“速率-平衡”圖像問題解決模型構建的教學思考

陳艷 李發順

摘要：“速率一平衡”圖像題變化多，形式多，考查角度多，干擾因素也多，學生在答題時往往找不到切入口或答題點。作者在教學實踐中從教材中溯源，以例題為起點，構建思維模型，運用模型并進行修正完善，圍繞認知模型的構建和應用，引導學生學會找答題角度和正確描述，提升證據推理與模型認知能力，實踐高階思維課堂。

關鍵詞：“速率一平衡”圖像;變式;模型構建;模型運用;模型修正

文章編號：1008-0546（2019）12-0011-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.004

一、化學反應“速率—平衡”圖像研究的價值和意義

化學學科核心觀念之一是“變化與平衡”，診斷學生對此觀點理解程度的選考化學試題，以化學學科工業生產和社會熱點問題為背景，設計層級遞進的問題，從識圖到用圖，再到作圖，實現對化學學科核心知識、學科能力和學科核心素養的考查?！八俾室黄胶狻眻D像是利用數學工具對化學反應過程進行直觀描述的表征，在一張圖中，可以是單一變量，也可以是多個變量，可以是單獨趨勢圖像，也可以是多趨勢圖像，可以做到對化學反應過程的多重表征，能夠充分考查學生獲取信息、整合信息和應用信息的能力。這類圖像試題的背后可以是單一反應，也可以是多個反應疊加（競爭反應或連續反應）。選考試題命制往往借助真實工業生產情境中某幾個環節，運用我們熟知的速率與平衡含義、影響因素和定量分析等視角研討與解決問題，以診斷學生化學學習的理論與工業生產結合水平。試題命制中的圖像從理論表征走向實際圖像分析，因此，隨著教學情境走進工業生產與生活現場，試題更側重于化學原理在實踐中的考查。尤其是數字化實驗的不斷普及，對實驗過程或工業生產過程數字化描述的圖像試題，在選拔性測試中比重明顯增大。

試卷中的平衡圖像大多來源于工業實際，往往是多因素、多反應、多方向圖像，而非實驗室條件控制下的單因素、單反應、單方向圖像，對學生的理解能力要求很高。學生雖然趟過了題海，但面對陌生的反應體系，陌生的多重圖像表征，很難與平時學習中程式化試題的基本原理聯系起來，對試題產生懼意，答題角度不合理，甚至無從下手。

教學實踐中，往往將一些已知知識和理解方法通過歸納、演繹、類比的方法構建一個思維模型。利用這個模型揭示研究對象的特征和本質，這一過程，稱為模型認知。通過構建化學平衡圖像認知模型，幫助學生形成結構化的“速率一平衡”理解。以期學生面對紛繁復雜的陌生圖像情境，能夠排除干擾，在教材中找到知識原型，回歸到化學的基本反應原理和物質結構知識中去，并在變式訓練修正自己的思維方法與認知，熟練應用并完善修正模型，以提升學生對“速率一平衡”試題模型的理解、構建與應用。

筆者以高三選考復習圖像為例，分析和研究了近幾年出現的新圖像，從錯綜復雜的表象發掘基本的化學原理，幫助學生把陌生的信息轉化為熟悉的基本原理，將圖像變化與所學知識聯系起來，快速準確答題。

二、教學目標、評價目標和模型認知

1.教學目標與評價目標

（1）在典型例題的研討中，診斷學生對反應速率、反應平衡概念及速率影響因素、平衡影響因素的回憶;學生通過速率圖像的分析，學會找出影響圖像變化的變量，將圖像的變化讀出為影響因素的影響，順利得出結論。

（2）學生在變式訓練，通過圖像進行推理，揭示圖像本質，再通過復雜三維、多維圖像的梯度訓練，應用思維模型并修正自己的認知模型，將孤立的速率、平衡、平衡影響因素、平衡移動方向判斷等知識結構化，發展學生的證據推理和模型認知能力。

（3）通過解決例題與變式，整合速率圖像、平衡圖像、速率一平衡圖像，抽象出問題解決思維模型，在模型運用中修正完善模型，培養學生嚴謹的思維習慣和科學探究能力，提升學生的終身學習能力。

三、課堂實踐

1.構建速率圖像問題解決模型

從蘇教版《必修2》3 1頁反應速率與時間的反應關系圖像出發。為了研究碳酸鈣與稀鹽酸反應的反應速率，一位同學通過實驗測定反應中生成的CO2氣體體積隨反應時間變化的情況，繪制出CO2體積與反應時間的曲線，如圖2所示（該反應是放熱反應），請分析討論以下問題。

①在O-t1、t1～t2、t2～t3各相同的時間段里，反應速率最大的是__時間段，收集到氣體最多的是__時間段。

反應速率我們通常用單位時間內反應物濃度的減少或生成物濃度的增加來表示，如果要用CaCO3、CO2等來表示反應速率，就無法在此用濃度進行表示，需要同學們找到更加合適的表示方法，如單位時間內質量、物質的量、體積等的變化也是可以的，知識的寬度拓展。

②試分析三個時間段里，t1～t2反應速率快于0-t1的可能原因__。

③試分析三個時間段里，t1-t2反應速率快于t2-t3的可能原因__。

④問題②和③表示出反應的快慢，從圖2中來觀察，最直接的感覺是什么？

⑤請根據信息畫出反應速率與時間的關系圖（圖3：v（CO2）-t）。

⑥還可以用什么量的變化表示反應速率？如果要用產物p（CO2）-t來表示反應過程的速率，圖像會是什么樣的？

上述試題來源于課本，又在原有的問題上進行了重新設計，學生在回答問題過程中，首先學會讀取橫縱坐標，知道其代表意義，讀取圖線的變化趨勢，對圖形信息進行加工、分析，得出恒壓下速率變化導致V（CO2）變化，學會用氣態物質體積變化來表示反應速率。進而分析影響速率的不同因素是酸的濃度與反應溫度（此題未考慮固體表面積和催化劑），表示方法從單位時間濃度變化到氣體體積變化也是可行的。為后續恒容下單位時間內氣體壓強變化來表示反應速率設置階梯。從t1～t2反應速率快進行分析，有利因素是反應放熱，不利因素是反應物減少，導致鹽酸濃度下降等。圖像反映的是速率變大，說明有利因素強于不利因素。同樣可以分析t2～t3的速率下降的原因是濃度減小強于反應放熱，導致反應速率減小。從而得出多因素對反應速率影響時，要從同向影響與反向影響兩個角度考慮。基于這樣的思考，構建速率問題思維模型，如圖4。

模型運用1：某小組利用H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液反應來探究“外界條件對化學反應速率的影響”。實驗時，先分別量取兩種溶液，然后倒入試管中迅速振蕩混合均勻，開始計時，通過比色法（測定褪色所需時間）來判斷反應的快慢。實驗過程中保持恒溫，測定該反應的反應速率與時間的關系如圖5所示。為什么反應速率先緩慢上升后快速上升？

確定題目考查角度是速率變化原因。利用上述速率問題思維模型，從影響反應速率的因素中進行篩選，在排除了濃度、溫度、壓強等因素外，隨著反應進行，反應物濃度下降，此時反應速率應該變慢才合理，而反應卻是速率變快，思考的視角就只能轉向催化劑。但圖像是先緩慢上升后快速上升，這告訴我們不僅是產生的催化劑，還說明催化劑的濃度大小也會影響反應速率，則更進一步說明催化劑是反應過程中產生的物質或微粒，把學生思維從催化劑有無對反應速率影響推進到催化劑多少也會對反應速率的影響。由于變化后仍然留在溶液中的只有MnO4^-還原生成的Mn²⁺，所以解答時就可以從Mn²⁺產生并作催化劑角度進行回答。若在此時再讓學生回答速率達到最快后為什么會快速下降呢？這樣設計的問題，再一次把學生從催化劑的角度拉回綜合思維，再次回到多變量問題。

模型運用2：以二氧化鈦表面覆蓋CuzAl2O4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圖6所示。250～400°C時，隨溫度升高乙酸的生成速率先降低后升高的原因是什么？

首先確定題目考查角度中速率變化原因。認識圖像橫坐標與縱坐標的意義，催化效率與溫度關系，很顯然我們的思考角度就定下來了，不用去考慮催化劑的多少的影響。而轉向考查催化劑活性問題（或催化劑隨溫度升高而分解），隨溫度升高，催化劑的催化效率下降，催化劑的催化效率下降的影響超過了溫度升高的影響，乙酸的生成速率下降，超過300°C時，溫度升高的影響超過了催化劑催化效率下降的影響，乙酸的生成速率上升。也有的試題考查角度不是催化劑發生分解或活性下降，而是原有的主反應進行同時，副反應突然增強，或是反應物（生成物）發生了其它反應，導致某一物質濃度突然變大或變小。基于上述兩點思考將速率問題解決模型作如下完善，如圖7所示。

①請描述曲線（CO2轉化率隨著溫度）變化趨勢？后半段下降的原因？前半段升高的原因？前半段反應有沒有達到平衡？說出判斷的理由。

②在該圖上畫出CO2平衡轉化率隨溫度變化的曲線。

③工業上選擇反應條件（假定催化劑在選定溫度下活性最強），選擇多高的溫度最合適，說出理由。

④若將此反應放在恒容絕熱容器中進行，跟上述③選定溫度下平衡時產率會怎樣變化，請說出理由。

⑤若將此反應放在恒壓容器中進行，與原題相同時間測定CO2轉化率，其變化曲線可能是怎樣的？

解答這類問題，首先讀取橫坐標與縱坐標含義，這是CO2轉化率與溫度關系圖，圖像變化趨勢是先增大后減小，轉折點對應溫度與轉化率是解答此題的關鍵點。轉化率可以分為非平衡時轉化率和平衡時轉化率，非平衡時轉化率與速率相關，平衡時轉化率與平衡程度相關?？v坐標并沒有指明是平衡轉化率，這就意味著還有可能是某一溫度在相同時間的轉化率，這就意味著與反應速率有直接的關系。然后再比較相同時間測試的轉化率，從溫度出發，分析速率的變化，隨溫度升高，速率越來越大，轉化率越來越大，而后來轉化率下降，說明已達平衡，升高溫度，平衡逆向移動。問題②在問題①解決的前提下，畫出CO2在不同溫度下的平衡轉化率圖像，如圖9，也讓學生對平衡圖像和非平衡圖像有更深的理解。

在問題②的基礎上，再提出選擇工業生產條件，既要考慮速率問題，又要考慮平衡轉化率，這就是問題③。問題④、⑤對學生思維要求則要從溫度對平衡影響、壓強對平衡影響兩個角度探討CO2平衡轉化率，雖然一個要答平衡產率，一個是作圖，其本質其實都是考查新平衡相對于原平衡的移動?；谏鲜鰡栴}構建“速率一平衡”圖像平衡問題解決模型，如圖10。

問題①在A、B曲線對比，確定B曲線為非平衡態，從速率角度分析，升高溫度，速率加快，B曲線逐漸逼近A曲線，關注平衡態和非平衡態圖形的差異，感受吸熱反應和放熱反應平衡態圖形的差異。問題②考查溫度對反應速率的影響，學生都關注過溫度對反應速率影響遠大于濃度對速率的影響，而且是指數次方增長，考點通過圖像展示，需要學生學會觀察與比較。問題③實則考查平衡常數含義與平衡移動，這里突出了敞口，也就是產生的CO2可以不斷的散失，Qc

模型運用2：用氨氣催化氧化NOx可以消除氮氧化物的污染。如圖12，采用NH3作還原劑，煙氣以一定流速通過兩種不同催化劑，測量逸出氣體中氮氧化物含量，從而確定煙氣脫氮率（即氮氧化物轉化率），反應為：NO（g）+NO2（g）+2NH3（g）≒2N2（g）+3H2O（g）。

①催化劑①和催化劑②分別適用的溫度？

②判斷該反應的放熱和吸熱反應類型？

③A點的脫氮率是平衡時的脫氮率嗎？

④A點后脫氮率下降的原因？

對于這些轉化率隨著溫度變化不是單調遞增或遞減的圖像，首先要引導學生找出溫度升高（或降低）平衡移動方向，從而判斷正反應（逆反應）的吸熱還是放熱，然后再運用溫度對“速率一平衡”的影響作出對圖像異常段的判斷，并從速率、平衡兩個視角，根據可能的影響因素找出合理的解釋。根據認知模型，首先判斷脫氮率是否為平衡時的脫氮率，需要判斷該反應的熱效應，利用450°C以上的B曲線，確定該反應為放熱反應，平衡時的轉化率逐漸下降，低于450°C時，平衡脫氮率肯定高于B點，A曲線脫氮率低的原因可歸結為速率，那A曲線下降的原因是因為催化劑活性下降導致的速率下降，其它問題迎刃而解。

模型運用3：甲醇是重要的化工原料，又可稱為燃料。利用合成氣（主要成分為CO、CO2和H2）在催化劑的作用下合成甲醇，發生的主反應如下：

該題型是多反應方程平衡體系，體系中的三個反應相互關聯，相互制約，尤其是反應②和③還是競爭反應關系，不論題型如何變化，均可歸結為速率因素影響和平衡移動因素影響，根據認知模型，判斷CO轉化率屬于平衡轉化率，需要依據平衡移動方法來分析轉化率，升高溫度，反應①平衡逆向移動，反應③正向移動，所以CO的轉化率降低。

四、教學思考

1.變化問題設計，構建并修正速率思維模型

速率圖像研討環節，從簡單的速率時間圖出發，從圖像直接感知速率相對大小，將選擇題改編為階梯式問題，增加速率表示方法、從V-t圖轉換成p-t圖進行研究討論，利用書本中的例題構建思維模型（濃度、溫度、壓強、催化劑對反應速率的影響）。模型運用1環節選擇經典問題從反應中產物起到催化劑作用到催化劑的量的多少對反應速率的影響，提升學生研究反應過程中不只是關注題設給定的反應物、生成物及反應條件，還要關注反應過程產生的新物質對反應的影響。模型運用2從催化劑可能發生的轉化與活性變化來研討化學反應速率影響因素。學生解答問題過程不只是模仿例題獲取相對合理的答案，更要思考這些問題為什么要這樣答，怎樣想到從這些角度去答，還可能有什么樣的思維角度。修正自己意識中的速率問題思維模型，只有這樣不斷的思維碰撞、模型修正，才能實現深度學習。

2.由簡到雜，由淺入深，孤立知識結構化

“速率一平衡”圖像不僅涉及速率對反應程度的影響，同時還涉及平衡移動對反應程度的影響。在解題中，關注轉折點，將圖像分成兩部分：非平衡態和平衡態，將問題區分為速率問題和平衡移動問題，讓學生對圖像的認識回歸到化學反應的基本原理中去。該思維模型撥云見日，注重了認識思路的顯性化和結構化，不同變式問題由易到難，將分散、孤立的問題層級化，幫助學生構建完整的思維體系，從單一反應到競爭反應或連續反應研討“速率一平衡”圖像問題，通過對原始問題進行加工與改造，喚醒學生，讓其在不同情境下，依然懂得利用認知模型解決問題，培養了學生的終身學習能力，這正與我校育人目標：“在校發展最大化，終身發展潛力最大化”相一致。