在化學(xué)平衡圖像教學(xué)中如何提高學(xué)生化學(xué)邏輯思維素養(yǎng)

劉奕欣

（廣州市第九十七中學(xué)，廣東 廣州）

一、在化學(xué)平衡圖像教學(xué)中遇到的實際問題及產(chǎn)生的原因

課程標準要求“能描述化學(xué)平衡建立的過程”，平衡圖像是最簡潔凝練的描述手段，反映著學(xué)生的理解方式、理解深度和表述能力。高考非常重視學(xué)生的分析能力，“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像”更是其中一類常考點。例如近四年全國各地的高考題中，2018年全國III28（1）、2018年北京卷27（2）、2018年天津卷10（2）、2018 年江蘇 16（2）、2017 年全國 I27（1）、2017 年全國 II卷27（1）（2）（3）、2017 年全國 III卷 28（4）、2017 年北京卷 26（1）（2）、2016 國甲 27 題（2）（3）、2016 國乙 27（2）、2016 國丙 27（3）、2015 國甲 27 題（2）、2015 國乙 28（4）③、2015 北京 26（3）、2015安徽 11、2015 重慶 09、2015 四川 07、2015 廣東 31（2）、2015 江蘇15、2015江蘇16（1）都是考查學(xué)生對“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像”的分析。這個考點對學(xué)生來說恰恰是一個難點，每年高考這類題目的得分率都非常低。

認知心理學(xué)研究表明，很多學(xué)生在分析化學(xué)平衡圖像時存在邏輯思維的障礙。所以研究學(xué)生如何在化學(xué)平衡圖像學(xué)習(xí)中突破思維障礙并且提高化學(xué)邏輯思維素養(yǎng)非常重要。邏輯思維的形成需要學(xué)生在對知識點進行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)之后，構(gòu)建自己的知識網(wǎng)絡(luò)，對于難度大、思考跨度大的知識點，需要從本質(zhì)出發(fā)，對知識點深入學(xué)習(xí)，環(huán)環(huán)相扣，梯度性地進行吸收消化，從而形成對該類知識點的邏輯思維。

化學(xué)函數(shù)圖象中，有關(guān)“化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡圖像”在人教版中只簡單出現(xiàn)在必修2第51頁圖2-20，而綜合教輔資料、網(wǎng)絡(luò)資料和實際教學(xué)，會發(fā)現(xiàn)當前的主要教學(xué)大多針對“速率-時間”“濃度-時間”等類型。學(xué)生大多通過練習(xí)獲得對各類相關(guān)圖像的解題技能，而缺乏對圖像本質(zhì)、意義的深刻理解，沒有真正提高對該類圖像的分析能力，所以無法在分析過程構(gòu)建起自己的邏輯思維，從而產(chǎn)生分析圖像的思維障礙。一旦產(chǎn)生思維障礙，學(xué)生對于圖像分析就會有畏難情緒，影響學(xué)習(xí)。培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)的化學(xué)邏輯思維素養(yǎng)顯得尤為重要。

二、培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)邏輯素養(yǎng)的重要性

化學(xué)科學(xué)素養(yǎng)是指人認識和處理物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化規(guī)律及抽象與化學(xué)相關(guān)的事物本質(zhì)的悟性和潛能，是化學(xué)觀念、化學(xué)知識、化學(xué)技能、化學(xué)思維、化學(xué)思想、化學(xué)能力、化學(xué)品質(zhì)的和諧統(tǒng)一。它包括化學(xué)意識、創(chuàng)造能力、思維品質(zhì)、化學(xué)語言四個層面。培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)的化學(xué)邏輯思維素養(yǎng)顯得尤為重要。以往傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)只是片面地強調(diào)知識和技能目標，忽視了全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

本課題的切入點就是在化學(xué)平衡圖像教學(xué)中如何提高學(xué)生化學(xué)邏輯思維素養(yǎng)。

三、在化學(xué)平衡圖像教學(xué)中如何提高學(xué)生化學(xué)邏輯思維素養(yǎng)的措施策略

思維過程包括分析、綜合、比較、抽象、概括、判斷和推理等基本過程，通過聯(lián)想和邏輯過程來實現(xiàn)。教學(xué)要讓學(xué)生構(gòu)建起自己的邏輯思維，由淺入深，環(huán)環(huán)相扣，讓學(xué)生深刻理解圖像本質(zhì)、意義。

1．要看圖先畫圖，在畫圖過程中認識圖像的本質(zhì)。

例如：對于濃度-時間圖，通過學(xué)生畫圖，逐步由淺入深進行了解。

學(xué)生活動1：373K時，將0.10mol無色N2O4氣態(tài)放入100mL抽空的密閉容器中，發(fā)生如下反應(yīng)：N2O4?2NO2，隔一定時間對體系進行分析，得到以下數(shù)據(jù)：

時間/s 0 20 40 60 80 100 n（N2O4）/mol 1.0 0.7 0.5 0.4 0.4 0.4 n（NO2）/mol 0 0.6 1.0 1.2 1.2 1.2

請畫出坐標圖：作出N2O4和NO2的濃度隨時間變化的曲線。

學(xué)生作品

3.學(xué)生已經(jīng)能掌握同一反應(yīng)在改變條件的情況下，濃度-時間的變化圖像，那么就要及時讓學(xué)生完成練習(xí)鞏固。

挑戰(zhàn)練習(xí)（2012國標改編）

COCl2的分解反應(yīng)為COCl2（g）?Cl2（g）+CO（g） ΔH=+108 kJ·mol-1。

目的：學(xué)生在畫圖中就可以掌握起點、拐點的意義和平衡時的濃度狀態(tài)。

這樣比直接拿題目讓學(xué)生記住解題技巧“看清起點、拐點、終點，看清曲線的變化趨勢；先拐先平……”更能讓學(xué)生理解圖像的本質(zhì)、意義。

2．由淺入深，環(huán)環(huán)相扣，讓學(xué)生對知識點梯度性地進行吸收消化，從而形成對該類知識點的邏輯思維。

前面學(xué)生通過畫圖已經(jīng)掌握了從反應(yīng)開始到平衡時反應(yīng)物和生成物的圖像特點，那假如同一反應(yīng)在平衡后，經(jīng)過改變條件使平衡移動，再次平衡的圖像又有什么特點呢？

學(xué)生活動2：

完成實驗觀察并記錄實驗現(xiàn)象在K2Cr2O7的溶液中存在著如下平衡

實驗編號 現(xiàn)象 結(jié)論（離子濃度變化） 平衡移動方向①滴加 3～10滴濃H2SO4溶液從黃色向橙色轉(zhuǎn)變C（H+）增大；C（Cr2O72-）增大；C（CrO42-）減小；C（H2O）不變 逆向② 滴 加 10～20滴6mol/LNaOH溶液從橙色向黃色轉(zhuǎn)變C（H+）減小；C（Cr2O72-）減小；C（CrO42-）增大；C（H2O）不變 正向

請畫出實驗①②的 C（Cr2O72-）、C（CrO42-）、C（H+）隨時間變化的C-t圖像（多種答案）。

學(xué)生作品

目的：遵循學(xué)生的邏輯思維，不難理解這里的關(guān)鍵是①增加C（H+），所以畫圖的時候C（H+）縱坐標要顯示出明顯的增加（改變條件后的原點和原狀態(tài)的平衡點有距離），而引起平衡逆向移動，所以增大減小，它們的縱坐標直接在原點畫趨勢就行，同理②滴加NaOH，C（H+）減少。

所以分析圖像的時候，學(xué)生就懂得了要觀察每個階段的起點和拐點變化，從而判斷是改變了什么條件使平衡產(chǎn)生移動；同時通過濃度的趨勢變化可以判斷平衡的移動方向。

反應(yīng)體系平衡后，各物質(zhì)的濃度在不同條件下的變化狀況如下圖所示。（第10min到14min的COCl2濃度變化曲線未示出）

（1）第10min時改變的條件是_____________。

（2）第14min時改變的條件是_____________。

這道題學(xué)生解答得非常順利，馬上會第一時間觀察10min各物質(zhì)的濃度變化，COCl2濃度變化曲線未表示出，但是CO的濃度突然減少，而Cl2的濃度趨勢說明平衡右移。所以（1）答案：移動了CO。

同樣道理，觀察到14min時CO的濃度和Cl2的濃度都突然減少，趨勢變化說明平衡右移。所以答案（2）擴大了容器體積。

大量研究結(jié)果表明，學(xué)生對于平衡圖像的學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的思維障礙屬于非知識和技能被遺忘所形成，如果只是簡單地通過知覺和回憶去解題，學(xué)生會對這類題產(chǎn)生恐懼。而通過前面尊重學(xué)生的認知策略，讓學(xué)生畫圖分析、綜合、概括，能形成對該類題的邏輯思維。

4.邏輯思維還要通過比較來實現(xiàn)，我們要引導(dǎo)學(xué)生將不同的圖像對應(yīng)整合與融合，了解圖像之間的聯(lián)系，理解各種類型圖像的特征。

當學(xué)生掌握了同一反應(yīng)在改變條件的變化圖像，教師再問：假如只選用用同一物質(zhì)（反應(yīng)物或者生成物），而表達不同條件（溫度、壓強、催化劑）下的平衡移動呢？

學(xué)生活動3：固定和利用CO2能有效地利用資源，并減少空氣中的溫室氣體。工業(yè)上有一種用CO2來生產(chǎn)甲醇燃料的方法：

CO2（g）＋3H2（g）?CH32OH（g）＋H2O（g）ΔH＝－49.0 kJ·mol－1

某科學(xué)實驗將6molCO2和8molH2充入2L的密閉容器中，測得H2的物質(zhì)的量隨時間變化如圖所示（實線）。

（1）a點正反應(yīng)速率____（填大于、等于或小于）逆反應(yīng)速率。

（2）下列時間段平均反應(yīng)速率最大的是____，最小的是____。

A.0～1min B.1～3min C.3～8min D.8～11min

（3）求平衡時氫氣的轉(zhuǎn)化率和該條件下反應(yīng)的平衡常數(shù)K。（寫出計算過程）

（4）僅改變某一實驗條件再進行兩次實驗，測得H2的物質(zhì)的量隨時間變化如圖中虛線所示，曲線I對應(yīng)的實驗條件改變是_____________，曲線II對應(yīng)的實驗條件改變是_____________。

（5）請在上圖畫出如加入催化劑時H2的物質(zhì)的量隨時間變化的曲線。

學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)I、II兩條曲線和實線一樣，都是H2在不同條件（溫度、壓強、催化劑）下的平衡移動下的變化情況。通過對比，更加理解一樣是“濃度-時間”圖及不同圖像之間的聯(lián)系和區(qū)別。

5.教師要讓學(xué)生進行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，形成對該類知識點的邏輯思維。學(xué)生從一幅圖得到一組圖，既領(lǐng)悟了平衡的內(nèi)涵，又收獲了學(xué)習(xí)的方法。

學(xué)生活動4：請從下面兩個圖像中分析兩圖的異同？

學(xué)生可以很快看出原來經(jīng)常見到的右邊的圖是左邊的簡化圖，都是當只表達其中一種物質(zhì)，且在不同條件（溫度、壓強、催化劑）下的平衡移動，再歸納這些圖的相同之處：都有明顯的拐點表示平衡。這樣學(xué)生在做題的時候思路就非常清晰，不會再對這類圖產(chǎn)生恐懼。

練習(xí)：

已知某可逆反應(yīng)在密閉容器中進行：

A（g）+2B（g）?3C（g）+D（g）（正反應(yīng)為放熱反應(yīng)），圖中曲線b代表一定條件下該反應(yīng)的過程，若使曲線b變?yōu)榍€a，可采取的措施是（ ）

A.增大A的濃度

B.縮小容器的容積

C.加入催化劑

D.升高溫度

所以其實濃度-時間圖、物質(zhì)的百分含量-時間-溫度（壓強）圖，有的資料分成了四、五種不同的類型進行解題技巧分析。但是按照這些教學(xué)策略，一幅圖得到一組圖，會發(fā)現(xiàn)這些其實是同一類圖，而且看圖難點也迎刃而解。

四、小結(jié)

平衡圖像的產(chǎn)生是展示理解過程和理解深度的最佳手段，借助這種最簡潔最突出地揭示變量間關(guān)系的方式，集中彰顯了不同物理量的變化趨勢、數(shù)量及相互關(guān)系。在教學(xué)中需要運用對應(yīng)的教學(xué)策略培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維，讓學(xué)生能真正理解和運用平衡圖像，提高化學(xué)邏輯思維素養(yǎng)。