基于核心素養建構模型解決化學反應速率與化學平衡問題

趙明哲 劉曉軍 王小磊

摘要：本課例選擇實際生產中的真實情境，以石油化工中正丁烷催化脫氫反應為例，在理論與實際對比的矛盾沖突中建構思維模型，運用模型解決真實情境中化學反應調控問題，培養“證據推理與模型認知”“變化觀念與平衡思想”的核心素養。

關鍵詞：化學反應速率;化學平衡;模型建構;核心素養

文章編號：1008-0546（2020）04-0068-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.017

一、指導思想與理論依據

《普通高中化學課程標準（2017年版）》[1]（下稱“新課標”）中提出化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”。新課標對化學反應、限度和速率這一主題中化學反應調控的要求為：認識化學反應速率和化學平衡在生產、生活和科學研究中的重要作用。知道催化劑可以改變反應歷程，對調控化學反應速率具有重要意義。

結合新課標中的要求，選擇實際生產中的化學反應調控問題為真實情境，經過文獻調研[2-6]，選擇了提高石油化工中碳四烴的利用率為主題，以正丁烷催化脫氫制正丁烯反應的調控為研究對象。本課例的指導思想是從理論分析與真實情景的矛盾出發，建立思維模型，引導學生基于實際結果，結合模型進行分析，形成解決真實情境中化學反應速率和化學平衡問題的方法，體現化學反應速率和化學平衡對于調控化學反應的作用，培養學生“證據推理與模型認知”“變化觀念與平衡思想”的核心素養。

二、教學背景知識分析

化學反應速率、化學平衡和反應進行的方向等化學反應原理知識，在人教版教科書中屬于高中化學選修4《化學反應原理》第二章內容[7]。化學反應速率和化學平衡體現了以下價值：（l）學科價值，化學反應速率和化學平衡是中學理論化學的基礎，是學習后續章節水溶液中的離子平衡、沉淀溶解平衡的基礎;（2）社會價值，應用化學反應速率和化學平衡理論實現對生產生活中化學反應的調控和利用，使反應符合人們的需求;（3）學生價值，化學反應速率和化學平衡使學生更深刻、更全面地理解化學反應，有助于培養學生的學科素養。

本章雖然沒有具體地介紹化工生產內容，但選擇化工生產最適宜的條件必然涉及化學反應速率和化學平衡等理論的應用。可以引導學生學習分析具體反應的特點，進而利用所學理論知識進行合理選擇。同時要學習全面思考各種條件的相互影響，在比較中趨利避害，取得最優化的條件，使學生了解化學理論對于實際生產的指導作用[8]。

三、學生學習困難分析

高三一輪復習中，已完成對于化學反應速率和化學平衡的章節復習，學生對于該章節的基礎概念掌握熟練。在前測中，96%以上的學生可以對于熟悉的可逆反應，僅改變一個外界條件時，準確地分析化學反應速率的變化和化學平衡的移動。

但是，對于真實情境的分析，如體系中有多個化學反應同時發生，尤其是對于工業生產中復雜圖表的分析（如2019年北京理綜27（1）④題，2018年北京理綜26（4）題等），學生缺乏有效的分析方法，往往還是靠猜測。在前測中，51%的學生難以從復雜圖表中提取出有效的信息，87%的學生對于有多個化學反應同時發生的復雜體系，感覺無從下手。這是重點要去解決、突破的問題。

四、基于模型建構的教學活動設計與實施

1.整體教學思路

基于上述分析，本課例的教學目標是：教會學生從圖表、文字中提取有效信息，并結合已有知識體系，運用“全面搜索”的方法對于信息進行加工;從理論向實際應用遷移，幫助學生逐步建立并擴展思維模型，掌握實際生產中化學反應調控問題的解題思路。

為達到該目標，如表1所示，本課例將實際生產主題下真實情境中的化學反應調控問題設計為3個活動：（l）活動一模型建立;（2）活動二模型應用;（3）活動三模型擴展應用。這一設計能夠體現學生思維和能力提升的過程，即從對理論的分析上升到對具體實例的分析，將這種分析的思維路徑概括為思維模型并轉化為解決問題的能力。

2.教學實施與目的分析

環節1：情境引入

[問題1]我國石油化工發達嗎？判斷依據是什么？

[素材1]除乙烯外，碳四烴也是一種重要的石油化工產品。目前我國碳四烴產量高，但利用率低。為解決上述問題，可用碳四烴中的正丁烷催化脫氫制正丁烯，進一步轉化得到高附加值化工產品。本課例以正丁烷催化脫氫反應為背景，研究如何調控化學反應，提高生產效率。

[設置意圖1]創設與實際生產相關的真實情境，引入課題，體現化學學科的應用價值。

環節2：活動一模型建立

[素材2.1]介紹正丁烷催化脫氫反應裝置，給出

[學生活動1]畫出只改變一個外界條件對反應“C⁴H¹⁰（g）

C⁴H⁸（g）+H²（g）

H=+123kj/mol”中正丁烷平衡轉化率的影響。

[學生學習表現]對于熟悉的改變外界條件對于化學平衡移動影響的問題，如圖1所示，學生能夠快速地從三個角度，即濃度（進料比）、壓強和溫度作圖進行正確的回答。

[設置意圖2.1]從基礎概念出發，體現檢測功能，強化落實基礎知識。

[素材2.2]實際生產中，由氫氣和正丁烷組成的進料氣持續通入反應裝置中，反應不一定到達平衡狀態，實際測得不是正丁烷平衡轉化率而是單位時間正丁烯產率。

[問題2]單位時間正丁烯產率和正丁烷平衡轉化率有什么不同？