基于“實驗探究與證據推理”素養導向的“化學平衡”教學實踐與反思

牛 淼

(安徽省合肥市第七中學)

核心素養是學生應具備的、能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力,《普通高中化學課程標準》(2017年版2020年修訂)中提出了“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”五個維度的化學學科核心素養,再一次凸顯出了實驗探究和證據推理在課堂教學實踐中的核心地位,在素養為本的背景下,一線教師重塑化學課堂,具有非常重要的現實意義,也是時代賦予的重要使命。

化學是以實驗為基礎的科學,實驗探究在課堂教學中起著舉足輕重的作用,通過化學實驗引導學生具有證據意識,基于證據加以分析推理,建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系,揭示現象的本質和規律。進而發展學生“發現和提出有探究價值的問題,能從問題和假設出發,確定探究目的,設計探究方案,進行實驗探究,在探究中學會合作”,較為明確地表述所探究的問題,提升核心素養。下面以筆者實際教學“影響化學平衡移動的條件”一課為例作以下闡述。

一、教材分析

學生在人教版(2019)高中化學《必修第二冊》的學習中已經知道外因的變化能使化學平衡狀態發生改變,本節內容既是在必修課程基礎上的延伸,又是選擇性必修教材《化學反應原理》第二章承上啟下的核心,系統性好,理論性強,有利于啟發學生實驗探究和推理思考。

影響化學反應速率的條件和化學平衡等知識剛剛學完,不僅在知識上為本節的教學奠定了基礎,而且其探討問題的思路和方法,也可以遷移至本節課來指導學生進行學習。當濃度、溫度、壓強等外界條件改變時,化學反應速率就會發生改變,相應的化學平衡就有可能發生移動,以此引導學生了解化學平衡的調控在生產、生活和科學研究領域中的重要作用。

教材由探究實驗引入教學,通過對溶液顏色的變化分析,引導學生進行證據推理得出濃度變化對化學平衡移動影響的結論。在溫度相關實驗現象的分析中,歸納出改變溫度時,對吸熱反應方向的速率影響更為明顯。壓強對化學平衡的影響,教材中同樣有相應的實驗,但“由于手持技術實驗能夠實現實驗數據可視化,具有幫助學生探析微觀世界,促進學生對抽象概念的認知,提高學生學習興趣和應用信息技術的能力等一系列教學功能”,所以可以在此補充一個手持技術數字實驗,引導學生分析數字實驗曲線,借助壓強和濃度的關系,證據推理得出壓強對化學平衡移動的影響規律。對探究實驗的分析學習使得學生較好地進行了科學方法的訓練和核心素養的提升,最終梳理出勒夏特列原理。

二、科學探究的步驟

提出問題——猜想與假設——設計實驗方案——實驗驗證——證據推理——得出結論——反思評價。整個過程中突出體現了學生的主體地位,教師在教學中的主導作用同樣也不容忽視。設計實驗方案時,引導學生選擇現象明顯的反應,做好對照實驗;指導學生在實驗過程中控制單一變量,進行對比實驗;疏導學生低落或亢奮的情緒,共同分析原因,保護好學生的求知欲。實驗驗證階段,教師要及時提醒學生合作完成觀察、測量、記錄、查閱資料等內容,收集證據,進行歸納、比較、分類、概括、加工和整理,得出正確的結論,并督促學生對探究結果的可靠性進行評價,對探究活動進行反思,發現自己和他人的長處和不足,積極表達與交流,并提出改進措施。

三、教學過程

(一)提出問題,引導學生猜想與假設

利用學生的生活經驗和已有知識為基礎,提出符合學生認知水平的問題,組織學生進行猜想與假設,發展“能比較明確地表述所發現的問題” “敢于質疑并提出自己的見解”等能力。

【教學環節一】化學平衡移動含義

【教師】化學平衡狀態的特征及實質是v(正)=v(逆),當外界條件發生改變,平衡狀態是否發生改變?

【學生】改變反應條件(如濃度、溫度、壓強等),引起化學反應速率變化,如果v(正)≠v(逆),各組分質量或濃度就會不斷改變,從而導致化學平衡被破壞,一段時間后,當正、逆反應速率重新相等時,則建立起新的化學平衡;如果v(正)=v(逆),則化學平衡沒有被破壞。

【教師】展示如圖1所示

圖1

【教師】當一個可逆反應達到平衡后,如果改變反應條件,導致舊的化學平衡被破壞、新的化學平衡建立,這種現象叫做化學平衡移動,平衡具體向哪個方向移動呢?

【學生】通過比較平衡破壞瞬間的正、逆反應速率的相對大小來判斷平衡移動的方向。

①引起v(正)>v(逆),則化學平衡向正反應方向(或向右)移動;

②引起v(正)

③雖能引起v(正)和v(逆)變化,但變化后新的速率仍保持相等,例如使用催化劑,則化學平衡不發生移動。

【教師】同學們的猜想與假設與化學反應速率的變化緊密相關,為了證明以上結論,可以從幾個方面設計實驗驗證呢?

【學生】影響化學反應速率的外因有四個方面,其中溫度、濃度易于設計實驗驗證。

【設計意圖】根據化學平衡狀態“逆、等、動、定、變”的特征,提出為什么會“變”,如何“變”,“變”的結果,組織學生對可能有的答案進行猜想與假設,為下一步設計實驗方案和實驗驗證做好鋪墊。

(二)優化實驗設計方案,指導學生實驗驗證

設計實驗方案是培養學生創新思維和科學探究能力的關鍵環節,能夠多方面地提升學生的核心素養,學生既要將已學知識綜合運用,又要交流完善方案中存在的問題,還要考慮方案的安全性、簡約性和科學性。

【教學環節二】濃度對化學平衡移動的影響

【教師】設計實驗方案,探究濃度對化學平衡移動的影響。

實驗藥品:蒸餾水、濃硫酸、6 mol/L NaOH溶液、0.005 mol/L FeCl3溶液、0.01 mol/L KSCN溶液、飽和FeCl3溶液、1 mol/L KSCN溶液、0.01 mol/L NaOH溶液、固體KCl、0.1 mol/L K2Cr2O7溶液。

【學生】做好對照實驗,確保現象清晰,易于準確描述。應該設計四組實驗,分別從增大生成物濃度、減小生成物濃度、增大反應物濃度、減小反應物濃度四個角度逐一驗證。

展示設計的實驗報告

表1 增大或減小生成物濃度

先向試管中加入8 mL 0.005 mol/L FeCl3溶液和12 mL 0.01 mol/L KSCN溶液,試管中溶液呈紅色,將溶液分成三等份再進行如下實驗操作(實驗操作及現象如表2)。

表2 增大或減小反應物濃度

【教師】在FeCl3與KSCN實驗中,如果加入固體KCl,實驗會有什么現象?

【設計意圖】借助課本演示實驗,引導學生發現缺少對照實驗環節,難以準確觀察和記錄現象,培養學生“理性思維、批判質疑、勇于探究”的科學精神,重新設計實驗記錄單,將多而繁雜的信息進行梳理。通過FeCl3與KSCN實驗中加入固體KCl,明確了改變與反應體系無關成分的濃度,對化學平衡無影響,加深對“濃度”內涵的理解。讓學生“能依據探究目的設計并優化實驗方案” “能和同學交流實驗探究的成果,提出進一步探究或改進實驗的設想”,提升核心素養。

【教學環節三】溫度對化學平衡移動的影響

【學生】取兩組平衡球,一組為對照實驗,另一組分別將兩端放入冷、熱水中觀察,發現升高溫度,混合氣體顏色加深,平衡逆向移動;降低溫度,混合氣體顏色變淺,平衡正向移動。

【教師】原平衡時v(正)=v(逆),升高溫度,正、逆反應速率同時增大,然而混合氣體顏色加深,說明平衡逆向移動程度更大,這說明了什么呢?

【學生】化學是以實驗為基礎的科學,改變溫度時,對吸熱反應方向速率影響更為明顯。

在其他條件不變的情況下,升高溫度,會使化學平衡向著吸熱反應的方向移動;降低溫度,會使化學平衡向著放熱反應的方向移動。

【設計意圖】升高溫度,雖然正、逆反應速率同時增大,但不是等倍增大,混合氣體顏色加深,說明NO2濃度增大更多,平衡向逆反應方向移動程度更大,本實驗逆反應方向為吸熱反應方向,由此得出升高溫度吸熱反應方向速率增長更多,v(放)

(三)證據推理,引導學生得出結論

“科學探究不等同于實驗,也不只是實驗;探究的關鍵在于好奇心、懷疑精神和求證精神”。取得實驗探究證據后,學生要在教師的引導下對證據進行分析、推理,梳理出證據與猜想、假設的關系,運用證據對猜想和假設進行解釋,最終得出證實或證偽的結論。

【教學環節四】壓強對化學平衡移動的影響

【學生】借助手持技術數字化實驗,將壓強傳感器直接伸入針筒內(圖2),測得反應過程中氣體壓強(p)隨時間(t)變化的曲線(圖3)。

圖2 壓強對平衡的影響裝置圖

圖3 加壓時NO2和N2O4的混合氣體壓強變化圖

【教師】請對曲線的三個階段作出分析。第一階段水平線說明什么?第二階段壓強線陡增,主要發生了什么變化?第三階段壓強線略有下降,最終持平的原因?

【學生】第一階段是舊的化學平衡體系,裝置內總壓強恒定,為水平線。

第二階段由于壓縮針筒活塞,容器體積迅速減小,單位體積內氣體物質的量迅速增多,壓強瞬間增大,曲線陡增,該過程主要發生的是物理變化;

第三階段加壓后,曲線略有下降,壓強有所減小,然而容器體積維持不變,說明發生了化學平衡移動,容器內混合氣體物質的量有所減少,觀察化學方程式得出平衡向右移動(即向著氣體計量數之和減小的方向移動),主要發生的是化學變化。

【教師】縱觀整條曲線,壓強先增大后略有減小,減小的程度與之前壓強增大的幅度相比弱很多,這說明什么呢?

【學生】可見化學平衡移動只能小幅度地減弱外因的影響,不可能完全抵消外因的改變量,新平衡時的壓強仍比舊平衡大。

【學生】壓縮針筒,容器體積減小,混合氣體物質的量濃度增大,紅棕色先加深。由于NO2濃度增加更多,所以v(正)>v(逆),平衡向右移動,氣體顏色略有變淺。

【學生】各組分的濃度增大,顏色加深;本反應是反應前后氣體計量數之和不變的反應,所以不會發生化學平衡移動。其他條件不變時,有氣體參加且反應前后氣體計量數之和發生改變的反應中,增大壓強,平衡向氣體計量數之和縮小的方向移動;減小壓強,平衡向氣體計量數之和增大的方向移動。反應前后氣體計量數之和沒有變化的反應,改變壓強平衡不移動。

【設計思路】借助手持技術完成常規實驗解決不了的探究問題,充分利用數據曲線引導學生比較、歸納、概括,運用證據,結合壓強和濃度的關系對結論進行解釋。培養學生“能解釋證據與結論之間的關系,確定形成科學結論所需要的證據和尋找證據的途徑”,進行科學方法的訓練和核心素養的提升。

(四)及時反思評價,督導學生素養提升

反思與評價是素養發展的核心部分,可以使學生“具有終身學習的意識和嚴謹求實的科學態度”。實驗探究得出結論后,組織學生及時反思整個過程:提出的問題是否全面,猜想與假設全部還是部分得到證實或證偽,設計的實驗方案是否科學合理,實驗驗證是否操作正確,收集的證據是否可靠,得出的結論是否準確。

【教學環節五】勒夏特列原理及其局限性

【教師】本節課我們從濃度、溫度、壓強的角度得出了很多結論,反思這些結論,我們總結出了一條共同的規律,你能發現嗎?改變影響化學平衡的一個因素,平衡將向能夠減弱這種改變的方向移動,這就是法國科學家勒夏特列在1888年通過大量實驗后,反思總結出的重要原理。通過該原理我們得到了哪些啟示?

【學生】科學家不是天生而成,只是他們更加善于總結與反思!勒夏特列原理中的“減弱”這種改變,不是“消除”改變。勒夏特列原理只考慮有單個條件改變。另外勒夏特列原理只能表示平衡移動的方向,不能預測達到新平衡所需要的時間和反應轉化的具體程度。

【教師】同學們說得非常好!下面我們也來試著總結和反思,畫出分析化學平衡移動一般思路的思維導圖,找出勒夏特列原理使用時需要注意的問題。

【學生】思維建模,展示如圖4所示。

圖4 思維建模

【設計意圖】基于科學史的探究教學有利于培養學生的科學思維方法、科學精神、科學態度,幫助學生了解在科學研究的漫漫長河中,我們今天所學的化學知識是科學家們通過不懈的科學探究,不斷地反思總結,客觀地論述評價所得出的。“思維建模的方法適用于自我建構知識,是教師創設建構主義課堂的一把鑰匙”,借助思維建模分析勒夏特列原理的局限性,既可以梳理出分析化學平衡移動的一般思路,又可以有效規避使用誤區,培養“尊重事實和證據,不迷信權威,具有獨立思考、敢于質疑和批判”的創新精神。

四、教學反思

本節課通過設計符合學生認知規律和思維發展的教學環節,利用科學探究的方式讓學生尋找證據,推理建模,領悟科學精神。著名心理學家威廉·詹姆斯說過:“人性中最本質的愿望,就是希望得到贊賞”。在科學探究的過程中,對學生的積極表現,教師要及時給予評價和肯定,對錯誤的回答,也要給予鼓勵和正確的引導,讓學生在輕松、活躍的氣氛下碰撞出知識的火花,有利于知識的構建,有利于化學核心素養的落實。