化学学科核心素养导向下的“化学平衡”教学研究_杨大岭.pdf

*湖北省教育科学研究院2 0 2 2年重点课题“高中化学教学中培养学生 模型认知素养途径的研究”(编号:2 0 2 2 J A 1 7 9)*通信联系人,E-m a i l:1 2 1 6 6 0 6 0 7 3 q q.c o m化学学科核心素养导向下的“化学平衡”教学研究*杨大岭*(谷城县第一中学 湖北谷城 4 4 1 7 0 0)摘要 为了克服现行教材编写的不足及现有教学研究的局限性,在“化学平衡”主题教学中设计和实施“素养为本”的有效课堂教学策略。引导学生从宏观上认识可逆反应及化学平衡状态,再从微观上对化学平衡进行解释。通过猜想、演算、验证、推广等探究活动认识化学平衡常数,从而实现化学平衡的定性分析到定量判断。通过“收集证据、提出假设、构建模型、模型预测和实验验证”等活动探究外界条件对化学平衡的影响,创新了“勒夏特列原理”的认识方式。整节教学中设计“以真实情境为载体,以具体问题为驱动,以实验事实为证据,以思维模型为导向”的基本教学程序,让学生在系列探究活动中逐步发展化学学科核心素养。关键词 可逆反应 化学平衡 化学平衡常数 勒夏特列原理 化学学科核心素养D O I:1 0.1 3 8 8 4/j.1 0 0 3-3 8 0 7 h x j y.2 0 2 2 0 1 0 0 2 0 “化学平衡”是化学反应原理的重要主题之一,其中相关的概念和原理是高中化学教学的重点和难点,化学平衡知识有助于培养学生对于化学反应原理的认识能力。在化学平衡教学中,按照新课程标准对化学学科核心素养的具体要求1,开展“素养为本”的系列探究活动,探索发展学生化学学科核心素养的有效途径、方法和策略。1 教材内容和相关教学研究分析1.1 人教版2 0 1 9年版新教材编写内容的分析人教版2 0 1 9新教材选择性必修1第二章第二节化学平衡包括3部分内容:(1)化学平衡状态。通过合成氨反应过程中的c-t图像介绍化学反应的可逆性、简要描述化学反应的限度及化学平衡状态。(2)化学平衡常数。通过一定温度下合成碘化氢反应中各物质起始浓度、平衡浓度及平衡时的浓度商数据,介绍化学平衡常数及其影响因素;进一步讨论化学平衡常数与反应进行的限度之间的关系,并以例题的形式讨论化学平衡常数与反应物转化率之间的计算。(3)影响化学平衡的因素。通过3个实验分别探究浓度、压强、温度对化学平衡的影响并得出相关规律,并从Q与K的相对大小来解释化学平衡移动的方向;最后介绍勒夏特列原理及其应用2。和2 0 0 4年版教材相比,把平衡常数部分内容前移,侧重于从定量的角度来分析化学平衡及其移动。2 0 1 9年版教材在“化学平衡”内容的编写中存在3个值得商榷的问题:(1)对正逆反应速率、化学平衡移动等重要概念只有一些模糊的描述,没有分析正逆反应发生的原因及影响因素,不利于学生从微观本质上理解“化学平衡及其移动”的内因。(2)对化学平衡常数直接给出数据和结论,缺乏“化学平衡常数”概念形成过程的探究活动,不能发挥出平衡常数的育人功能,不能让学生领悟学习化学平衡常数的目的3。(3)对于勒夏特列原理只以简单陈述呈现,缺少在核心素养导向下的证据收集、提出假设、构建模型、验证模型等探究活动,不能发挥其育人功能。1.2 近年来国内外“化学平衡”教学研究的分析关于化学平衡的教学研究,赖瑶将具有代表性的国际期刊 J o u r n a l o f C h e m i c a l E d u c a t i o n中的研究案例与我国主流期刊 化学教育进行对比分析,数据显示国内发文量较少,且研究内容偏重理论教学,强调概念与考试的关联。而国外更偏重实验教学,注重培养学生的动手能力,注重学科之间的联系,还注重传播绿色化学的思想。国外这些好的经验对我们都有启发和参考作用4。检索近几年来“化学平衡”教学的相关论文,研究的焦点问题集中在3个方面:(1)关于化学平衡的建立过程及动态平衡的理解研究。如周礼利用认知冲突图模型克服静态平衡的迷思概念,并且利用生活中的现象类比动态平衡的建立过程5。德国教材设计了1个化学平衡建立的模拟实验(豌豆交06化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第5期换实验)6。这些寓教于乐的方法值得借鉴。(2)关于平衡常数概念的建立过程及其应用的研究。如宋玥和王磊使用平衡常数模型预测化学平衡移动的方向,并用实验验证,提炼总结规律等教学活动,与传统教学对比获得了很好的效果7。刘松伟设计出定性与定量相结合的教学方法对化学平衡移动进行判断3。(3)发挥“化学平衡”的教学价值及育人功能的研究。如彭小平设计了融合化学史和数据探究,帮助学生全面深入理解概念,促进学生进一步认识科学本质和学科价值8。庄严团队研究了基于化学学科理解的“素养为本”的化学平衡教学9。黎文燕提出在教学中让学生对化学平衡有更科学、更清晰的理解,并形成可迁移的认知模型,提高分析和解决化学平衡问题的能力1 0。这些培养学生的学科核心素养的途径均值得借鉴。近几年“化学平衡”教学研究大都以挖掘部分概念的功能价值为主,缺少在化学学科核心素养引导下统摄整节内容的教学研究,对整节课3部分内容之间的逻辑关系的全面研究几乎没有。大都利用类比的方法模拟可逆反应及化学平衡状态,但对可逆反应发生的微观本质缺乏研究。刘凯指出:对化学平衡建立及其移动该如何科学严谨描述的探讨文献并不鲜见1 1。对勒夏特列原理的研究仅停留在对化学平衡移动问题的定性判断上,而缺少“勒夏特列原理”思维模型的构建、验证及其功能价值的研究。也有研究者批评从正逆反应速率对比的视角来研究化学平衡及其移动,大力倡导从Q与K比较的视角来研究化学平衡及其移动7。笔者认为从宏观表现、微观内因、定量判断等3个层级逐步研究化学平衡及其移动,才符合循序渐进的原则,才能逐步提升学生的认知水平。2 化学学科核心素养为导向的教学思想以发展学生的化学学科核心素养为根本,以具有实际应用价值的合成氨反应为主要情境,以如何提高氨气的含量为驱动,以思维模型为导向,统摄“可逆反应与化学平衡状态、化学平衡常数、化学平衡移动”3个模块的探究活动。从丰富多样的学科能力活动中形成自觉主动且合理的认知方式(认识角度、认识思路和思维方式),形成核心素养1 2。从宏观到微观的视角认识可逆反应、化学平衡状态及其移动。相同条件下向一个容器中充入的氮气和氢气可部分转化为氨气,另一容器中充入的氨气也可部分转化为氮气和氢气,证明合成氨的反应为可逆反应,让学生从宏观上认识可逆反应,理解各种物质浓度保持不变是化学平衡状态的宏观表现。再引导学生运用活化分子碰撞理论从微观上解释可逆反应发生的原因,理解影响正逆反应速率的因素,认识正逆反应速率相等是化学平衡状态的微观内因。从定性到定量的视角认识化学平衡状态及反应的限度。通过已有的知识“提出猜想、推理演算、发现规律、逐级推广”等系列探究活动发现化学平衡状态的特征值,建立化学平衡常数的数学模型,理解Q=K是化学平衡状态的定量判断方法。认识影响化学平衡常数的内因与外因,了解化学平衡常数与反应限度及物质性质之间的内在联系,从而实现从定性到定量逐级认识化学平衡状态。构建“化学平衡及其移动”思维模型。使用科学严谨而又清晰的描述,从c-t,v-t,Q与K比较等3个认知层级构建“化学平衡及其移动”思维模型。揭示出化学平衡及其移动的宏观表现、微观内因、定量判断3者之间的逻辑联系,为后续的实验探究提供理论依据。在思维模型导向下探究影响化学平衡的因素。先根据思维模型预测“浓度和压强的改变引起化学平衡移动”的结果,结合具体实验情境设计并优化实验方案,预测实验现象,完成实验操作,最后加工整理实验信息并获得结论。创新“勒夏特列原理”的认识方式。无论是从正逆反应速率对比的角度,还是从Q与K比较的角度,都难以预测和解释温度对化学平衡的影响。为此,先从浓度和压强对化学平衡影响的共同规律发现新证据,提出假设,归纳整理出“勒夏特列原理”思维模型,并用于预测温度对化学平衡的影响结果,再通过实验验证预测的结果,从而证明勒夏特列原理的正确性。3 教学目标(1)从宏观和微观2个角度认识可逆反应,理解正、逆反应速率的含义及其影响因素。理解化学平衡状态建立的过程,认识化学平衡的宏观表现及微观内因,培养学生的证据意识。(2)通过探究活动建立化学平衡常数概念,了解影响平衡常数的因素,理解平衡常数的意义,知道用Q=K来判断化学平衡状态。培养学生的归纳与论证能力。(3)了解化学平衡移动的目的,从c-t,v-t,Q和K比较等3个认知层级构建“化学平衡及其移动”思维模型,通过模型构建、模型解释、模型162 0 2 3年第4 4卷第5期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)预测、模型推理等活动培养学生的学科思维能力。认识化学反应是可以调控的,从而树立化学反应的平衡观和变化观。(4)能够运用模型预测外界条件对化学平衡的影响,设计实验验证浓度和压强对化学平衡的影响。能够用微观本质解释宏观现象,培养学生的分析与推理能力、科学探究与创新意识。(5)能够根据已有的实验结论归纳出“勒夏特列原理”思维模型,并用于探究温度对化学平衡的影响,进一步验证勒夏特列原理的正确性,了解勒夏特列原理对工业生产的指导作用。培养学生的归纳与论证能力,培养学生的科学态度,增强社会责任意识。4 教学过程4.1 可逆反应与化学平衡状态【环节1】认识可逆反应的宏观表现 情境 工业上将氢气和氮气压入高温高压且有催化剂的密闭容器中进行合成氨的反应,但反应后气体中氨的含量并不高,一般只有2 5%左右。例如,在一定条件下向容积不变的密闭容器中充入氮气和氢气,某时刻后,氮气、氢气、氨气的浓度不再变化,如教材图2 5(a)所示2。教师 为什么充入容器中的氮气和氢气不能完全转化成氨气呢?学生 因为合成氨的反应是一个可逆反应,某时刻后达到了化学平衡状态。教师 启发讨论:我们如何证明合成氨的反应是一个可逆反应呢?学生 困惑,难以作答。教师 提示教材证据:在相同的条件下,若把氨气通入另一容器中,实验发现氨气确实能发生分解,3种气体的浓度随时间变化如教材图2 5(b)所示2。这一事实说明了什么问题呢?学生 图a说明氮气与氢气能够转化为氨气,图b说明在相同条件下氨气也可以转化为氮气和氢气,则可证明合成氨的反应是一个可逆反应。师生 总结:在相同条件下,原料不断转化为产物,同时产物也不断转化为原料。某一时刻后,原料和产物的浓度均不再发生变化,说明达到了化学平衡状态。【环节2】可逆反应的微观分析 教师 根据活化分子碰撞理论分析,为什么在该容器中会发生正反应和逆反应呢?学生 困惑,难以作答。教师 提示:可逆反应体系中一大群分子(或泛分子)同时发生各种可能的有效碰撞5。师生 讨论:氮气分子和氢气分子参与碰撞,引起正反应的发生(原料分子中的化学键断裂,产物分子中的化学键形成)。同时,氨分子也参与碰撞,引起逆反应的发生(产物分子中的化学键断裂,原料分子中的化学键形成)。【环节3】分析影响正逆反应速率的因素 教师 在可逆反应体系中,哪个方向的反应为正反应?哪个方向的反应为逆反应呢?学生 正反应就是原料转化为产物的反应,逆反应就是产物转化为原料的反应。教师 在可逆反应体系中,怎么定量描述正反应速率和逆反应速率呢?学生 讨论总结:正反应速率 原料消耗的速率或产物生成的速率;逆反应速率 原料生成的速率或产物消耗的速率。教师 影响正逆反应速率的因素各有哪些?师生 讨论总结:影响正反应速率的因素:原料的浓度、压强、温度、催化剂。影响逆反应速率的因素:产物的浓度、压强、温度、催化剂。【环节4】分析化学平衡建立的过程 教师 一定条件下当把氮气和氢气充入容器后,随着各种物质的浓度的变化,正逆反应速率将会如何变化?最终的结果如何?学生 随着反应的进行,氮气和氢气的浓度逐渐下降,而氨气的浓度逐渐升高,造成正反应速率逐渐下降,而逆反应速率逐渐升高。某一时刻后正逆反应速率相等。教师