化學教學中基于看圖說話的合作探究

邱紹方 王輝 王呂伊穎 朱素娟

摘 要：文章闡述了合作探究的概念和化學教學中看圖說話的含義，論述了化學課堂教學中基于坐標圖、實驗裝置圖、工藝流程圖和物質結構示意圖等的合作探究。

關鍵詞：化學教學；看圖說話；合作探究

作者簡介：邱紹方，廣東省廣州市第三中學教師（廣東 廣州 510120）；王輝、王呂伊穎、朱素娟，華南師范大學化學與環境學院。（廣東 廣州 510631）

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）07-0077-06

看圖說話是一個經久不衰的話題，學生放眼看世界時，就在父母的指導下看圖說話。現在各科學習都離不開看圖說話，化學學習更是如此。高考考試說明明確要求，在化學教學中，學生應習得如下能力：①通過對圖形、圖像的觀察，獲取有關感性知識并進行初步加工的能力；②準確地提取實質性內容，重組為新知識塊的能力；③用圖像、模型、圖形等展示問題解決的過程，并做出解釋的能力。2017年高考全國Ⅰ卷理綜化學試題中，通過看圖說話體現的共有9道題，涉及坐標圖、實驗裝置圖、工藝流程圖和物質結構圖，等等。看圖說話是學生將來學習、工作和生活終生應具備的基礎能力，也是現在學習中遇到的障礙。化學教學中如何通過合作探究，引導學生解決學習中的困難，正確看圖說話呢？筆者結合教學實踐，談談個人的認識。

一、合作探究

合作學習是以學習小組為基本組織形式，系統利用教學動態因素之間的互動來促進學習，以小組團體成績為評價標準，共同達成教學目標的活動。探究性學習是指學生圍繞一定的問題、文本或材料，在教師的幫助和支持下，自主尋求或自主建構答案、意義、理解和信息的活動或過程。合作探究將合作學習和探究學習有機融合，是當今教育的發展需要。筆者在教學實踐中將學生分成4人小組，先由學生進行自由組合，然后教師適當進行調配。小組成員合作時間為一學年。基本教學環節是教師設計探究問題；學生圍繞問題進行探究，小組成員之間互動；教師組織小組之間的交流互動；教師評價。

二、化學教學中的看圖說話

化學教學中的看圖說話是指學生根據教師給定的文本圖示材料，按照教師設計的探究問題，把圖示的化學含義運用基本概念和基礎理論，結合數學規律、化工實際情況或實驗現象和數據通過口頭或文字表達出來。主要圖形包括坐標圖、實驗裝置圖、工藝流程圖和物質結構示意圖，等等。學生解答這類問題時，往往存在耗時較多，信息理解不透徹，知識遷移能力較差，對圖形的本質挖掘不足等情況。對此，筆者通過學生合作探究，提升學生提取圖中信息的能力，化解教學中的難點。

三、化學教學中基于看圖說話的合作探究

1. 基于坐標圖的合作探究。化學教學中的坐標圖有二維坐標圖和三維坐標圖（如電子云圖），二維坐標圖有一個因變量，一個自變量或兩個自變量，若只有一個自變量，則只有一條曲線或直線，若有兩個自變量，則有多條曲線，此時需要控制一個變量不變，只有其中的一個量作為自變量。自變量與因變量需要依據化學變化的含義來確定是縱坐標還是橫坐標，并非縱坐標就是因變量。解答此類題的基本方法是弄清因變量怎樣隨自變量變化而變化，這些變化規律可通過學生合作探究自主尋找。

案例1：常溫下將NaOH溶液添加到己二酸（H2X）溶液中，混合溶液的pH值與離子濃度變化的關系如圖1所示。請探究下列問題：

（1）圖中的因變量是什么，自變量是什么？

（2）M、N哪一條代表H2X與NaOH反應，哪一條代表HX-與NaOH反應？如何判斷？

（3）己二酸的Ka1、Ka2分別是多少？

（4）當溶質只有NaHX時，溶液中c（H+）與

c（OH-）大小關系是什么？

（5）當溶液的pH=7時，溶液中的溶質是什么？

溶液中各離子濃度的大小關系是什么？

各小組完成互動探究后，小組內同學經過充分討論、質疑，統一認識后，教師再組織小組間同學互動。

教師：下面進行問題（1）的互動。

第1小組：pH是因變量，lg 或

lg 是自變量，因為pH是縱坐標，

lg 或lg 是橫坐標。

第2小組：pH是自變量，lg 或

lg 是因變量，因為在己二酸中加入NaOH溶液，是c（OH-）增大，才引起己二酸與NaOH反應，導致c（H2X）、c（HX-）及c（X2-）的變化。

教師：第2小組同學探究的結果正確，化學坐標圖中自變量與因變量的確定，需要理解化學變化的含義，根據實際來確定。繼續進行問題（2）的互動。

第3小組：M代表H2X與NaOH反應，N代表HX-與NaOH反應，因為H2X先與NaOH反應，當H2X全部變成HX-后，HX-才與NaOH反應。

第4小組：N代表H2X與NaOH反應的直線，M代表HX-與NaOH反應的直線。根據H2X的第一級電離常數和第二級電離常數，分別得出

= 和 = ，因Ka1>Ka2，當pH相同時，得出 > ，即lg >lg .

教師：第4小組探究結果正確，對于一條直線或者曲線，一定要結合化學變化的實質進行判斷。繼續進行問題（3）的互動。

第5小組：據圖，當pH=4.8時，lg =lg =0.4，解得，Ka1=10-4.4，lg =

lg =-0.6，解得Ka2=10-5.4.

教師：第5小組探究結果正確，有了第4組的正確探究結論，問題（3）不難解答，下面進行問題（4）的互動。

第6小組：當溶質只有NaHX時，溶液中c（H+）小于c（OH-），因為HX-要水解，溶液顯堿性。

第7小組：應該c（H+）大于c（OH-），因為HX-+H2O？葑H2X+OH-，Kh2= = =10-9.6，所以，Ka2>Kh2，HX-的電離程度大于其水解程度。

教師：第7小組探究正確，凡是酸式鹽都要判斷其電離程度與水解程度的相對大小。繼續問題（5）的互動。

第8小組：當溶液的pH=7時，溶液中的溶質是Na2X，因為NaHX溶液的pH<7。

第9小組：應該是NaHX和Na2X，因為Na2X溶液pH>7，而且由圖可知，當pH>7時，lg >0，即 c（X2-）>c（HX-）。

第10小組：如何說明c（Na+）與c（X2-）的關系呢？

第11小組：據電荷守恒：c（Na+）+ c（H+）=

2 c（X2-）+ c（HX-）+ c（OH-），因pH=7，知c（Na+）=2 c（X2-）+ c（HX-），所以，c（Na+） >c（X2-）。

第12小組：怎么知道c（HX-）與c（H+）或c（OH-）的關系呢？

第13小組：因X2-+H2O？葑HX-+OH-、HX-+H2O？葑 H2X+OH-和H2O？葑H++OH-，且X2-、HX-的水解程度和H2O的電離程度都很小，即所產生的OH-濃度很小，且X2-水解生成的HX-離子多于HX-水解消耗的HX-，所以，c（HX-）>c（OH-）= c（H+）。

教師：經過各小組的互動探究，我們得出：當溶液的pH=7時，溶液中的溶質是NaHX和Na2X，且溶液中各離子濃度的關系為：c（Na+）>c（X2-）>

c（HX-）>c（OH-）= c（H+）。

2. 基于實驗裝置圖的合作探究。化學實驗裝置是由儀器組裝起來的，首先要能說清圖示裝置中各儀器在此實驗中的用途及此實驗中選用此儀器的原因，其次說清各分裝置的用途及各分裝置連接的要點，再次說清各分裝置發生的反應及現象，最后說清實驗操作的要點及注意事項。

案例2：實驗室用H2還原WO3制備金屬W的裝置如圖2所示（Zn粒中往往含有硫等雜質，焦性沒食子酸溶液用于吸收少量氧氣），請各小組探究下列問題：

（1）裝置①的名稱是什么，什么條件下才能使用它？

（2）從裝置①出來的氣體含有哪些雜質？為什么？

（3）裝置①、②、③、④、⑤和⑥的作用分別是什么？各裝置之間的連接要點是什么？

（4）該實驗的操作要點是什么？如何實現？

各小組學生完成互動探究后，小組內同學經過充分討論、質疑，統一了認識，然后教師組織小組間同學互動。

教師：下面進行問題（1）的互動。

第1小組：裝置①的名稱是啟普發生器，當塊狀不溶于水的固體與液體反應制備氣體，且氣體不溶于反應液，不需要加熱時，可以使用啟普發生器。

第2小組：為什么要是塊狀不溶于水的固體呢？

第3小組：因為粉末狀固體可以漏下至葫蘆形容器的下半球與酸接觸而反應，所以不能是粉末狀。

第4小組：啟普發生器最大的優點是要用氣體時打開活塞，不用氣體時關閉活塞。如果固體溶于水，打開活塞，液體浸沒固體后，固體就全部溶解了，后面要用氣體時就沒有了。

教師：大家對啟普發生器的應用探究特別透徹，弄清了原來模糊的問題，繼續進行問題（2）的互動。

第5小組：Zn粒中含有硫化鋅與鹽酸反應產生H2S，所以從裝置①出來的氣體含有H2S和空氣等雜質。

教師：這些雜質對實驗有什么干擾？如何除去？請進行問題（3）的互動。

第6小組：空氣中的O2與H2混合受熱會引起爆炸，可以用焦性沒食子酸溶液除去，焦性沒食子酸溶液可盛裝于洗氣瓶④中。

第7小組：凡是氣體與固體反應，需要加熱，氣體必須干燥，所以⑤中裝有濃硫酸。

第8小組：因為H2S可以與⑤中的濃硫酸反應使濃硫酸變稀，且產生有毒氣體SO2，致使尾氣不經處理污染環境。所以在氣體進入⑤之前必須除去，可以用酸性KMnO4溶液除去，酸性KMnO4溶液可盛裝于洗氣瓶③中。

第9小組：H2S具有強還原性，能不能還原WO3呢？

第10小組：在CuSO4溶液中通入H2S氣體，只產生黑色沉淀，說明H2S在溶液中不能還原Cu2+，H2S在固體時也應該不與WO3反應。

第11小組：但是H2S受熱分解產生H2，H2可以還原WO3.

第12小組：洗氣瓶③與④中盛裝的溶液可以對換。瓶②為安全瓶，目的是防止液體倒吸。

第13小組：安全瓶②應該“短進長出”，其他的洗氣瓶都應該“長進短出”。

教師：經過各小組的探究，得出安全瓶應該“短進長出”，洗氣瓶都應該“長進短出”。 加熱條件下與固體試劑反應需要先干燥，干燥之前需要除雜。下面進行問題（4）的互動。

第5小組：應該先通H2排盡裝置中的空氣，以防空氣中的O2與H2混合受熱引起爆炸；要等H2將WO3全部還原再停止加熱，要等生成的W冷卻后再停止通入H2，以防生成的W再次被進入空氣中的O2氧化。

教師：對于給定的實驗裝置圖，首先要弄清這套裝置是用來干什么的，然后要弄清各儀器的作用是什么，再理清各儀器連接的先后順序，最后弄清實驗操作的要點。

3. 基于工藝流程圖的合作探究

化學工藝流程題是典型的化學模型試題，是從原始的工藝流程中抽象提煉而成的，是難度較大的看圖說話試題，是以元素及其化合物為載體考查化學概念、理論的綜合性試題。方法是借助題干信息，理清圖中各步反應原理及反應產物的分離提純，并應用化學理論予以解釋，看懂圖示內在的邏輯聯系。

案例3：Li4Ti5O12和LiFePO4都是鋰離子電池的電極材料，可利用鈦鐵礦（主要成分為FeTiO3，還含有少量MgO、SiO2等雜質）來制備，工藝流程如下圖3：

請各小組探究下列問題：

（1）酸浸哪些條件利于提高鐵的浸出率？酸浸時發生了哪些化學反應（鈦主要以TiOCl42-形式存在）？請寫出相應的離子方程式。

（2）濾液①中主要含有哪些離子？濾液①水解的目的是什么？控制什么條件可以達到目的？

（3）濾液②中加雙氧水、磷酸的目的是什么？若濾液②中c（Mg2+）=0.02mol·L-1，加入雙氧水和磷酸（設溶液體積增加1倍），使Fe3+恰好沉淀完全，即溶液中c（Fe3+）=1.0×10-5 mol·L-1，此時是否有

Mg3（PO4）2沉淀生成[FePO4、Mg3（PO4）2的KSP分別為1.3×10-22、1.0×10-24]？

（4）請分別寫出高溫煅燒①、高溫煅燒②的化學方程式。

（5）已知Li2Ti5O15中Ti的化合價為+4，則TiO2·xH2O加雙氧水、氨水的目的是什么？Li2Ti5O15中過氧鍵的數目是多少？

各小組學生完成互動探究后，小組內同學經過充分討論、質疑，統一認識后，教師組織小組間同學互動。

教師：下面進行問題（1）的互動。

第1小組：加熱、攪拌、將礦石粉碎等可以提高鐵的浸出率。

第2小組：還有時間，時間越長，浸出率越高。

第3小組：FeTiO3可以與鹽酸反應：FeTiO3+ 4H++4Cl- = Fe2++ TiOCl42- + 2H2O；MgO也可以與鹽酸反應：MgO+2H+=Mg2++H2O.

教師：我們探究的問題是酸浸哪些條件利于提高鐵的浸出率，而不是哪些條件利于提高鐵的浸出速率，所以，除了加熱、攪拌和將礦石粉碎以外，還與時間有關。下面進行問題（2）的互動。

第4小組：濾液①中主要有H+、Mg2+、Fe2+、TiOCl42-、Cl-等。濾液①水解的目的是使TiOCl42-轉變為TiO2·xH2O沉淀與Mg2+、Fe2+分離。

第5小組：從TiOCl42-水解的離子方程式：TiOCl42-+（x+1）H2O=TiO2·xH2O↓+4Cl-+4H+，可知調節溶液的pH可以使TiOCl42-轉變為TiO2·xH2O沉淀與Mg2+、Fe2+分離的目的。

教師：第4小組與第5小組的探究很成功，下面進行問題（3）的互動。

第6小組：濾液②中加雙氧水、磷酸的目的是制備FePO4，其中雙氧水的作用是將Fe2+氧化為Fe3+：2Fe2++H2O2+2H+= 2Fe3++2H2O.

第7小組：濾液②中加雙氧水、磷酸的目的是制備FePO4，要寫總化學方程式：2Fe2++H2O2+2H3PO4=2FePO4↓+4H++2H2O.

第8小組：Fe3+恰好沉淀完全時，c（PO43-）= mol·L-1=1.3×10-17 mol·L-1，c3（Mg2+）×c2（PO43-）=（0.01）3×（1.3×10-17）2=1.7×10-40

教師：濾液②中加雙氧水作用是將Fe2+氧化為Fe3+，加雙氧水、磷酸的目的是制備FePO4，所以，要像第7小組那樣寫總化學方程式。第8小組的探究很正確，請同學們一定要注意，在同一溶液中，不管是針對Fe3+的計算，還是針對Mg2+的計算，PO43-的濃度都是一樣的。下面進行問題（4）和（5）的互動。

第9小組：高溫煅燒①的化學方程式為：Li2Ti5O15+Li2CO3 Li4Ti5O12+CO2↑+2O2↑， 高溫煅燒②的化學方程式為： 2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O4 2LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑。

第10小組：Li2Ti5O15中有兩種氧原子，一種是-2價的氧原子，一種是過氧根中的氧，顯-1價，設過氧鍵的數目為x，據化合價代數和為零，有（+1）×2+（+4）×5+（-2）×（15-2x）+（-1）×2x=0，解得x=4。

教師：高溫煅燒①是Li2Ti5O15部分氧的化合價降低、部分氧的化合價升高和Li2CO3 部分氧的化合價升高所致，高溫煅燒②是FePO4 中鐵元素化合價降低，H2C2O4中碳元素化合價升高所致。Li2Ti5O15中含有過氧根（O22-），其中氧元素為-1價，是解答問題的關鍵。

4. 基于物質結構示意圖的合作探究。物質結構示意圖包括原子結構、分子結構和晶體結構示意圖，其中原子結構圖形包括原子結構示意圖、電子式、電子排布式和電子排布圖等，分子結構圖包括電子式、結構式比例模型和球棍模型等，晶體結構圖包括投影示意圖、晶體結構和晶胞圖等，本文僅以晶胞圖為例進行合作探究。

案例4：MgO具有NaCl型結構（如圖4），其中陰離子采用面心立方最密堆積方式，X射線衍射實驗測得MgO的晶胞參數為a=0.420nm，請探究下列問題：

（1）氧離子半徑r（O2-）為多少？

（2）與每個O2-距離最近的O2-數目是多少？與每個O2-距離最近的Mg2+數目是多少？

（3）Mg2+采用的堆積方式是什么？

（4）MgO晶體的密度是多少？

（5）MnO也屬于NaCl型結構，晶胞參數為a' =0.448 nm，則Mn2+半徑r（Mn2+）是多少？

各小組學生完成互動探究后，小組內同學經過充分討論、質疑，統一認識后，教師組織小組間同學互動。

教師：下面進行問題（1）的互動。

第一小組：因為離子間采用緊密堆積，所以面對角線長是O2-半徑的4倍，據勾股定理有[4r（O2-）]2=2a2， r（O2-）= a= ×0.420nm=0.148nm.

教師：第1小組探究正確，下面進行問題（2）的互動。

第2小組：與每個O2-距離最近的O2-數目是3，我們以右下角O2-（如圖5中圈圈2的O2-）為例，與之距離最近的O2-應該是面心的O2-（如圖5中圈圈1的O2-）。

第3小組：與每個O2-距離最近的O2-數目是12，因為每個頂點為8個晶胞所共有，在圈圈2的O2-的右下方有3個O2-，右上方有3個O2-，左下方有3個O2-，共12個O2-.

第4小組：與每個O2-距離最近的Mg2+數目是6，如圖6所示，其中圈圈2圈住的是O2-.

教師：第2小組只考慮了一個晶胞的，要注意每個頂點為8個晶胞所共有，像第3小組的分析才是正確的。下面進行問題（3）的互動。

第5小組：如圖7中阿拉伯數字的標注所示，Mg2+采用的堆積方式是立方體心緊密堆積。

教師：第5小組分析正確，下面進行問題（4）的互動。

第6小組：每個晶胞的Mg2+為：12× +1=4，每個晶胞的O2-數為：8× +6× =4，即每個晶胞中有4個MgO，其質量為4mol×56g·mol-1=224g，密度為 = =3.02×103g/nm3.

第7小組：56g是1mol MgO的質量，一個MgO的質量為 =9.3×10-23g，每個晶胞的質量為4×9.3×10-23g=3.72×10-22g.

第8小組：固體密度的單位是g/cm3，計算晶胞的體積時應該進行單位換算，即密度為 =5.02g/cm3.

教師：計算晶體密度時，一定要先計算一個晶胞所含的粒子個數，然后計算一個晶胞的質量，此時要注意把1mol粒子的質量換算成1個粒子的質量，像第7小組一樣，而且還要像第8小組一樣計算體積時進行單位換算。下面進行問題（5）的互動。

第9小組：晶胞邊長是2個Mn2+半徑和2個O2-半徑之和，即2r（Mn2+）+2r（O2-）=0.448nm，

r（Mn2+）= = =0.076nm.

教師：第9小組解答正確。通過上述計算，我們發現，在晶體結構的相關計算中，不僅要理解化學含義，更需要空間想象力，甚至有時是純數學計算，如問題（5）。

合作探究要注意將小組學生“捆綁”在一起，用小組整體成績作為個人評價的依據，并給予個人精神獎勵和物質獎勵，合作學習才能有效開展。評價的內容有小組成員的合作程度和小組整體參加各種測試所得成績，合作程度包括小組成員合作貢獻度、課堂活動參與度、課外活動參與度、作業態度和小組任一組員是否都理解及解答所有問題等；測試成績包括課堂回答問題得分、小組之間辯論得分、單元小測得分、幫組其他組解決問題所得加分和參加校外活動（如化學競賽）所得加分等，教師課前需要精心設計一份評價表，根據統計可以實行周評、月評、期中評和期末評等。

總之，合作探究不僅可以進行實驗探究，而且可以進行概念、理論和圖示等問題的探究，合作探究過程中學生可以進行正誤辯論，去偽存真，是突破化學教學中的難點問題的有效策略。化學教學中的看圖說話，通過學生課堂的合作探究，問題迎刃而解，學生在合作中交往，在探究中發現，在辯論中發展。

參考文獻：

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[3] 邱紹方.化學教學中有效開展合作學習的策略[J].新課程研究（下旬），2013，（4）：121-123.

責任編輯 朱澤玲