基于模型認(rèn)知的高中化學(xué)教學(xué)研究
——以“化學(xué)反應(yīng)的限度”為例

文/趙 拯

引 言

“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。模型認(rèn)知作為一種常用的科學(xué)研究方法，不斷推動微觀體系和宏觀世界相互驗(yàn)證與相互促進(jìn)。模型認(rèn)知能力是指通過觀察、實(shí)驗(yàn)、分析、推理等手段，提煉出研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及關(guān)系，構(gòu)建認(rèn)識事物的實(shí)物模型或過程模型來解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示化學(xué)規(guī)律的能力。

“化學(xué)反應(yīng)的限度”是人教版化學(xué)必修第二冊的內(nèi)容，是培養(yǎng)學(xué)生模型認(rèn)知能力良好的素材。化學(xué)平衡是可逆反應(yīng)在一定的條件下達(dá)到的最大限度。其中，反應(yīng)速率、系統(tǒng)濃度、外界條件是模型認(rèn)知的關(guān)鍵要素。該內(nèi)容與前面元素化合物知識學(xué)習(xí)方式略顯不同，內(nèi)容較為抽象，原理相對復(fù)雜。因此，在新課教學(xué)時，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力，不斷吸引學(xué)生注意力，注重學(xué)生認(rèn)知模型建構(gòu)尤為重要。

一、知識分析與內(nèi)容組織

（一）知識分析

課程標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于“化學(xué)反應(yīng)的限度”內(nèi)容，要求學(xué)生了解可逆反應(yīng)的含義，知道可逆反應(yīng)在一定條件下能達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，認(rèn)識化學(xué)變化是有條件的，學(xué)會運(yùn)用控制變量方法研究化學(xué)反應(yīng)，了解控制反應(yīng)條件在生產(chǎn)生活和科學(xué)研究中的作用[1]?？赡娣磻?yīng)的概念很簡單，很容易理解，但其中的內(nèi)涵相當(dāng)豐富。在教學(xué)過程中，教師可通過創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中體驗(yàn)到什么是可逆反應(yīng)，初步形成化學(xué)平衡體系的認(rèn)知模型；讓學(xué)生充分利用抽象思維，不斷深化認(rèn)知模型，并歸納出化學(xué)平衡的特征，并在此基礎(chǔ)上，通過化學(xué)平衡裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，感知外界條件的改變對化學(xué)反應(yīng)限度的影響。

（二）組織方式

工業(yè)合成氨反應(yīng)限度很低，如何提高反應(yīng)的限度？限于條件苛刻，合成氨的實(shí)驗(yàn)無法在課堂演示并研究。為此，筆者查閱資料，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了具有可逆性的原電池，讓學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，通過觀察電流表示數(shù)的變化來形象化可逆化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生觀察與思考，通過問題鏈的形式，督促學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行剖析，在追問中層層遞進(jìn)，螺旋式上升，最終建構(gòu)化學(xué)平衡的基本認(rèn)知模型。在此基礎(chǔ)上，教師通過該認(rèn)知模型，提供相關(guān)信息，與學(xué)生一起探討工業(yè)制氨的條件選擇。

二、教學(xué)活動設(shè)計(jì)

環(huán)節(jié)一：情境創(chuàng)設(shè)，任務(wù)驅(qū)動

教師講解：饑餓是一種由于膳食能量獲取不足而引起的不舒服的身體感覺。當(dāng)一個人無法靠定期攝入足夠的膳食能量來過上健康的生活時，就會患上慢性疾病。你可能想象不到，全球還有幾億人處于饑餓狀態(tài)。其實(shí)，對于饑餓感覺，大家都深有體會，上完上午的四節(jié)課后大家就饑腸轆轆，那沖向食堂的速度說明了一切（學(xué)生笑）。如果沖到食堂發(fā)現(xiàn)只能排隊(duì)打稀飯，你們是什么感受？談到糧食，我們不得不講到氮肥。前面我們已經(jīng)學(xué)過，作為合成氮肥的最關(guān)鍵一步是：。氮?dú)夂蜌錃庠诔爻合?，幾乎是不反?yīng)的。即使在高溫、高壓、催化劑下，反應(yīng)的限度或產(chǎn)量也極少。今天我們就來研究如何提高反應(yīng)的限度，即氨氣的產(chǎn)率。

設(shè)計(jì)意圖：通過教師講解再現(xiàn)饑餓的情境，引發(fā)學(xué)生對糧食重要性的認(rèn)同，逐漸引導(dǎo)到氮肥的生產(chǎn)，即工業(yè)合成氨上來，并提出本節(jié)課的核心問題：如何提高氨氣的產(chǎn)率（合成氨的反應(yīng)限度）。

環(huán)節(jié)二：溫故知新，激活舊知

教師引導(dǎo)：工業(yè)合成氨是一個可逆反應(yīng)。什么是可逆反應(yīng)呢？這就涉及兩個概念：正反應(yīng)和逆反應(yīng)。請大家針對，說一說這個反應(yīng)中哪個是正反應(yīng)，哪個是逆反應(yīng)？

學(xué)生回答：氮?dú)夂蜌錃夂铣砂睔馐钦磻?yīng)；氨氣分解為氮?dú)夂蜌錃馐悄娣磻?yīng)。

教師強(qiáng)調(diào)：可逆反應(yīng)中的正反應(yīng)和逆反應(yīng)，不要忘了有個前提，在相同條件下。例如，氫氣和氧氣點(diǎn)燃生成水，水電解為氫氣和氧氣，由于反應(yīng)條件不同，我們不能講這個反應(yīng)是可逆反應(yīng)，自然也沒有該反應(yīng)的正反應(yīng)和逆反應(yīng)的說法了。那么，我們?nèi)绾螠?zhǔn)確地敘述合成氨這個反應(yīng)的正反應(yīng)和逆反應(yīng)呢？

學(xué)生回答：在相同條件下，正反應(yīng)：氮?dú)夂蜌錃馍砂睔?；同時，逆反應(yīng)：氨氣分解為氮?dú)夂蜌錃狻?/p>

教師啟發(fā)：要提高工業(yè)合成氨的限度，我們的思路是正反應(yīng)盡可能多發(fā)生，即合成氨的程度多點(diǎn)，分解氨的程度少點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過可逆反應(yīng)概念的回憶，強(qiáng)調(diào)同一條件下這一前提，并從概念中引導(dǎo)學(xué)生從正反應(yīng)和逆反應(yīng)角度進(jìn)行思考，為后面的模型建構(gòu)做好準(zhǔn)備。

環(huán)節(jié)三：實(shí)驗(yàn)操作，挖掘要素

由于工業(yè)合成氨反應(yīng)條件是高溫、高壓、催化劑，實(shí)驗(yàn)室很難模擬。為此，教師選擇了一個可以讓大家親手操作的實(shí)驗(yàn)來組織探究。

根據(jù)原電池知識，只要是自發(fā)的氧化還原反應(yīng)就可以設(shè)計(jì)成原電池。Ag+和Fe3+都具有一定的氧化性，F(xiàn)e2+和單質(zhì)銀具有一定的還原性。它們之間的反應(yīng)具有一定的可逆性，即為Ag++ Fe2+Ag + Fe3+[2]。我們可以將正反應(yīng)（Ag++ Fe2+→Ag + Fe3+）、逆反應(yīng)（Ag++ Fe3+→Ag++ Fe2+）分別設(shè)計(jì)成原電池。

以石墨棒和銀棒作為反應(yīng)的電極，設(shè)計(jì)兩組原電池并裝配實(shí)驗(yàn)儀器。裝置如圖1 所示。

圖1 原電池裝置圖

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)并匯報現(xiàn)象：電流表指針正向偏轉(zhuǎn)，另一個反應(yīng)反向偏轉(zhuǎn)。

教師：指針偏轉(zhuǎn)，這與同學(xué)們的預(yù)測一致。但偏轉(zhuǎn)方向不同，這是由于正負(fù)極不一樣的原因。隨著時間推進(jìn)，這兩個電流表指針會怎么變化呢？

學(xué)生1：正向的偏向反向，反向的偏向正向。該反應(yīng)是可逆反應(yīng)。

學(xué)生2：最終兩個指針應(yīng)該都會指向“0”刻度。電池電量用完就沒有電子轉(zhuǎn)移了。

教師：大家的預(yù)測都很有道理。因?yàn)檫@個過程時間略長，老師將這兩個實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行拍攝后現(xiàn)快放，大家看看誰預(yù)測的結(jié)果正確。

學(xué)生：過一段時間后，指針都指向中間的“0”刻度。

教師：電流表指數(shù)為“0”，就是電子不再轉(zhuǎn)移了。那么，裝置中的反應(yīng)是不是已經(jīng)停止了？

學(xué)生：反應(yīng)已經(jīng)停止。

教師追問：是不是第一個容器中所有Fe2+都轉(zhuǎn)變成Fe3+？同樣，第二個反應(yīng)容器中是否所有的Fe3+都轉(zhuǎn)變成Fe2+？

提示：檢驗(yàn)是否有Fe3+可用KSCN 溶液，檢驗(yàn)Fe2+可用酸性KMnO4溶液。

學(xué)生：取樣后加試劑檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩個裝置中均含有Fe2+和Fe3+。

教師：混合液中是否有Ag+？你們可以檢測一下。

學(xué)生：溶液中不僅有Fe2+和Fe3+存在，而且還存在Ag+。

教師追問：當(dāng)電流表的指數(shù)為“0”時，各離子在體系中是共存的，你還堅(jiān)持“反應(yīng)已經(jīng)停止”了嗎？

學(xué)生：反應(yīng)還在進(jìn)行中。

教師追問3：那么，指數(shù)為“0”說明了什么？

學(xué)生：當(dāng)正反應(yīng)和逆反應(yīng)同時存在，兩邊電子互相“對峙”，不再流動，推測正逆反應(yīng)的速率相等。

可逆反應(yīng)不論從正反應(yīng)開始，還是從逆反應(yīng)開始，一段時間后反應(yīng)就達(dá)到最大限度，即達(dá)到該條件下的平衡狀態(tài)。此時，體系中各離子濃度不再變化，正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率。

設(shè)計(jì)意圖：人教版必修第二冊剛學(xué)過原電池，在教師的引導(dǎo)下，師生合作將可逆反應(yīng)設(shè)計(jì)成兩個方向的原電池。原電池的設(shè)計(jì)突破了學(xué)生無法直接觀察到溶液中離子濃度的變化，通過示數(shù)的變化推理出溶液中濃度的改變。教師通過不斷追問和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，推動學(xué)生挖掘出化學(xué)平衡的關(guān)鍵要素：反應(yīng)物和生成物的濃度不再變化，正逆反應(yīng)速率相等。

環(huán)節(jié)四：深化認(rèn)知，構(gòu)建模型

教師：剛剛我們研究的是平衡狀態(tài)，現(xiàn)在從起始狀態(tài)開始來研究。對于化學(xué)反應(yīng)速率，一般來說，反應(yīng)物濃度越大，速率越快。以時間為橫坐標(biāo)，速率為縱坐標(biāo)，對正反應(yīng)和逆反應(yīng)進(jìn)行畫圖。

師生合作：在起始狀態(tài)，反應(yīng)物c(Ag+)、c(Fe2+)是最大值，正反應(yīng)速率最快；逆反應(yīng)離子濃度為0，速率為0。隨著反應(yīng)進(jìn)行，Ag+與Fe2+離子濃度逐漸減小，速率逐漸減慢；生成物溶液濃度逐漸增加，速率也隨之提高。隨著時間推進(jìn)，正反應(yīng)速率與逆反應(yīng)速率相等時，各離子濃度就保持不變了。我們將這個過程用圖形的方式表達(dá)出來（如圖2）。

圖2 正逆反應(yīng)速率隨時間變化的示意圖

教師：當(dāng)體系中各離子濃度不再變化，并不是指溶液中各離子濃度相等，只是達(dá)到了反應(yīng)的最大限度。比如本實(shí)驗(yàn)中，兩個原電池經(jīng)過一定時間后，電流表示數(shù)為“零”，說明反應(yīng)達(dá)到平衡。

提供信息：現(xiàn)在我們從定量角度進(jìn)一步來研究可逆反應(yīng)的體系中離子濃度的變化，反應(yīng)前c(Fe2+)=c(Ag+)=0.100 mol/L，c(Fe3+)=0，隨著反應(yīng)進(jìn)行，正反應(yīng)離子濃度逐漸減小，速率減??；反應(yīng)達(dá)到最大限度時，測得c(Fe2+)=c(Ag+)=0.045 mol/L；c(Fe3+)=0.055 mol/L。

師生合作：我們進(jìn)行畫圖，初步感受一下這個過程中溶液離子濃度的改變（如圖3）。

圖3 溶液中各離子達(dá)到平衡時的改變情況

設(shè)計(jì)意圖：師生合作，從濃度與速率的正相關(guān)的層面粗略地表示反應(yīng)達(dá)到最大化學(xué)限度時，正、逆反應(yīng)的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，由定性到定量，引導(dǎo)學(xué)生從定量化的角度，對溶液中各離子濃度的改變進(jìn)行圖形表征，進(jìn)一步深化對化學(xué)平衡認(rèn)知模型的理解。

環(huán)節(jié)五：探究條件，深化模型

教師：在一定條件下，化學(xué)反應(yīng)的限度是個定值。那么，是不是反應(yīng)限度不能改變呢？我們來嘗試通過外界條件的改變，如改變溫度、改變反應(yīng)物或生成物濃度來探究是否對化學(xué)限度有影響。

視頻實(shí)驗(yàn)1：對已達(dá)到化學(xué)反應(yīng)限度的裝置加熱，發(fā)現(xiàn)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

視頻實(shí)驗(yàn)2：在已達(dá)到化學(xué)反應(yīng)限度的裝置滴加濃銀離子溶液，指針也發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

教師總結(jié)：對已達(dá)到平衡體系的化學(xué)反應(yīng)，可以從反應(yīng)物或生成物的濃度角度、體系溫度的角度，甚至從氣體壓強(qiáng)的角度來探究化學(xué)反應(yīng)的限度變化規(guī)律。如果我們能掌握其中的變化規(guī)律，就可以用改變條件來改變反應(yīng)的限度，為生產(chǎn)生活服務(wù)。如工業(yè)合成氨，我們的目標(biāo)是“又快又多”，現(xiàn)從化學(xué)反應(yīng)速率和限度來考慮（見表1）。

表1

同學(xué)們，正是科學(xué)家對化學(xué)限度的不懈追求，使得糧食產(chǎn)量不斷提高，饑餓離我們越來越遠(yuǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：化學(xué)反應(yīng)限度的改變不是本節(jié)課的重點(diǎn)，但需要讓學(xué)生了解反應(yīng)限度也不是一成不變的，而且改變是非常有意義的。

三、教學(xué)反思

本節(jié)課內(nèi)容充實(shí)，節(jié)奏緊湊，從課堂氣氛和課后練習(xí)來看，絕大多數(shù)學(xué)生能夠接納化學(xué)反應(yīng)的限度宏觀表現(xiàn)和微觀特征，能夠自主地判斷出反應(yīng)是否達(dá)到限度，歸納出化學(xué)平衡的特征。教師在課堂上利用模型建構(gòu)這條隱線，以合成氨為問題導(dǎo)向，借助原電池實(shí)驗(yàn)操作，分析和解構(gòu)化學(xué)反應(yīng)的限度的特點(diǎn)。教師借助原電池模型對化學(xué)反應(yīng)限度的認(rèn)知進(jìn)行模型建構(gòu)，有利于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得相關(guān)證據(jù)，接受新知識。

結(jié) 語

學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中所獲得的具體知識是非常容易遺忘的，但蘊(yùn)藏其中的學(xué)科思想和方法會根植于學(xué)生的頭腦，形成從化學(xué)視角認(rèn)識事物和處理問題的思維習(xí)慣，這就是化學(xué)觀念的形成。教師在進(jìn)行建構(gòu)時，要不失時機(jī)地提出問題，鼓勵學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，提升學(xué)生核心素養(yǎng)，并在與學(xué)生一起探索的過程中不斷提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科理解力，讓學(xué)生可以用化學(xué)的眼光觀察世界，用化學(xué)的視角去解決以后生活和工作中遇到的問題。