試談工業(yè)生產(chǎn)類數(shù)據(jù)圖線的教學(xué)策略

戴明

摘 要：《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求學(xué)生“能收集并用數(shù)據(jù)、圖表等多種方式描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析推理得出合理結(jié)論”，即要求學(xué)生能進(jìn)行證據(jù)推理與模型認(rèn)知。本文提出了工業(yè)生產(chǎn)類數(shù)據(jù)圖線教學(xué)中的五個(gè)策略，用以提升解決此類問題的教學(xué)效果，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；工業(yè)生產(chǎn)；數(shù)據(jù)圖線；教學(xué)策略

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

近幾年，工業(yè)生產(chǎn)類的數(shù)據(jù)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(xiàn)“能力立意”原則，兼顧知識與能力的雙重測量，較好考查了學(xué)生數(shù)據(jù)分析與處理能力。此類問題實(shí)現(xiàn)了四個(gè)走向，一是，從實(shí)驗(yàn)原理走向生產(chǎn)實(shí)際，讓學(xué)生深刻理解化學(xué)知識、工業(yè)生產(chǎn)、社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的相互關(guān)系。二是，從定性知識走向定量圖線，通過工業(yè)生產(chǎn)將部分化學(xué)反應(yīng)原理量化為數(shù)據(jù)曲線，綜合考查學(xué)生的信息轉(zhuǎn)化能力。三是，從被動接受知識走向活動中主動探究，數(shù)據(jù)圖線中常隱含相關(guān)信息，需要學(xué)生對其進(jìn)行挖掘、猜想和概括。四是，從化學(xué)學(xué)科問題走向多學(xué)科融合，數(shù)據(jù)圖線把化學(xué)原理抽象為數(shù)學(xué)問題，通過對數(shù)據(jù)與原理的結(jié)合分析，實(shí)現(xiàn)了學(xué)科間的融合。

面對具體的工業(yè)生產(chǎn)類數(shù)據(jù)圖線，“教師要善于引導(dǎo)學(xué)生捕捉圖表背后所隱含的豐富的化學(xué)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(yùn)用所學(xué)信息解決實(shí)際問題，筆者將結(jié)合五個(gè)具體的案例（限于篇幅，文字有刪減），分別闡述工業(yè)生產(chǎn)類數(shù)據(jù)圖線的教學(xué)策略。

一、評價(jià)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(shù)人員設(shè)計(jì)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(shí)際析出質(zhì)量與理論析出質(zhì)量之比）與pH的關(guān)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(fā)現(xiàn)，電解的酸性溶液隨著pH的不斷增大，電流效率η增大，當(dāng)4.0

【教學(xué)建議】 這是在一個(gè)自變量作用下的單一圖線，教師需要引導(dǎo)學(xué)生完成三個(gè)方面分析：一是，學(xué)習(xí)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(chǎn)率的關(guān)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(fā)展規(guī)律。三是，引導(dǎo)學(xué)生用“多、快、好、省”四個(gè)字來評價(jià)工業(yè)生產(chǎn)的綜合效益，力求綜合效益最大化。“多”就是評價(jià)總產(chǎn)出、“快”就是評價(jià)化學(xué)反應(yīng)速率、“好”就是評價(jià)生產(chǎn)對生態(tài)等的影響、“省”就是在總產(chǎn)出的基礎(chǔ)上評價(jià)總投入。

二、選擇最佳條件

【案例二】 以冶銅工廠中預(yù)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(jìn)行氨浸，氨浸時(shí)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(shí)，反應(yīng)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(shí)，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(shí)，浸取液中一水合氨分解，銅元素回收率降低。（2）當(dāng)浸取液為氨水一碳酸銨混合溶液時(shí)，溶液中存在氨水的電離平衡和NH+4的水解平衡，當(dāng)溫度變化時(shí)，兩個(gè)平衡都發(fā)生相應(yīng)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(xué)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(chǎn)條件。教師需要引導(dǎo)學(xué)生完成三個(gè)方面分析：一是，根據(jù)圖線的符號標(biāo)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(biāo)的增大，圖線的發(fā)展情況。三是，又要“豎著看”，即在同一橫坐標(biāo)數(shù)值下不同圖線所對應(yīng)縱坐標(biāo)，結(jié)合“橫著看”與“豎著看”的結(jié)果，找出在多個(gè)自變量作用下的最佳結(jié)合點(diǎn)，進(jìn)而選擇最佳生產(chǎn)條件。

三、分析重要節(jié)點(diǎn)

【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(zhuǎn)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(shí)，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(yīng)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(yīng)溫度升高化學(xué)反應(yīng)速率加快，如100～250℃范圍。250～300℃時(shí)，溫度升高，乙酸的生成速率卻“反常”減慢了。分析可知，拐點(diǎn)250℃時(shí)，催化劑效率最高，當(dāng)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(xué)建議】 這是在一個(gè)自變量作用下的兩個(gè)因變量變化圖線。教師需要引導(dǎo)學(xué)生完成三個(gè)方面分析：一是，根據(jù)圖線的符號標(biāo)記或說明，明確兩個(gè)因變量相應(yīng)的縱坐標(biāo)，以及隨著自變量的變化，各圖線的發(fā)展情況。二是，加強(qiáng)對起點(diǎn)和終點(diǎn)的分析，明確圖線的總體走向。三是，加強(qiáng)對拐點(diǎn)的分析，對于拐點(diǎn)這樣的“反常”點(diǎn)，蘊(yùn)藏著豐富的信息與內(nèi)涵，既需要“瞻前”，即隨著反應(yīng)的進(jìn)行，為拐點(diǎn)的到來創(chuàng)造了怎樣的條件；更需要“顧后”，即拐點(diǎn)之后，聯(lián)系反應(yīng)物的性質(zhì)等，推測可能發(fā)生的變化。圖線上的起點(diǎn)、拐點(diǎn)和終點(diǎn)，與生產(chǎn)數(shù)據(jù)相對應(yīng)，反映出生產(chǎn)過程中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的情況。

四、強(qiáng)化定量分析

【案例四】 已知過硫酸鉀具有強(qiáng)氧化性（常被還原成硫酸鉀），現(xiàn)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(shí)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(zhì)X的化學(xué)式為 。

【案例分析】 不難看出，圖線反映出隨著時(shí)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(shí)刻，S2O2-8的物質(zhì)的量減少了0.3mol，同時(shí)SO2-4增大了0.6mol，根據(jù)信息S2O2-8具有強(qiáng)氧化性，電子共轉(zhuǎn)移了0.6mol，由圖可知，產(chǎn)物X的物質(zhì)的量為0.3mol，根據(jù)得失電子總數(shù)守恒，可以判斷產(chǎn)物X的化學(xué)式為H2O2。

【教學(xué)建議】 這是利用在一個(gè)自變量作用下的兩個(gè)因變量變化圖線，進(jìn)行定量計(jì)算和分析的案例。教師需要引導(dǎo)學(xué)生完成兩個(gè)方面分析：一是，將定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合，在圖線特定位置上，準(zhǔn)確找到相關(guān)物質(zhì)及其物質(zhì)的量。二是，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)，充分運(yùn)用得失電子總數(shù)守恒、質(zhì)量守恒和溶液中離子電荷守恒等守恒思想，進(jìn)行定量計(jì)算并完成相關(guān)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(jìn)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(shí)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(guān)鍵信息：CH3COO-也可作為碳元素的來源，可促進(jìn)微生物生長，而微生物恰恰也是此反應(yīng)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(jìn)微生物生長，催化效率降低，故降解速率顯著減慢。

【教學(xué)建議】 影響工業(yè)生產(chǎn)效率和效益的外界因素存在很多，如濃度、溫度、壓強(qiáng)、催化劑、時(shí)間、電流強(qiáng)度、光照條件等等，由于工業(yè)生產(chǎn)流程比較復(fù)雜、涉及物質(zhì)較多、生產(chǎn)條件控制要求較高等實(shí)際情況，題干中常會出現(xiàn)不少陌生信息，教師要引導(dǎo)學(xué)生重視對陌生信息的學(xué)習(xí)與篩選，并善于找出對解決問題有幫助的關(guān)鍵信息。

對工業(yè)生產(chǎn)類數(shù)據(jù)圖線的分析體現(xiàn)了很好的思考性、探究性與應(yīng)用性，充分回應(yīng)了《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)要求。因此，此類數(shù)據(jù)圖線應(yīng)引起廣大教師和學(xué)生的充分重視。在備考過程中，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生掌握觀察和分析各類圖線的方法，深入挖掘圖線中所蘊(yùn)藏的豐富信息，不斷提升學(xué)生讀圖、析圖和用圖的能力，為提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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