡烛的火焰能把暗处照亮，而 金刚石的璀璨在没有火焰照亮时却什么都 没有”－潜移默化地进行热爱科学的教育， 情感态度价值观的教育的范例 为了孩子，为了祖国 的明天，让我们一起 来努力。 谢谢大家！