促進學生認識思路結構化的單元教學研究

榮蓉 　廖偉梁　韋新平　熊梅

［摘 要］促進學生認識思路結構化是發展學生化學學科核心素養的重要手段。文章以日常生產生活類真實問題情境為背景，設計“化學平衡的移動”的單元教學，以幫助學生建立認知模型，并通過問卷調查、學科能力表現測評等方式探查教學效果，最后從問題情境的關聯性設計、認識思路的結構化設計和學習活動的進階性設計三個方面歸納總結出可促進學生認識思路結構化的單元教學策略。

［關鍵詞］認識思路；結構化；單元教學；化學平衡的移動

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）23-0055-06

一、教學內容分析

化學平衡是化學熱力學研究的重要內容，也是中學化學概念和原理教學的重難點［1］。“化學平衡的移動”是化學平衡的分支概念，是化學反應速率、化學平衡狀態、化學平衡常數知識的延續，是“水溶液中的離子平衡”內容的基礎，是發展學生“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”核心素養的重要載體。它涉及定性研究和定量研究的方法和思路，體現了由現象到本質、由一般到特殊、由具體到抽象的思維進階過程，具有高度的抽象性。通過對“化學平衡的移動”單元內容的學習，學生不僅可以掌握外界條件對化學平衡產生影響的一般規律，還可以促進認識思路的結構化，形成分析化學平衡移動的一般思路。

二、教學現狀分析

針對“化學平衡的移動”的教學案例研究有很多，如王樹志［2］、湯芹［3］、經志俊［4］、畢曉昀［5］、周繼敏［6］等人進行了本主題的實驗改進研究；宋玥［7］等人進行了促進學生認識發展的教學設計研究；趙利新［8］等人進行了支架式教學研究；齊玉和［9］進行了指向證據推理與模型認知的教學設計研究。可見，針對“化學平衡的移動”的教學研究主要集中在實驗方案及裝置的創新設計、問題情境的創設以及教學設計研究等方面，多為聚焦某一影響因素的單課時教學研究，而少見旨在促進學生認識思路結構化的單元教學研究。

三、單元教學思路

基于以上教學內容及教學現狀分析，我們引導學生從“化學平衡的移動”的概念出發，通過“濃度商Q與平衡常數K的關系”揭示平衡移動的本質，分析打破化學平衡的路徑，最終幫助學生從本質上理解“外界條件的改變是如何影響化學平衡的移動的”。在此過程中，“濃度”和“壓強”兩種外界條件對化學平衡的影響統一歸類為“濃度對化學平衡的影響”。“濃度對化學平衡的影響”是學生建構“化學平衡的移動”概念的關鍵，也是分析其他影響化學平衡的因素的基礎。“濃度對化學平衡的影響”認知模型如圖1所示。該模型構建了外界條件改變化學平衡的內在原因的推理路徑和認識思路，充分發揮了利用濃度商Q與平衡常數K的數據分析平衡移動的功能和價值，將化學學科對客觀事實的本質原因分析與數學學科的“分類討論”思想相融合，為促進學生認識思路結構化的教學設計指明了方向。

四、單元教學目標

（1）通過濃度影響化學平衡的探究活動，建立基于控制變量法研究化學平衡影響因素的一般思路，建構“化學平衡的移動”概念，發展學生“科學探究與創新意識”的化學學科核心素養。

（2）通過對濃度影響化學平衡的數據分析與曲線表征活動，形成對化學平衡移動的定量認識思路，建立化學平衡移動的認知模型，加深對化學平衡移動本質的認識，發展“證據推理與模型認知”的化學學科核心素養。

（3）通過對壓強影響化學平衡的討論活動，強化化學平衡移動的認知模型，提升認知模型的遷移應用水平，發展“變化觀念與平衡思想”的化學學科核心素養。

五、單元教學流程

“化學平衡的移動”單元教學流程如圖2所示。

六、單元教學實錄

我們對廣東省肇慶市某重點中學高二年級某個班級進行了3個課時的單元教學實踐，現選取該教學案例的部分核心教學活動做如下呈現。

（一）第1課時——“化學平衡的移動”概念的建構

［學生活動］用礦泉水沖泡黑枸杞：在若干個透明小杯中分別放入5顆黑枸杞，往杯子中倒入等量的不同品牌的礦泉水，觀察溶液顏色。用不同品牌的礦泉水沖泡出的黑枸杞水顏色不同。

教師：下面讓我們一起研究用不同品牌的礦泉水泡出的黑枸杞水顏色不同背后的原因。

［資料］黑枸杞富含花青素，其顯色過程可簡單表示為：A（藍色）+ H+?HA+（紅色）。

［學生活動］向黑枸杞水中分別加入少量白醋、食用堿。加入白醋后水溶液呈紅色，加入食用堿后呈深藍色。

教師：在上述過程中，黑枸杞水中的化學平衡狀態是否發生了變化？你的判斷依據是什么？

學生：通過溶液顏色的變化可以判斷出溶液中的化學平衡狀態發生了變化。

［小結］ 師生共同構建“化學平衡的移動”概念模型（如圖3）。

達到化學平衡狀態時，濃度商與化學平衡常數相等（Q = K）；化學平衡狀態的特征之一是v正 = v逆。化學平衡發生移動，說明條件的改變使得Q不再與K相等，v正不再與v逆相等。我們可以從濃度商與反應速率兩個維度進行分析。

（二）第2課時——濃度影響化學平衡的曲線表征

［課堂活動1］討論改變濃度時黑枸杞水平衡體系中正、逆反應速率的變化。

教師：向黑枸杞水中滴加酸的瞬間，氫離子濃度有何變化？正、逆反應速率有何變化？

學生1：滴加酸的瞬間氫離子濃度增大，v正增大，v逆不變。

學生2：我認為那一瞬間v正增大，v逆是減小的。

教師：請分別簡述一下理由。

學生1：加入酸的瞬間，反應物濃度增大，生成物濃度不變。

學生2：加入酸的瞬間，反應物濃度增大，v正增大，但由于加入了酸導致溶液體積增大，生成物濃度減小，v逆減小。

教師：你們的回答都很有道理，說明大家都掌握了從影響因素的角度分析化學反應速率的思路。由于原溶液體積較大，這里我們可做一個近似處理，即忽略1滴溶液造成的體積變化。故我們認同學生1的推測。

［課堂活動2］用速率-時間圖像中的曲線表征濃度對化學平衡的影響并交流討論。

［投影展示］教師展示三位學生繪制的圖像，如圖4所示。

教師：我們先來關注一下[t1]時刻，通過剛才的討論，我們認為[t1]時刻[v逆]是不變的，故可先排除學生4的答案。再來關注從[t1]時刻到[t2]時刻兩條曲線的走勢，這里涉及一個數學問題。請數學科代表來解釋一下學生3和學生5的曲線從數學角度來看有什么不同。

數學科代表：曲線的斜率不同，即變化的快慢不同。在學生3的曲線中，正、逆反應速率變化得越來越慢，直至相等；而學生5的曲線就顯得不合理，因為從斜率來看，正、逆反應速率變化得越來越快，不可能突然相等后就不再變化。

教師：在[t1]時刻，濃度的改變使得濃度商Q發生了變化，隨著平衡的移動，Q逐漸接近K，且單位時間內變化量越來越小。基于此，我們就不難理解速率-時間圖像中的曲線了。

（三）第3課時——壓強對化學平衡的影響

［思考題］一定溫度下，工業合成氨在t時刻達到平衡，各物質濃度如表1所示，請判斷“情況①”和“情況②”的平衡移動方向。

學生1：均為正向移動。

學生2：情況①為正向移動，情況②需要分別計算出K和Q的值并進行比較，才能判斷。

［學生活動］進行數學演算，并得出“對于合成氨反應，同時增大反應物和生成物的濃度，平衡正向移動”的結論。

［追問1］應該采取何種操作實現“情況②”的條件改變？

學生3：壓縮體積，實際就是增大壓強。

［追問2］對于反應2NH3?N2 + 3H2， 壓強增大時，平衡如何移動？

學生4：逆向移動。

［初步結論］增大壓強，平衡向氣體體積減小的方向移動。

［追問3］ 是不是所有反應通過改變壓強都可以使平衡發生移動？

學生5：不是。壓強的改變只能使有氣體參與的反應的速率發生改變。

學生6：對于反應前后等體積的反應，同等程度增大或減小反應物和生成物的濃度時，Q不發生改變，故這種情況下平衡不發生移動。

［追問4］對于反應前后等體積的反應，增大壓強平衡不發生移動，反應速率是否發生變化？

學生7：對于反應前后等體積的反應，增大壓強時v正和v逆會同等程度增大。

［小結］壓強的改變可以理解為同等程度增大或減小了反應物和生成物的濃度。對于反應前后非等體積的反應，會使得[Q≠K]，從而使平衡發生移動。

七、教學效果測評

教學實施后，可通過問卷調查和教學后測測查教學效果。我們用該校另一個相同層次的班級作為對照班，并同步進行了教學后測。測查樣本數如表2所示。

對照班主要依照新人教版選擇性必修1教材的內容呈現順序進行教學，學生通過觀察教材演示實驗的現象，總結外界條件影響化學平衡的一般規律。在此次教學中，壓強和濃度對化學平衡的影響的學習相對比較獨立。在學生完成了濃度對化學平衡的影響的學習后，教師首先展示教材P38實驗2-2的視頻，并讓學生思考：在有氣體參加的反應中，壓強的增大或減小是如何影響化學平衡的？然后引導學生對反應后氣體體積增大、減小、不變三種情況進行討論，得出壓強影響化學平衡的一般規律，并展示三種情況下的速率-時間圖像。最后通過習題進行反饋和鞏固。

（一）問卷調查

調查問卷按照“五點量表”的形式從學科必備知識、學科思維方法和情感態度三個維度設置了15道自查題，相關內容和數據如表3所示。采用 SPSS 23.0 軟件對調查問卷進行信效度分析：內部一致性信度（Cronbach’s α系數）為0.771，各小題得分與調查問卷總平均分的相關系數介于0.570與0.710之間，p<0.05。數據分析結果顯示，調查問卷具有較好的信效度，可以進行后續測試。

通過分析問卷調查數據可知，實驗班學生中大部分學生對單元教學總體滿意［除3個反向提問（3.3～3.5題）外，其余各小題得分均值為4.76］。通過3個課時的課程學習，學生能形成分析化學平衡移動的一般思路和思維模型，基本掌握化學平衡移動的概念、濃度商和平衡常數大小與反應方向之間的關系、濃度影響化學平衡的一般規律及其本質原因等核心知識點。

（二）學科能力表現測評

基于王磊［10］等人提出的化學反應規律主題的學科能力表現具體指標，我們分別對實施基于認識思路結構化的單元教學的實驗班學生和實施常規教學的對照班學生的能力表現進行課后測驗評價，共設置9道測驗題（第1～6題為單項選擇題，第7～9題為填空題，其中第9題考查學生根據新情境下可逆反應的濃度-時間圖像分析化學平衡的移動狀態和移動方向，并進行平衡常數等的判斷與相關計算）。具體指標如表4所示。

通過對實驗班和對照班的學生在后測中的表現進行數據分析（見圖4），發現實驗班在能力要素上的表現均好于對照班，特別是對于能力要求比較高的任務，實驗班的得分率均高出對照班10%以上。

八、教學策略探討

本單元教學圍繞“化學平衡的移動”這一主題，引導學生在解決問題的過程中建立認知模型，逐漸形成結構化的認識思路，提升學科能力和素養。問卷調查和教學后測的結果顯示，本單元教學取得了預期的教學效果。我們結合教學實踐及教學效果總結出以下3點教學策略。

（一）通過問題情境的關聯性設計，增強課程實施的整體性

對于具有高度抽象性的概念，通過創設真實的問題情境幫助學生有效建構和理解概念是一種非常有效的教學策略［11］。本單元教學對問題情境進行了關聯性設計，增強了課程實施的整體性。第1課時中，我們通過用不同品牌的礦泉水沖泡黑枸杞的趣味性體驗活動，幫助學生建立宏觀現象與微觀本質之間的聯系。第2課時中，我們先將第1課時的情境進行再現，以探究外界條件影響化學平衡的本質原因，建立完整的認知模型；再以“工業合成氨”的情境為載體，進一步探討化學平衡移動過程中K與Q的變化。第3課中，我們則承接了第2課時“工業合成氨”的情境，引導學生理解壓強、濃度與化學平衡之間的關聯性，并通過設置真實情境中的實際生產問題，如“水煤氣的制備為什么不宜壓強過大？”等，診斷和提高學生對核心概念和認知模型的掌握水平。

（二）通過認識思路的結構化設計，提升認知模型的可遷移性

可遷移的認知模型可以幫助學生建立起解決真實復雜問題的視角和思路［12］。在本單元教學中，我們在學生已有的認知基礎上，幫助學生建立了“快慢”和“程度”兩種認識視角和思路，即通過速率與平衡常數兩個層面建立化學平衡移動的分析模型。在第1課時的教學中，我們幫助學生建立起“程度”這一認識視角。在第2課時的教學中，我們通過曲線表征活動，幫助學生從速率的角度理解化學平衡移動的內涵。在第3課時的教學中，我們在第2課時的基礎上通過真實情境下的問題解決過程，引導學生不斷重現和應用結構化的認識思路，從而達到對認知模型的靈活遷移應用的目的，同時讓學生理解濃度、壓強與化學平衡之間的關聯性。基于認識思路建構的“化學平衡的移動”認知模型對學生后續學習水溶液中的離子平衡起到很好的指導作用。

（三）通過學習活動的進階性設計，促進學科能力的多維發展

本單元教學的活動設計將速率和平衡常數這兩個研究化學平衡的物理量與外界條件影響化學平衡的教學進行整合，通過體現推論預測、科學探究、分析解釋等不同學科能力表現層次的學習活動，逐步建立起結構化的認識思路。這些學習活動的實施，不同程度地發展了學生多方面的關鍵能力。如在第1課時的簡單設計類學習活動中，學生通過設計實驗探究化學平衡移動的規律，發展了“控制變量”的學科思維和“探究與創新”的關鍵能力。在第2課時的推論預測類學習活動中，讓學生通過對核心問題的深入交流與探討，促進了對化學平衡移動本質的理解，發展了理解與辨析、分析與推測的關鍵能力。在第3課時的復雜推理類學習活動中，教師引導學生應用數學方法進行運算，再應用認知模型進行說明論證從而得出結論，很好地發展了學生的歸納與論證能力。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 徐聰，胡久華.從科學概念本體和發展史視角對化學平衡相關問題的分析［J］.化學教育，2013（12）：81-85.

［2］? 王樹志.深度探究濃度對化學平衡的影響［J］.化學教育，2015（9）：62-64.

［3］? 湯芹，李娟.“壓強對化學平衡的影響”定量實驗的探討與商榷［J］.化學教育，2017（3）：78-81.

［4］? 經志俊.基于學生發展核心素養的“化學平衡的移動”單元教學創新設計［J］.化學教學，2017（1）：35-37，92.

［5］? 畢曉昀，楊硯寧.利用黑枸杞的“化學平衡移動”創新實驗設計及教學［J］.化學教學，2017（7）：48-52.

［6］? 周繼敏，李銀濤，王濤，等.通過實驗探究建構科學規律的教學：以 “溫度、壓強對化學平衡的影響”為例［J］.化學教育，2019（9）：37-40.

［7］? 宋玥，王磊.促進學生認識發展的化學平衡教學設計研究［J］.化學教育，2016（15）：23-32.

［8］? 趙利新，楊宏偉.“濃度對化學平衡的影響”的支架式教學［J］.中學化學教學參考，2021（6）：50-52.

［9］? 齊玉和.指向證據推理與模型認知的教學設計探析：以魯科版“反應條件對化學平衡的影響”內容為例［J］.中學化學，2021（3）：1-4.

［10］? 王磊.基于學生核心素養的化學學科能力研究［M］.北京：北京師范大學出版社，2018.

［11］? 周業虹.學科核心素養下的化學概念教學設計［J］.化學教學，2018（9）：37-41.

［12］? 王春陽.認知模型的構建：以《化學反應原理》為例［J］.化學教與學，2014（1）：55-56，87.

（責任編輯 羅 艷）