“速率”和“平衡”教學亟待澄清的誤區

吳晗清+李丹+趙冬青

摘要：“速率”和“平衡”是化學教學中的重點和難點，是化學反應原理的重要組成部分，既相互聯系又存在本質區別，但實踐中往往被混為一談。對北京市某普通中學的194名高二學生的調查研究表明，半數學生不清楚“平衡只與體系的狀態有關，與建立的途徑無關”；大部分學生忽視速率的定量特征；幾乎沒有學生理解“速率所屬的動力學及平衡所屬的熱力學，雖然相關但兩者并不互為因果關系”。基于此，教師要從源頭深刻把握熱力學、動力學的本質差異；教學順序可以進行調整，先學平衡再講速率；要引導學生厘清平衡和速率，學會敏感地從熱力學的角度解決平衡問題。

關鍵詞：化學反應速率；化學平衡；調查研究

文章編號：1005–6629（2017）3–0021–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學反應原理是中學化學中邏輯性最為縝密的一個部分，而最令學生頭痛的則是其中的化學平衡部分。化學平衡還包括下位的弱電解質的電離平衡、鹽類的水解平衡、沉淀溶解平衡等內容。化學平衡的基本原理是上述所有理論的基礎，學生只有真正掌握了化學平衡，才能認知其他特殊條件下的各類平衡問題。

1 “速率”和“平衡”的教學誤區

1.1 盡管課標“隔離”了“速率”和“平衡”，但教學中往往混為一談

化學反應動力學和熱力學的基礎內容是高中化學反應原理模塊的重要組成部分。課程標準要求學生對動力學的認識主要有：（1）知道化學反應速率的定量表示方法，通過實驗測定某些化學反應的速率；（2）知道活化能的涵義及其對化學反應速率的影響；（3）通過實驗探究溫度、濃度、壓強和催化劑對化學反應速率的影響，認識其一般規律。而對熱力學的要求包括以下兩個方面：（1）能用焓變和熵變說明化學反應的方向；（2）描述化學平衡建立的過程，知道化學平衡常數的涵義，能利用化學平衡常數計算反應物的轉化率[1]。

很明顯，課標對動力學和熱力學這兩個理論作了明確的“隔離”，即內容上分開來闡述，強調了速率相關內容的過程性以及平衡相關內容的狀態性。例如課標要求用焓變和熵變兩個狀態函數去判斷反應進行的方向，要求利用化學平衡常數去計算反應物的轉化率等等。動力學和熱力學有著不同的研究對象，前者關注的是反應的過程，后者只關涉體系的狀態。兩者有著本質的差異，而教材往往通過速率來建立平衡，且通過速率的改變來討論平衡的移動，從而教師往往將兩個理論混為一談，時而“速率”，時而“平衡”，導致學生誤以為速率的改變是平衡移動的原因，事實上焓和熵才是影響平衡的關鍵因素。

在教學實踐中，教師往往這樣總結：“在一定的條件下，當一個可逆反應的正逆反應速率相等且不等于零時，該反應就達到了動態的化學平衡狀態。這種狀態的建立需要一定的條件，當條件改變時，導致正逆反應速率改變，從而平衡狀態被打破。如果正反應速率大于逆反應速率，那么反應向正方向移動，最終達到一個新的平衡。”這樣的表述乍看起來很正確，有條理。但仔細分析其邏輯關系時會發現存在很多問題。比如這樣的表述認為速率不變導致了平衡建立，速率的改變引起了平衡的移動，即化學反應速率是化學平衡的原因。這種將熱力學和動力學歸結為簡單的因果關系的錯誤做法，勢必導致學生思維紊亂，因此從源頭上區分動力學和熱力學才能消除這種認識誤區。

1.2 相關研究“隔靴搔癢”，沒有涉及教學中如何有效“分離”動力學和熱力學

很遺憾的是，相關教學研究并沒有關注到教學實踐中如何從源頭上消除這種混淆，而主要集中在以下三個方面：一是學科本體知識的推導。主要是從學科本體知識層面出發去辨析和論證化學反應速率、化學平衡狀態、化學平衡移動等核心概念的內涵和實質，探討各概念間的聯系和區別。該討論建立在大學物理化學的純理論知識之上，沒有涉及到具體的教和學，缺乏操作性。

二是教學策略與方法的探討。這類研究一般都起源于教師在實際授課過程中遇到的困惑或者問題，針對某一節課或者某一單元的內容，通過嘗試新的教學理念或者改進教學設計和方法來提高教學的實效性，然后分析比較改進后的成果和不足，為其他教師提供參考。但以上研究極少觸及學生在本部分產生認知障礙的本質原因：即將混淆了的熱力學和動力學作為建構知識的基礎。

三是學生學習障礙點的分析。這部分研究主要從教學重難點出發，調查分析學生存在的認知障礙和迷思概念以及形成原因，旨在探討如何避免學生在認知建構中出現矛盾。但這類研究的關注點集中在教學過程中的策略和方法是否恰當，很少觸及到學科本體知識框架的科學性。

1.3 教學誤區的實踐表征：“以其昏昏，使人昭昭”

在真實的教學情境中主要存在兩個方面的問題：一是教師本身理論知識紊亂、邏輯不清，不清楚化學反應速率和化學平衡之間的聯系和區別。因此在教學實踐中也就無法將這個問題有層次、結構化地呈現給學生。導致學生在認知建構的起始階段就存在誤區，失之毫厘謬以千里，最后無法認清動力學和熱力學的本質。

二是學生在學習這一塊內容時只考慮速率和平衡的關系，錯誤地使用速率去推斷一切平衡問題，混淆了兩個理論不同的適用范圍，不能區分過程性問題和狀態性問題，導致問題解決時思維混亂，甚至出現分別從“速率”和“平衡”的角度去分析同一個問題，居然得到截然相反答案的情形。如有學生學完速率和平衡之后提出一個問題，“有固體做反應物的可逆反應達到平衡狀態后，將固體由塊狀粉碎成粉末狀后，正反應速率增大，逆反應速率沒有變化，為何平衡沒有移動呢？”學生這種問題出現的根本原因在于學生沒有理解化學平衡移動的能量本質。

2 “速率”和“平衡”教學的實證研究

本研究對北京市一所普通學校的高二學生進行調查研究，發放問卷240份，回收有效問卷194份，有效回收率為80.8%。

研究工具分為問卷和訪談兩部分。（1）問卷測試。問卷包括對速率及其影響因素的理解、對平衡及其影響因素的理解、對平衡和速率關系的理解三個維度。每個維度均包括兩個判斷題，每個問題后均要求學生寫出判斷的原因。（2）半結構性訪談。對6位教師進行深度的半結構性訪談，主要從教師的角度關注教學實踐中速率和平衡問題的處理。測試總體結果如圖1所示。