生产中反应条件的控制名师教学设计2

《化学反应条件优化探析方法》教学设计

——初识正交实验法

安徽省芜湖市第十二中学

冯正午

一、设计理念

本课突出化学问题研究方法探析和实验设计模型的建构。以“制氧机氧立得”作为学习情境，从生活走向化学，围绕其工作原理所涉及化学反应的条件优化展开探析，构建实验设计模型。在探究中渗透变量控制思维、多变量优化思维。认识并运用正交实验法，体现多变量优化思维，提升实验效率，减少实验次数，寻求最优化反应条件。利用信息技术引导学生认知模型，在教学过程中对实验方法进行比较、选择和分析，从模型认知角度组织学生进行实验，运用数字化实验技术对化学反应进程和结果进行图像表征。同时带领学生从化学走向生活，对“氧立得”工作条件进行解释。在探析的过程中引导学生对所学知识进行迁移和应用，培养获取信息能力，分析解决问题能力以及实验设计与操作能力。

二、教学目标

1、小组合作探究外界条件（浓度、温度、酸性等）对过氧化氢分解的影响。应用对立统一、联系发展和动态平衡的思想观点考察、分析化学反应，寻找合适的研究变量。

2、通过实验方案设计渗透变量控制思想，多变量优化思想。正确运用化学模型描述或预测物质及其变化，灵活选择“氧立得”工作条件。

3、建构最优化条件选择预测模型，并进行简单的实验研究和数据分析。提升综合运用化学思维、化学知识与探究技能解决化学相关问题的品质与关键能力。

三、教学重难点

教学重点：

1、分析过氧化氢分解的影响因素，渗透变量控制与多变量优化思维；

2、掌握正交实验设计基本方法和化学实验操作的基本技能；

教学难点：多变量优化的实验模型（正交实验）建构与实验探究。

四、教学流程

五、实验模型（因素用ABC表示，水平用123表示）

1、控制变量

2因素3水平实验控制变量模型——6次试验

实验序号

1 2 3 实验内容

A1B1 A1B2 A1B3 实验序号

4 5 6 实验内容

A1B1 A2B1 A3B1

3因素3水平实验控制变量模型——27次试验

实验序号

实验内容

实验序号

实验内容

1 A1B1C1 10 A2B1C1 2 A1B2C1 11 A2B2C1 3 A1B3C1 12 A2B3C1 4 A1B1C2 13 A2B1C2 5 A1B2C2 14 A2B2C2 6 A1B3C2 15 A2B3C2 7 A1B1C3 16 A2B1C3 8 A1B2C3 17 A2B2C3 9 A1B3C3 18 A2B3C3 ③3因素3水平正交实验模型：9次试验

1 2 3 4 5 6 7 8 9 标准组合

A1B1C3

A2B1C1

A3B1C2

A1B2C2

A2B2C3

A3B2C1

A1B3C1

A2B3C2

A3B3C3

实验序号

19 20 21 22 23 24 25 26 27 实验内容

A3B1C1 A3B2C1 A3B3C1 A3B1C2 A3B2C2 A3B3C2 A3B1C3 A3B2C3 A3B3C3

【图示说明】将3因素3水平控制变量法设计的27组实验用27个坐标点表示。如图所示，将需要研究的3种因素用坐标轴表示，每个因素的3水平用不同坐标点来体现。那么控制变量法设计的27组实验可以用27个坐标点表示，正交实验法规定从27组实验中筛选出9组来代表全部实验，如模型所示这样的9个绿球所在点正好可以投影到一个面没有重叠，无论从哪一个角度看过去，每种因素（ABC）的每种水平(123)都可以选到, 具备“均匀分散，齐整可比”的特点，这样的选择具备最大程度的代表性。正是这样的设计模型，可以保证正交实验很好的完成多因素的实验研究。学生可以按照正交实验表进行模型匹配设计，从而简化实验方案，最快速的获得需要的实验结论。

2.本课实验设计

限选试剂：双氧水(10%、6%、3%)、水浴装置（温度40/50/60）、酸、试管

过氧化氢分解 3因素3水平正交实验设计

标准组合

A1B1C3

A2B1C1

A3B1C2

A1B2C2

A2B2C3

A3B2C1

A1B3C1

A2B3C2

A3B3C3

【数据分析】

①正交实验法对实验数据的处理需要通过计算实现。

②数字化实验图像则很好的解决数据处理问题，通过传感器测定氧气浓度变化，获得过氧化氢分解的各项数据，通过图像可以直观表征出各个条件的影响情况，获得主次因素以及各因素的影响水平，从而为最优化条件的确定提供决策依据。 科学原理在确定的实验条件下才是确定的，围绕图像运用化学反应原理相关知识进行合理的解释，让学生能够理论联系实际，知道条件选择的重要价值，为进一步在具体的生活环境和需求中去选择过氧化氢分解的条件提供铺垫。

数字化实验图像为条件优化方向提供直观表征

数字化实验数据为正交实验的结论提供数据支撑

六、教学过程

问题情境

【课前微课】多因素实验优化设计方法

【播放图像】

缺氧相关素材

【提问】

展示“氧立得”的“释氧”原理

【思考】

【观察】

学生活动

【观看】

知识能力

学习实验设计模型，核心素养

具有探索未知、崇尚了解正交实验法背景

真理的意识

获取信息的能力

释放活性氧，提升清洁能力

复方过碳酸钠分解得到过氧化氢释氧

构建化学知识的生活化情境。能认识物质是变化的，知道化学变化需要一定的条件，并遵循一定规律

能发现和提出有探究价值的问题

具有严谨求实的科学态度，具有探索未知、崇尚真理的意识；

建立模型。能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律

对立统一、联系发展的思想观点考察、分析化学反应

模型认知

模型匹配

知识的迁移与运用

【提问】

【猜想】

根据分解原理如何能【思考】

快速稳定持续释氧？

提出合理假设

【提问】

需要怎样的条件？

【提问】

变量选择与控制：

如何提高反应速率？

如何设计实验证明？

【思考】

反应速率的影响因素

浓度、温度、压强、分析选择合适的研究催化剂、酸碱度

变量

【思考】【分析】

2因素3水平需要设计6组实验

3因素2水平需要设计8组实验

3因素3水平需要设计27组实验

【观看微课】

【模型匹配】

【实验设计】

按照3因素3水平正交实验表设计实验

反应速率慢

内因：物质的本性

单变量研究：

控制变量法

合理选择自变量

控制无关变量

检测因变量

正交分析法模型建构

寻找主次关系，寻找各因素影响水平

多变量如何优化获得最佳反应条件？

控制变量实验过于复杂有没有更加简单、科学的方法？

正交实验模型微课

实验设计

定性实验研究

【实时拍摄】

【分组实验】

按照事先准备好的9运用正交实验法寻找组进行实验

最优化条件

【观察】

提出最优化条件方案

寻求浓度、温度、酸度的最优化条件

【思考】

【观看数字化实验】

【思考】

【梳理】

【归纳】

模型认知

模型迁移运用思考

学会模仿正交实验标准表设计实验并进行验证

能从问题和假设出发，确定探究目的，设计探究方案，进行实验探究

结合数据分析，进行图像表征，培养信息素养。

正交实验研究

数字化实验验证

【播放视频】

【数据分析】

【课堂小结】

“氧立得”的真实工作条件说明

季节变幻，使用不同。

对象不同，使用方法不同，都是为了控制反应条件，取得最理想的效果。

化学来源于生活，服务于生活。化学让生活更美好。

学习让我们收获了一种实验的方法，有了一种手段解决多因素问题研究。同时学会用数字化实验系统进行数据分析和图像表征

运用化学知识解决复杂问题

学以致用

情境升华

从化学走向生活

七、板书设计

化学反应条件优化探析

1因素2水平

2因素3水平

控制变量模型：合理选择自变量，控制无关变量

3因素2水平

3因素3水平

正交实验模型：多因素实验设计优化方案

正交实验数据采集：可获得影响因素主次关系和影响程度，产生最优化反应条件

八、附录：基于3因素3水平正交实验法的过氧化氢分解多因素研究

“氧立得”浓度+温度+酸碱性 3因素3水平研究

“浓度+温度+pH” 过氧化氢3因素3水平研究

“浓度+催化剂+酸碱性”过氧化氢3因素3水平研究