基于HPS發展科學精神的教學實踐

摘要： 利用化學史承載的靜態核心知識和動態發展規律進行HPS教學，在經歷推導、計算、驗證的過程中掌握化學平衡常數的重要概念，逐步發展團隊合作，繼承創新等科學精神，深刻感受“反復實驗—經驗規律—理論證明”是科學研究的一條重要道路。

關鍵詞： 科學精神" 化學平衡常數" HPS

HPS教學是指融合化學史（History）、科學哲學（Philosophy）和科學社會學（Sociology of Science）于一體的教學模式，以期促進學生對科學本質的理解，進而發展科學精神和創造力。在化學原理性知識的教學過程中融入化學發展史，通過對歷史典型事例以及概念演變過程的挖掘和有效利用進行HPS教學，不僅能促進學生的化學思維發展，還能讓學生感受到科學是探尋真理的事業，賦予學生主動學習科學、參與科學議題的社會責任，進而發展求真務實、競爭協作、繼承創新、敬業獻身等科學精神。

一、主題內容與教學現狀分析

（一）主題內容分析

本課時選自人教版化學選擇性必修1（2019版）第二章第二節——“化學平衡”。化學平衡常數是該部分的核心重點內容，能夠幫助學生進一步理解化學反應的限度，形成系統分析平衡移動的思路和方法，建立平衡問題的分析模型，對發展學生“平衡思想”具有不可替代的作用。

（二）教學現狀分析

文獻中有關“化學平衡常數”的教學實踐研究主要集中于以下幾點：一是探討平衡常數概念的引入和建立，突出平衡常數的應用價值；二是從核心概念或學科理解的角度進行教學，注重平衡常數的層級概念，重點突出教學過程中化學學科思維的結構化發展；三是基于化學史和數據探究進行教學，其目的在于幫助學生深入理解平衡常數概念和學科價值。

現有的教學實踐研究多關注于平衡常數的知識結構，側重學生的概念理解。教學中若直接采用對教材所列表格中的數據進行計算來引入化學平衡常數的概念，往往會導致學生產生疑惑：當年的科學家真的是從這一堆看似雜亂無章的數據中得出化學平衡常數的嗎？那么，教學中怎樣才能讓學生認識清楚化學平衡常數的來龍去脈呢？因此本課時教學將同時突出化學平衡常數概念的建立和科學精神的外顯發展。

科學精神是追求規律的精神，化學平衡常數是科學家在大量實驗和數學分析的基礎上形成的質量作用定律的自然推論，因此充分利用化學史，引導學生從平衡常數建立的化學史實中探析科學發展的重要規律，是發展科學精神的有效教學途徑。本課時選取的化學史實、概念演變過程和對應的科學精神發展如下表1所示：

二、教學目標

（1）通過數學家古德貝格和化學家瓦格合作確立質量作用定律的史實，能夠對生成物濃度的冪之積與反應物濃度的冪之積的比值是一個常數進行猜想，初步感受科學發現離不開反復實驗與跨學科合作；

（2）通過復雜真實的實驗數據計算，證實化學平衡常數的存在，并能夠正確寫出化學平衡常數表達式，初步認識溫度、反應物濃度等因素與化學平衡常數的關系，進一步認識科學規律的發現需要腳踏實地，求真務實；

（3）通過勒夏特列經驗原理和范特霍夫方程的簡單應用認識溫度對化學平衡常數的影響，深刻感受經驗規律到理論證明是科學研究的一條重要道路。

三、教學流程

四、教學實錄

環節一：平衡常數概念的建立

[情境1]1864—1879年，挪威數學家古德貝格和化學家瓦格，做了約300個實驗，并經過深入的分析推理，合作確立了質量作用定律：“部分化學反應的速率與各反應物的濃度冪之積成正比。”這里的冪是指各反應物前的化學計量數。

[問題1]大家可以據此嘗試列出I2（g）+H2（g） 2HI（g）的質量作用定律表達式嗎？

[學生活動]v（H2）=k（H2）·c（H2）·c（I2）；v（I2）=k（H2）·c（H2）·c（I2）；v（HI）=k（HI）·c2（HI）

[歸納總結]v正=k正·c（H2）·c（I2），v逆=k逆·c2（HI）；以上兩個方程稱之為速率方程，其中k正、k逆被稱為速率常數，在一定溫度下保持不變。

[問題2]當反應達到平衡時，此時 k正 k逆 的值有何特點？

[學生活動]得出K= k正k逆（K為平衡常數）

[追問]我們設當該反應平衡時K也應該是一個常數。那么，我們由質量作用定律推導出的上述結論是否符合事實呢？

[學生活動]下列數據在730.6 K時測定，結合表格中所給的數據分析 c2（HI） c（H2）·c（I2） ，達到平衡時各物質的濃度的關系規律。

[歸納總結]結論1： c2（HI） c（H2）·c（I2） =常數（K）；

結論2：常數K和起始加入反應物的濃度無關。

[問題3]溫度不同時，此反應的K值還會相同嗎？（注：下表為698.6 K時的實驗數據）

[歸納總結]結論3：溫度改變，K值也發生改變。

[追問]在I2（g）+H2（g） 2HI（g）的反應中，我們得到了以上三條結論，請問以上結論是否只適用于某一特定反應，還是適用于所有的可逆反應？

[證據推理]請用以下表格數據（此處數據表略）來進行確認：2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g）的K= c2（SO3） c2（SO2）·c（O2） 是否滿足以上規律？

[學生活動]通過計算，得出：在一定溫度下，當一個可逆反應達到平衡時，生成物的濃度冪之積與反應物的濃度冪之積的比值是一個常數（用符號K表示）。

aA（g）+bB（g） cC（g）+dD（g），K= cc（C）cd（D） ca（A）·cb（B） 且K只受溫度的影響。

[歸納總結]化學平衡常數可以定量的衡量化學反應進行的程度，K值越大，表示反應進行的限度越大。一般認為：Kgt;105時，該反應進行得基本完全；Klt;10-5時，則認為該反應很難進行。

注意事項1：需要注明溫度。

注意事項2：固體、純液體和稀溶液中的H2O的濃度為定值，不出現在表達式中；

注意事項3：平衡常數的表達式與方程式的計量數有關。

[情境2]1864年法國化學家德維爾通過實驗證明：一定溫度下固體物質分解時，其“分解壓力”（即氣體壓強）是一個定值，與固體質量無關。

[問題4]請以碳酸鈣分解為例，解釋德維爾的觀點。

[學生活動]CaCO3（s） CaO（s）+CO2（g），此反應的K=c（CO2），溫度不變，平衡常數不變，CO2的濃度就不變。而一定溫度時，氣體的濃度與壓強成正比，所以“分解壓力”是一個定值。

環節二：探究溫度如何影響平衡常數

[情境3]1884年法國化學家勒夏特列提出了著名的平衡移動原理，這是根據上千次實驗總結出的經驗規律。請你根據該原理判斷：下列反應在升溫之后，平衡常數K將如何變化？從中能得出什么結論？

[學生活動]以2SO2（g）+O2（g） 2SO3（g） ΔH=-197 kJ/mol為例交流討論，該反應K= c2（SO3） c2（SO2）·c（O2） ，正反應為放熱反應，升溫時平衡將逆向移動，從而使K的分子減小、分母增大，K值將減小。

[得出結論]放熱反應，隨溫度升高平衡常數減小；吸熱反應，隨溫度升高平衡常數增大。

[情境4]荷蘭化學家范特霍夫于1901年成為第一位獲得諾貝爾化學獎的科學家，他在1889年提出了著名的范特霍夫方程，lnK=- ΔH RT +C，其中R和C為常數。你能否據此來驗證K隨溫度變化的規律。

[學生活動]根據范特霍夫方程，對于放熱反應，ΔHlt;0，T升高，K減小；T降低，K增大。

[歸納總結]

通過回顧與平衡有關的化學史，可以得出：由經驗規律到理論證明是一條重要的科研途徑。

五、教學反思

以化學史為線索，是進行HPS教學的有效方式之一，但是也不能隨意地碎片化選擇毫不相干的化學史。這就意味著化學史的背后不僅承載著圍繞核心概念的靜態知識，更要蘊含動態發展的科學精神，如本課時選取的勒夏特列原理與范特霍夫方程蘊含了科學探究的重要途徑。

對于復雜陌生的化學原理要進行簡化加工。如范特霍夫方程并不適合高中階段的化學學習，但僅從溫度和平衡常數的相對關系角度進行探討則符合該學段學生的認知特點，同時也有利于發展學生在陌生復雜情境下分析解決問題的能力。

要讓學生在復雜真實的推導和計算中外顯科學精神。如質量作用定律的推導和平衡常數的計算過程需都需要耐心地等待學生親自體驗，進而在困難和質疑中逐步建立平衡常數的概念。

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責任編輯：黃大燦