化学教学案例：促进学生思维发展

下面以“探究H2O2分解的催化剂”的教学设计为例加以说明。

1.催化剂在教材中的呈现分析

中学阶段，人教版教材对H2O2分解的催化剂的研究分为三个阶段，每个阶段的内容、实验现象以及作用比较见表3-11-1。

表3-11-1　　人教版教材对H2O2分解的催化剂研究的三个阶段对比

通过上述分析，可以看出三个阶段促进H2O2分解的催化剂的种类在增加，层次在递进，作用在升华，认知水平在依次提高。但是由于三个阶段的内容跨越三本教材，学习历时三年多，教师易忽视教材编排的逻辑结构，学生易遗忘知识的内在关系。因此，在进行选修4层次的教学时，应该考虑将三个阶段的内容进行串联，让学生能够在已有知识的基础之上，认知得到发展。为此，我们以高中教材《化学反应原理》（选修4）的教学为例，在整合已有学习知识的基础上进行教学。

2.教学过程

选用“大象的牙膏”为教学素材，设计将趣味实验和教材实验进行整合，采用定性与定量结合、传统技术与手持技术融合的方式探究H2O2分解的催化剂。

教学环节一：引发探究——谁吹大了“棉花糖”？

［激趣实验］将少量洗涤剂加入锥形瓶中（洗涤剂作起泡剂，遇气体产生气泡），再加入10 g KI，50 mL浓度为30%的H2O2溶液。

［精彩演示］

“喷”：实验一触即发，锥形瓶中迅速喷出泡沫，泡沫降落形成又大又热略带黄色的“棉花糖”。

“测”：热气飘散在“棉花糖”上方，监测“棉花糖”温度，温度迅速升至60℃。

“点”：用带火星的木条点燃“棉花糖”，星星之火将“棉花糖”照得如灯笼般透亮。

［连续质疑］

教师：谁吹大了“棉花糖”？

学生：O2。

教师：O2从何而来？

学生：联想H2O2有氧化性，观察棉花糖变黄，猜测发生了2KOH。

教师：这个反应并不产生气体。

学生：O2还是来自H2O2分解。

教师：H2O2常温下分解缓慢，谁促进了H2O2的分解？

学生：可能是温度升高，可能是加入的KI。

教师：还可能有其他物质吗？

学生：还可能是反应生成的I2和KOH。

设计意图：这个激趣实验创设了真实情境，实验效果震撼，并从“喷”“测”“点”的精彩演示和师生连续质疑两个方面激发学生兴趣，引发探究。KI并不是教材介绍的催化剂，向H2O2中加入KI，由于发生反应，引起学生思考KI、I2、KOH多种物质可能促进H2O2的分解；H2O2分解放热，温度升高，可能加快H2O2分解，使得探究的空间具有了发散性。(www.zuozong.com)

教学环节二：定性探究——谁促进了H2O2的分解？

［学生实验］取10 mL浓度为30%的H2O2溶液，对照探究在60℃水浴、以及分别加入少量I2、KOH、KI固体对H2O2分解的速率的影响。实验现象如图3-11-1所示，实验结果及分析如表3-11-2。

图3-11-1　 H2O2在不同条件下分解的实验现象

表3-11-2　 H2O2分解的实验结果及分析

设计意图：这个环节的设计整合并丰富了高中教材《化学2》（必修）【实验2-5】和【实验2-6】的内容，定性探究得出结论，温故知新。有的物质对H2O2分解没有影响，有多种物质对H2O2分解有影响，但效果不同，使得接下来定量探究“谁的催化效果更好？”变得顺理成章。

教学环节三：定量探究——谁的催化效果更好？

［创设情境，提出问题］KI是H2O2分解很好的催化剂，学生查阅资料得知，FeCl3、K2Cr2O7也有催化作用，那谁的催化效果更好呢？

［控制变量，设计实验］学生应用控制变量法设计定量实验，取2 mL浓度为5%的H2O2溶液，分别加入2 mL 0.1 mol/L的KI、FeCl3、K2Cr2O7三种试剂，测量相同时间产生O2的多少。学生设计了多套定量测定O2体积的装置（如图3-11-2、图3-11-3、图3-11-4所示）。

图3-11-2　　排水量气装置

图3-11-3　　气球集气装置

图3-11-4　　针筒量气装置

［融入技术，得出结论］学生根据设计的装置进行实验，随时记录产生气体的体积，并在坐标纸上作出图像，对比这三种催化剂的效果。笔者充分肯定了学生想将数据转化为图像进行对比的设计思路，并介绍压力传感器可以监测装置中压强变化，间接测定产生气体的多少。在三个锥形瓶中分别加入2 mL浓度为5%的H2O2溶液，针筒中分别吸入2 mL浓度为0.1 mol/L的KI、FeCl3、K2Cr2O7三种试剂，将压力传感器与数据采集器连接好，再将数据采集器与计算机连接（装置如图3-11-5所示）。

图3-11-5　　压力传感器测定压强实验装置图

设置采样时间为2000 s，触发压强为102 KPa，开启数据采集器，同时加入针筒中的三种试剂，观察实时压强变化数值和压强变化曲线（如图3-11-6所示）。

图3-11-6　　装置中压强（p）—时间（t）曲线图

通过实验发现，三种试剂都能不同程度地加快H2O2分解，且不影响产生气体的总量，由此得出结论：同一反应有多种催化剂且效果不同，催化剂的性能主要由其本性决定。

［宏微观结合，理论升华］实验中，学生发现K2Cr2O7溶液颜色是橙黄色的，将它加入到H2O2溶液中，溶液颜色迅速变成棕绿色，最后恢复到橙黄色。这一系列颜色变化，激发学生思考：催化剂参与反应又重新生成。对此，笔者用碰撞理论模型从微观的角度对宏观的实验现象做出解释：催化剂改变反应路径，降低反应活化能，增大有效碰撞，加快反应速率。由此得出催化剂影响化学反应速率的理论模型。

设计意图：本环节整合和拓展《化学反应原理》（选修4）【实验2-4】、【科学探究1】实验内容，并提升其作用。促进H2O2分解的催化剂有很多，选择KI、FeCl3、K2Cr2O7这三种试剂是因为它们各自有其作用，KI起到从定性探究到定量探究的过渡作用，FeCl3为【科学探究1】实验内容，K2Cr2O7是为了进行理论解释。【实验2-4】设计向H2O2溶液中加入MnO2，观察到带火星木条复燃的实验现象，然后从微观角度解释催化剂的作用机理，但带火星木条复燃的宏观现象并未对微观辨析搭台阶，使得理论解释突兀和分离。本实验改成向K2Cr2O7溶液中加入H2O2溶液，通过直观的颜色变化并恢复，使得宏微观结合自然顺畅。相比【科学探究1】，增加了催化剂种类，融入了现代教育技术压力传感器测定压强，使得定量探究的数据处理更加简单、直观、准确。