試談工業生產類數據圖線的教學策略

戴明

摘 要：《普通高中化學課程標準（2017年版）》要求學生“能收集并用數據、圖表等多種方式描述實驗數據，能基于現象和數據進行分析推理得出合理結論”，即要求學生能進行證據推理與模型認知。本文提出了工業生產類數據圖線教學中的五個策略，用以提升解決此類問題的教學效果，進而發展學生化學學科的核心素養。

關鍵詞：高中化學；工業生產；數據圖線；教學策略

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2018）11-079-2

近幾年，工業生產類的數據圖線問題深受試題專家的青睞，此類問題以圖線為載體，體現“能力立意”原則，兼顧知識與能力的雙重測量，較好考查了學生數據分析與處理能力。此類問題實現了四個走向，一是，從實驗原理走向生產實際，讓學生深刻理解化學知識、工業生產、社會發展與生態環境之間的相互關系。二是，從定性知識走向定量圖線，通過工業生產將部分化學反應原理量化為數據曲線，綜合考查學生的信息轉化能力。三是，從被動接受知識走向活動中主動探究，數據圖線中常隱含相關信息，需要學生對其進行挖掘、猜想和概括。四是，從化學學科問題走向多學科融合，數據圖線把化學原理抽象為數學問題，通過對數據與原理的結合分析，實現了學科間的融合。

面對具體的工業生產類數據圖線，“教師要善于引導學生捕捉圖表背后所隱含的豐富的化學信息，充分挖掘圖表信息潛在的解題功能”。如何從分析圖線走向讀懂信息，直至運用所學信息解決實際問題，筆者將結合五個具體的案例（限于篇幅，文字有刪減），分別闡述工業生產類數據圖線的教學策略。

一、評價綜合效益

【案例一】 人造金剛石酸洗廢液中含有大量的Ni2+、Mn2+、Co2+等離子。某廠技術人員設計了除雜方案，最終通過電解含Ni2+濾液，在陰極得到純度較高的鎳粉。電解過程中電流效率η（鍍層金屬實際析出質量與理論析出質量之比）與pH的關系見右圖所示，電解的最佳pH范圍是 ，理由是 。

【案例分析】 不難發現，電解的酸性溶液隨著pH的不斷增大，電流效率η增大，當4.0

【教學建議】 這是在一個自變量作用下的單一圖線，教師需要引導學生完成三個方面分析：一是，學習該情境下的信息，將“新概念”翻譯成“老說法”，即什么是電流效率，電流效率與產率的關系如何。二是，通過分析得出隨著自變量（pH）的增大，因變量（電流效率）的線性發展規律。三是，引導學生用“多、快、好、省”四個字來評價工業生產的綜合效益，力求綜合效益最大化。“多”就是評價總產出、“快”就是評價化學反應速率、“好”就是評價生產對生態等的影響、“省”就是在總產出的基礎上評價總投入。

二、選擇最佳條件

【案例二】 以冶銅工廠中預處理過的污泥渣（主要成分為CuO和Cu）為原料制備CuSO4晶體的流程中，步驟一是分別選用氨水、氨水—碳酸銨混合溶液進行氨浸，氨浸時銅元素的回收率隨溫度變化見右圖所示。

（1）浸取液為氨水時，反應溫度一般控制在55℃，溫度過高銅元素回收率降低的原因是 。

（2）浸取液為氨水一碳酸銨混合溶液時，銅元素的回收率受溫度影響小的原因可能是 。

【案例分析】 （1）溫度過高時，浸取液中一水合氨分解，銅元素回收率降低。（2）當浸取液為氨水一碳酸銨混合溶液時，溶液中存在氨水的電離平衡和NH+4的水解平衡，當溫度變化時，兩個平衡都發生相應移動，使混合溶液中的一水合氨濃度變化較小，與同溫度下氨水相比，銅元素的回收率高。

【教學建議】 這是在多自變量作用下的多條圖線，通過分析圖線選擇最佳生產條件。教師需要引導學生完成三個方面分析：一是，根據圖線的符號標記或說明，確定不同圖線所處的具體條件。二是，利用控制變量的思想，既要“橫著看”，隨著橫坐標的增大，圖線的發展情況。三是，又要“豎著看”，即在同一橫坐標數值下不同圖線所對應縱坐標，結合“橫著看”與“豎著看”的結果，找出在多個自變量作用下的最佳結合點，進而選擇最佳生產條件。

三、分析重要節點

【案例三】 以二氧化鈦表面覆蓋Cu2Al2O4為催化劑，可以將CO2和CH4直接轉化成乙酸。在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如右圖所示。250～300℃時，溫度升高但乙酸的生成速率減慢的可能原因是 。

【案例分析】 不難看出，圖線中反應溫度決定著乙酸的生成速率以及催化劑的催化效率。一般情況下，反應溫度升高化學反應速率加快，如100～250℃范圍。250～300℃時，溫度升高，乙酸的生成速率卻“反常”減慢了。分析可知，拐點250℃時，催化劑效率最高，當溫度超過250℃，催化效率降低，故溫度升高，乙酸的生成速率反而減慢了。

【教學建議】 這是在一個自變量作用下的兩個因變量變化圖線。教師需要引導學生完成三個方面分析：一是，根據圖線的符號標記或說明，明確兩個因變量相應的縱坐標，以及隨著自變量的變化，各圖線的發展情況。二是，加強對起點和終點的分析，明確圖線的總體走向。三是，加強對拐點的分析，對于拐點這樣的“反常”點，蘊藏著豐富的信息與內涵，既需要“瞻前”，即隨著反應的進行，為拐點的到來創造了怎樣的條件；更需要“顧后”，即拐點之后，聯系反應物的性質等，推測可能發生的變化。圖線上的起點、拐點和終點，與生產數據相對應，反映出生產過程中物質轉化的情況。

四、強化定量分析

【案例四】 已知過硫酸鉀具有強氧化性（常被還原成硫酸鉀），現將0.40mol過硫酸鉀與0.20mol硫酸配制成1L溶液，在80℃條件下加熱并在t時刻向溶液中滴入少量FeCl3溶液（作催化劑），測定溶液中各成分的濃度如右圖所示，圖中物質X的化學式為 。

【案例分析】 不難看出，圖線反映出隨著時間的推移，溶液中離子濃度以及收集到的氣體體積的變化。在t時刻，S2O2-8的物質的量減少了0.3mol，同時SO2-4增大了0.6mol，根據信息S2O2-8具有強氧化性，電子共轉移了0.6mol，由圖可知，產物X的物質的量為0.3mol，根據得失電子總數守恒，可以判斷產物X的化學式為H2O2。

【教學建議】 這是利用在一個自變量作用下的兩個因變量變化圖線，進行定量計算和分析的案例。教師需要引導學生完成兩個方面分析：一是，將定性分析與定量計算相結合，在圖線特定位置上，準確找到相關物質及其物質的量。二是，結合化學反應，充分運用得失電子總數守恒、質量守恒和溶液中離子電荷守恒等守恒思想，進行定量計算并完成相關分析。

五、使用題干信息

【案例五】 在微生物的催化下，ClO-4可被CH3COO-還原降解。CH3COO-也可作為碳元素的來源，促進微生物生長。CH3COO-的濃度對ClO-4降解程度的影響如右下圖所示。12小時后，在CH3COO-濃度小于0.4g/L的條件下，ClO-4的降解速率幾乎停滯的原因是 。

【案例分析】 不難看出，隨著CH3COO-濃度的提高ClO-4降解速率加快。找出題干中的關鍵信息：CH3COO-也可作為碳元素的來源，可促進微生物生長，而微生物恰恰也是此反應的催化劑。故ClO-4的降解速率幾乎停滯的原因是，CH3COO-濃度過低，難以促進微生物生長，催化效率降低，故降解速率顯著減慢。

【教學建議】 影響工業生產效率和效益的外界因素存在很多，如濃度、溫度、壓強、催化劑、時間、電流強度、光照條件等等，由于工業生產流程比較復雜、涉及物質較多、生產條件控制要求較高等實際情況，題干中常會出現不少陌生信息，教師要引導學生重視對陌生信息的學習與篩選，并善于找出對解決問題有幫助的關鍵信息。

對工業生產類數據圖線的分析體現了很好的思考性、探究性與應用性，充分回應了《普通高中化學課程標準（2017年版）》中化學學科核心素養要求。因此，此類數據圖線應引起廣大教師和學生的充分重視。在備考過程中，教師應指導學生掌握觀察和分析各類圖線的方法，深入挖掘圖線中所蘊藏的豐富信息，不斷提升學生讀圖、析圖和用圖的能力，為提升學生化學學科核心素養打下堅實的基礎。

[參考文獻]

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