基于核心素養(yǎng)建構(gòu)模型解決化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡問題

趙明哲 劉曉軍 王小磊

摘要：本課例選擇實際生產(chǎn)中的真實情境，以石油化工中正丁烷催化脫氫反應(yīng)為例，在理論與實際對比的矛盾沖突中建構(gòu)思維模型，運用模型解決真實情境中化學(xué)反應(yīng)調(diào)控問題，培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認知”“變化觀念與平衡思想”的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)速率;化學(xué)平衡;模型建構(gòu);核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2020）04-0068-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.017

一、指導(dǎo)思想與理論依據(jù)

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）》[1]（下稱“新課標”）中提出化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會責任”。新課標對化學(xué)反應(yīng)、限度和速率這一主題中化學(xué)反應(yīng)調(diào)控的要求為：認識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要作用。知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程，對調(diào)控化學(xué)反應(yīng)速率具有重要意義。

結(jié)合新課標中的要求，選擇實際生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)調(diào)控問題為真實情境，經(jīng)過文獻調(diào)研[2-6]，選擇了提高石油化工中碳四烴的利用率為主題，以正丁烷催化脫氫制正丁烯反應(yīng)的調(diào)控為研究對象。本課例的指導(dǎo)思想是從理論分析與真實情景的矛盾出發(fā)，建立思維模型，引導(dǎo)學(xué)生基于實際結(jié)果，結(jié)合模型進行分析，形成解決真實情境中化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡問題的方法，體現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡對于調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的作用，培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認知”“變化觀念與平衡思想”的核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)背景知識分析

化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡和反應(yīng)進行的方向等化學(xué)反應(yīng)原理知識，在人教版教科書中屬于高中化學(xué)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章內(nèi)容[7]。化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡體現(xiàn)了以下價值：（l）學(xué)科價值，化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡是中學(xué)理論化學(xué)的基礎(chǔ)，是學(xué)習(xí)后續(xù)章節(jié)水溶液中的離子平衡、沉淀溶解平衡的基礎(chǔ);（2）社會價值，應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡理論實現(xiàn)對生產(chǎn)生活中化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控和利用，使反應(yīng)符合人們的需求;（3）學(xué)生價值，化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡使學(xué)生更深刻、更全面地理解化學(xué)反應(yīng)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

本章雖然沒有具體地介紹化工生產(chǎn)內(nèi)容，但選擇化工生產(chǎn)最適宜的條件必然涉及化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡等理論的應(yīng)用。可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)分析具體反應(yīng)的特點，進而利用所學(xué)理論知識進行合理選擇。同時要學(xué)習(xí)全面思考各種條件的相互影響，在比較中趨利避害，取得最優(yōu)化的條件，使學(xué)生了解化學(xué)理論對于實際生產(chǎn)的指導(dǎo)作用[8]。

三、學(xué)生學(xué)習(xí)困難分析

高三一輪復(fù)習(xí)中，已完成對于化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的章節(jié)復(fù)習(xí)，學(xué)生對于該章節(jié)的基礎(chǔ)概念掌握熟練。在前測中，96%以上的學(xué)生可以對于熟悉的可逆反應(yīng)，僅改變一個外界條件時，準確地分析化學(xué)反應(yīng)速率的變化和化學(xué)平衡的移動。

但是，對于真實情境的分析，如體系中有多個化學(xué)反應(yīng)同時發(fā)生，尤其是對于工業(yè)生產(chǎn)中復(fù)雜圖表的分析（如2019年北京理綜27（1）④題，2018年北京理綜26（4）題等），學(xué)生缺乏有效的分析方法，往往還是靠猜測。在前測中，51%的學(xué)生難以從復(fù)雜圖表中提取出有效的信息，87%的學(xué)生對于有多個化學(xué)反應(yīng)同時發(fā)生的復(fù)雜體系，感覺無從下手。這是重點要去解決、突破的問題。

四、基于模型建構(gòu)的教學(xué)活動設(shè)計與實施

1.整體教學(xué)思路

基于上述分析，本課例的教學(xué)目標是：教會學(xué)生從圖表、文字中提取有效信息，并結(jié)合已有知識體系，運用“全面搜索”的方法對于信息進行加工;從理論向?qū)嶋H應(yīng)用遷移，幫助學(xué)生逐步建立并擴展思維模型，掌握實際生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)調(diào)控問題的解題思路。

為達到該目標，如表1所示，本課例將實際生產(chǎn)主題下真實情境中的化學(xué)反應(yīng)調(diào)控問題設(shè)計為3個活動：（l）活動一模型建立;（2）活動二模型應(yīng)用;（3）活動三模型擴展應(yīng)用。這一設(shè)計能夠體現(xiàn)學(xué)生思維和能力提升的過程，即從對理論的分析上升到對具體實例的分析，將這種分析的思維路徑概括為思維模型并轉(zhuǎn)化為解決問題的能力。

2.教學(xué)實施與目的分析

環(huán)節(jié)1：情境引入

[問題1]我國石油化工發(fā)達嗎？判斷依據(jù)是什么？

[素材1]除乙烯外，碳四烴也是一種重要的石油化工產(chǎn)品。目前我國碳四烴產(chǎn)量高，但利用率低。為解決上述問題，可用碳四烴中的正丁烷催化脫氫制正丁烯，進一步轉(zhuǎn)化得到高附加值化工產(chǎn)品。本課例以正丁烷催化脫氫反應(yīng)為背景，研究如何調(diào)控化學(xué)反應(yīng)，提高生產(chǎn)效率。

[設(shè)置意圖1]創(chuàng)設(shè)與實際生產(chǎn)相關(guān)的真實情境，引入課題，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的應(yīng)用價值。

環(huán)節(jié)2：活動一模型建立

[素材2.1]介紹正丁烷催化脫氫反應(yīng)裝置，給出

[學(xué)生活動1]畫出只改變一個外界條件對反應(yīng)“C⁴H¹⁰（g）

C⁴H⁸（g）+H²（g）

H=+123kj/mol”中正丁烷平衡轉(zhuǎn)化率的影響。

[學(xué)生學(xué)習(xí)表現(xiàn)]對于熟悉的改變外界條件對于化學(xué)平衡移動影響的問題，如圖1所示，學(xué)生能夠快速地從三個角度，即濃度（進料比）、壓強和溫度作圖進行正確的回答。

[設(shè)置意圖2.1]從基礎(chǔ)概念出發(fā)，體現(xiàn)檢測功能，強化落實基礎(chǔ)知識。

[素材2.2]實際生產(chǎn)中，由氫氣和正丁烷組成的進料氣持續(xù)通入反應(yīng)裝置中，反應(yīng)不一定到達平衡狀態(tài)，實際測得不是正丁烷平衡轉(zhuǎn)化率而是單位時間正丁烯產(chǎn)率。

[問題2]單位時間正丁烯產(chǎn)率和正丁烷平衡轉(zhuǎn)化率有什么不同？