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融合学科逻辑和学生认知逻辑的“热化学”单元教学研究

摘要：单元教学逻辑的建构既要关注学科逻辑又要兼顾学生认知逻辑。以选择性必修“热化学”内容为例，基于学科视角抽提了“热化学”特征的思维方式、建构了具有实质联系的学科内容体系；基于学生视角分析了“热化学”学习进阶路径、提取了关注学生认知的内容组织形式。在平衡“学科”和“学生”的基础上，设计了促进学生学科理解的选择性必修“热化学”单元教学逻辑和核心问题，取得了较好的教学效果。

关键词：?热化学；学科逻辑；学生认知逻辑；单元教学；化学学科理解

1研究概述

1.1问题提出

“化学反应与能量”主题是中学化学的核心内容，涉及化学热力学。化学热力学专门研究能量相互转化过程中所遵循的规律，热力学第一定律的主要内容即为能量守恒定律，将热力学第一定律具体应用到化学反应中，用实验或理论方法研究化学反应的热量变化，进而解释与预测一些化学现象的化学分支又被称为“热化学”。[1]以鲁科版教材为例，热化学内容主要编排于必修第二册“化学反应与能量转化”和选择性必修1“化学反应的热效应”等章节。之所以选择这部分内容作为研究对象源于以下原因：课程设计方面，《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“高中新课标”）热化学部分变化较大，引入了“体系、环境、内能等视角，引入上述视角的原因何在？上述概念在学科体系中的学科功能如何及其在教学中如何处理等问题亟待回答；教学实践方面，这部分内容高考占比小，主要涉及盖斯定律的相关计算，教学中基本是强化计算技巧，使得学生只会机械利用类似数学消元法对方程式进行加减，而不能说明加减背后的学科思想；[2]教师学科理解方面，诸如“有了内能为什么还要引入焓、化学能与内能是何关系、化学反应中的能量变化都是化学能贡献的吗？”等问题还困扰着不少教师。

1.2研究路径

为解决上述问题，一方面需从学科视角厘清热化学相关概念的内涵及联系，抽提热化学蕴含的学科思维，从而帮助教师从学科视角驾驭所教内容；另一方面需研究学生的认知逻辑，把握概念在不同学段的深、广度，明确概念与学生认识发展的关系，合理选择教学策略进行教学。因此课堂教学的推进既要考虑教学内容的内在逻辑，又要符合学生接受知识的认知规律。学科逻辑偏重于“学什么”，学生认知逻辑偏重于“如何学”，本研究试图将二者有机融合，建构既能外显学科思维又能顺应学生认知规律的单元教学逻辑，研究路径如图1。

梳理热化学发展历程，与之相关的史实如表1。可以发现，热化学研究方法凸显定量思维、宏微结合，解决实际问题的过程注重设计思想。具体来说，热化学研究是基于生产需要在测定和计算化学反应热的过程中发展起来的，通过定量计算来认识宏观体系的能量变化规律是热化学研究的一大特点，包括实验精确测定反应热、结合键能数据理论计算反应热等，都体现了热化学研究注重定量思维。在获得大量反应热数据的基础上，科学家认识到体系的能量变化与反应途径无关，只与体系在一定条件下的状态有关，形成了“状态函数”的概念，因此可根据研究需要任意设计不同状态所经历的过程，而盖斯定律正是状态函数性质的必然体现，这体现了热力学研究的设计思想。随着化学学科的发展，科学家逐步认识到化学反应的能量变化与物质结构的联系，如用热效应表征物质的稳定性、预测物质内部微粒间结合力的强弱，体现了“宏微结合”的学科思想；同时在化学反应层面，建立了热化学与反应方向的联系，利用热效应判断反应方向，体现了热化学理论的解释预测功能等。

2.2学科内容体系的建构

热化学内容主要包括热力学研究对象、热力学函数与条件、反应热测定和计算、热化学方程式、热效应的表现形式等。其中基于“体系”和“环境”认识研究对象，是热力学解决问题的出发点，如高中反应热的测定实验只有区分了体系与环境，才能理解“为什么反应热概念规定反应前后始终态温度要相同，而实验却能基于反应前后温度差计算反应热？”原因就在于根据研究需要选择了合适的体系与环境（将H+?和OH-?及生成的H2O為体系，将不参加反应的Na+、Cl-?以及作为溶剂的水视为环境）。与热化学有关的热力学函数主要包括内能（U）和焓（H），内能是体系内部能量的总和，包括分子动能，分子间相互作用的势能，以及分子内部各种粒子（如电子、原子核及原子核内的各种粒子等）的动能和它们相互作用的势能等，因此体系能量变化的实质就是内能的变化。但对于化学反应体系来说，其实质是化学键的变化，基于键能变化所引起的能量变化反映了化学反应体系能量变化的特殊性，对这种特殊的能量变化形式，在化学上用化学能来表征。任何化学物质都有相对稳定的结构，几乎都存在由于原子间相互作用而形成的化学键，这种原子间的势能（键能）即为储存的化学能，它只有在化学反应中才表现出来。[7-9]由于化学能不是物质的基本能量属性，不同专家对要不要给“