指向化學學科核心素養發展的單元整體教學設計

蔡敬華

［摘 要］文章基于學生化學學科核心素養的發展需要，根據人教版選擇性必修教材對“化學平衡”的內容選擇、編排順序和呈現方式，從學生的學習實際出發，結合學生的認識發展特點，從工業合成氨中化學平衡狀態的特征、化學平衡常數及其應用、化學平衡的影響因素三個內容展開教學設計，實施指向核心素養發展的“化學平衡”單元整體教學，并歸結教學反思。通過本單元內容的教學，使學生的變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任等學科核心素養得到進一步發展。

［關鍵詞］ 化學學科核心素養；單元整體教學；化學平衡；教學設計

［中圖分類號］??? G633.8??????? ［文獻標識碼］??? A??????? ［文章編號］??? 1674-6058（2024）14-0070-07

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出：學生化學學科核心素養的發展是一個持續進步的過程，因此，教師應依據化學學科核心素養的內涵及其發展水平、高中化學課程目標、高中化學課程內容及學業質量要求（包括學業要求和學業質量水平），結合學生已有經驗，對學段、模塊或主題、單元和課時教學目標進行整體規劃和設計［1］。做好單元教學設計，不僅能使教師更好地解讀教材，按照學習進階設計學習內容，把握教學內容的深度和廣度，而且能使學生在學習的過程中對知識有系統的理解和認識，學會尋找知識點間的關系，建立系統的知識體系。

單元整體教學設計是在充分的學情分析的基礎上，對單元教學內容進行的整體設計，它需對單元教學內容的地位和作用、各知識點之間的結構、體現的思想方法、完成學習任務需要的從屬知識技能、與本單元相關的知識和思想方法等進行綜合分析［2］。

“化學平衡”是選擇性必修模塊基本概念、基本理論學習的中間環節，承擔著回顧、總結、深化前面所學知識和提升學生認識化學研究及應用價值的雙重任務；為培養學生分析、處理實驗數據以及從數據中獲得信息、總結規律的能力奠定基礎。同時，化學反應的限度是認識化學反應的一個必不可少的維度，化學平衡還與后續的電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡等學習內容有著密切的聯系，在選擇性必修模塊學習中起著承上啟下的作用。2020年修訂的新課標對該主題的學業要求是：①能書寫平衡常數表達式，能進行平衡常數、轉化率的簡單計算，能利用平衡常數和濃度商的關系判斷化學反應是否達到平衡及平衡移動的方向。②能運用濃度、壓強、溫度對化學平衡的影響規律，推測平衡移動方向及濃度、轉化率等相關物理量的變化，能討論化學反應條件的選擇和優化［3］。

一、指向核心素養發展的單元整體教學分析

（一）單元知識內容分析

人教版教材將本單元內容分為三個部分：首先，延續必修中的可逆反應的定性內容，以工業合成氨這個可逆反應為背景，通過對比正反應和逆反應最終到某個時刻各物質的濃度不再改變，引出化學平衡狀態的客觀存在及定義。接著，提供一組數據，引導學生經歷化學平衡常數模型建構的過程，展示在確定溫度的可逆反應中，按照不同比例投料發生反應，達到平衡時濃度商是相等的，引出化學平衡常數的概念。然后，進一步介紹化學平衡常數的意義，列出三段式進行平衡轉化率、平衡濃度等物理量的計算。最后，通過分組實驗探究，演繹推理出濃度、溫度、壓強對化學平衡狀態的影響，突出通過實驗探究學習知識的方法，展示勒夏特列原理的模型建構過程。本單元內容框架如圖1所示。

（二）學情分析

在必修模塊學生建立了如下認識：①了解了可逆反應的含義。②認識到化學反應存在限度，知道了可逆反應達到限度時即為化學平衡狀態，反應的限度決定了反應物在該條件下的最大轉化率。③認識到化學平衡狀態受外界條件影響，體會了從限度和快慢兩個方面去認識和調控化學反應的重要性。必修階段并未討論外界條件對化學平衡的影響，學生僅能定性分析達到平衡狀態時化學反應的特征，對化學平衡狀態的判斷還不夠清晰，存在一定的學習困難。此外，對選擇性必修模塊化學反應速率知識的學習，也為本單元的學習奠定了基礎，其探究問題的思路和方法可以遷移至對本單元知識的學習中。

（三）單元教學目標分析

1.以工業合成氨為例，通過對可逆反應中有關物質的濃度隨時間變化示意圖及正、逆反應速率隨時間變化示意圖的分析，說明在可逆反應中，當正反應速率和逆反應速率相等，反應物和生成物的濃度均保持不變的狀態就是化學平衡狀態，由此完成化學平衡狀態的建立，幫助學生建構變化觀和平衡觀，增強學生對化學學科的認同，提升學生的科學態度與社會責任感。

2.化學平衡常數是本單元教學的重點，也是下一章學習電離平衡常數、溶度積常數的基礎，因此要充分重視化學平衡常數的建構過程。教學中要結合數據分析，建構化學平衡常數的概念，定量認識化學平衡狀態。通過設計教學環節，提供數據引導學生體驗科學家發現化學平衡常數表達式的過程，引導學生關注化學平衡常數與溫度的關系，歸納出利用平衡常數[K]分析問題的基本思路，如平衡時轉化率的計算，利用平衡常數[K]和濃度商[Q]的關系判斷化學反應是否達到平衡及平衡移動的方向等，培養學生的對比分析和數據處理能力、證據推理意識和模型認知能力。

3.反應條件對化學平衡的影響是本單元教學的難點，教學中要注意從獲取證據和應用數據分析兩個方面進行講解。通過實驗探究，理解溫度、濃度、壓強等對化學平衡狀態的影響，進一步建構“化學變化是有條件的”這一學科觀念，培養學生的科學探究與創新意識。利用[K]和[Q]的關系，對具體的平衡體系進行分析后，再次引導學生進行總結歸納，提煉出依據[K]和[Q]的關系判斷平衡移動方向的思維模型，進一步培養學生的證據推理意識和模型認知能力。理解勒夏特列原理，能依據原理分析平衡移動的方向，體會理論對實踐的指導作用。

二、單元整體教學設計思路

單元整體教學設計是基于學生的知識、技能和認知發展特點，對教材單元知識的主要內容，從整體上進行統領和整合。由于對“化學平衡”內容的學習是由淺入深、由表及里的過程，故將本單元教學設計為3個課時，分別圍繞化學平衡狀態的概念與特征、化學平衡常數及其應用、化學平衡的影響因素三個內容展開教學設計（如圖2），逐步揭開化學反應限度的真實面紗。

三、單元整體教學實踐

（一）化學平衡狀態的概念與特征（課時1）

【環節1】創設工業合成氨的情境：氨氣在國民經濟中占有重要地位。隨著人類社會的發展和人口的不斷增長，對糧食和化肥的需求不斷增長，進而對氨的需求量與日俱增。如何提高工業合成氨的效率呢？只要盡量提高化學反應速率，生產效率就一定高嗎？提供N2與H2反應前后各物質的量數據資料（見表1）。

表1 N2與H2反應前后各物質的量

[各物質的起始量/mol?? 充分反應后各物質的量/mol N2?? H2?? NH3?????? N2?? H2?? NH3?????? 5???? 15??? 0???? 3???? 9???? 4???? ]

引導學生閱讀與思考，進而得出結論：合成氨反應的原料無法轉化完全，只考慮加快反應速率是不夠的，還需考慮如何盡可能多地將原料轉化為產品，這就涉及化學反應限度及化學平衡問題。

設計意圖：創設化學平衡狀態的真實情境，引入概念；增強學生對化學學科的認同，提升學生的科學態度與社會責任感。

【環節2】提出疑問：任何可逆反應在一定條件下都存在反應限度，達到反應限度時反應就停止了嗎？在一定條件下，往容積不變的密閉容器中充入N2和H2使其發生反應，反應中各物質的濃度隨時間如何變化？正、逆反應速率隨時間如何變化？引導學生分別繪制出相應的濃度-時間圖和速率-時間圖（如圖3）。

當充入的是NH3時，反應中相應的濃度-時間圖和速率-時間圖如圖4所示。

分析合成氨的可逆反應，該反應中包含正、逆兩個反應，兩個反應同時發生。當正、逆反應速率相等時，達到看似不變的表面靜止狀態，但實際上反應并未停止，一直在進行中，這時的狀態，我們稱之為化學平衡狀態。達到化學平衡時，反應達到該條件下物質轉化的最大限度，即反應物的轉化率達到最大值。[轉化率a=反應物的減少量反應物的起始量×100%]。根據N2與H2反應前后各物質的量數據資料，讓學生練習計算平衡時H2的轉化率。

設計意圖：通過對可逆反應中有關物質的濃度隨時間變化圖像及正、逆反應速率隨時間變化圖像的分析，完成化學平衡狀態的建立，使學生形成變化觀和平衡觀。

【環節3】師生共同梳理與提煉化學平衡狀態的特點：①v（正）= v（逆）≠ 0，即任何一種物質的生成速率等于其消耗速率；②各組分的質量或濃度保持不變；③動態平衡，即當達到平衡時正、逆反應仍在進行；④聯系影響化學反應速率的因素（如濃度、壓強、溫度等），推斷改變這些因素就有可能改變化學平衡。

設計意圖：使學生理解和掌握化學平衡狀態的特征。

【環節4】化學平衡狀態的本質特征是正反應速率和逆反應速率相等，這是判斷化學平衡狀態的根本標志。由于v（正）=v（逆），平衡體系中各組分的質量分數保持不變，所以一般情況下平衡體系的壓強、氣體密度、濃度等多種宏觀特征也保持不變，這些宏觀特征有時也可作為判斷化學平衡狀態的標志。練習如何判斷一個可逆反應是否達到了化學平衡狀態：一定溫度下，在容積不變的密閉容器中進行合成氨反應，以下哪些選項可以判斷為反應已達到化學平衡狀態？A.單位時間內消耗a mol N2，同時生成2a mol NH3； B.H2消耗速率等于N2生成速率的3倍； C.容器內的壓強不再變化； D.混合氣體的總質量不再變化；E.混合氣體的密度不再變化；F.混合氣體的平均相對分子質量不再變化。引導學生構建化學平衡狀態判斷的方法模型：①“等”：正、逆反應速率相等——同種物質v正（A）=v逆（A）、不同種物質v正（A）∶v逆（B）=a∶b（化學計量數之比）；②“定”：變量不變，關鍵是判斷某參數是不是變量。

設計意圖：通過加強練習，使學生掌握化學平衡狀態的本質特征和定性分析達到化學平衡狀態的判斷方法。

（二）化學平衡常數及其應用（課時2）

有了第1課時的定性分析，如何讓學生從定量的角度認識化學平衡狀態呢？為此，引入了化學平衡常數的內容。

【環節1】提出問題引發思考：化學平衡的改變有規律可循嗎？不同的化學平衡狀態，反應物和生成物的濃度之間有什么關系呢？接著，依次以表格形式（見表2至表4）提供在容積不變的密閉容器中，CO（g）+ H2O（g）?CO2（g）+ H2（g），H2（g）+ I2（g）?2HI（g），N2（g）+ 3H2（g）?2NH3（g）三個反應的多組起始濃度、平衡濃度數據，探究這些反應達到平衡狀態時，反應物和生成物的濃度之間的關系。

學生通過計算得出CO（g）+ H2O（g）?CO2（g）+ H2（g）反應中[c（CO2）·c（H2）c（CO）·c（H2O）]是定值。H2（g）+ I2（g）?2HI（g）反應中[c（HI）c（H2）·c（I2）]不是定值；帶入了計量數后，[2c（HI）c（H2）·c（I2）]也不是定值；改變書寫形式得[c（HI）·c（HI）c（H2）·c（I2）]，即[c2（HI）c（H2）·c（I2）]，是定值。以此類推計算N2 + 3H2 ?2NH3達到平衡時[c2（NH3）c（N2）·c3（H2）]的數值，體驗科學家發現規律的過程，得出化學平衡常數[K]的表達式。

設計意圖：通過對多個平衡體系，多組不同起始濃度、平衡濃度數據的計算，提煉體系反應物與生成物濃度之間的關系，體驗科學家發現規律的過程，培養學生的對比分析和數據處理能力。

【環節2】寫出可逆反應N2（g）+ 3H2（g）?2NH3 （g），2NH3（g）?N2（g）+ 3H2（g），[12]N2（g）+ [32]H2（g）?NH3 （g）的平衡常數[K1]、[K2]、[K3]的表達式，并分析它們之間的關系；再寫出可逆反應Fe3O4（s） + 4H2（g）?3Fe（s） + 4 H2O（g）的平衡常數的表達式，提煉書寫平衡常數表達式的注意事項。

以表格形式（見表5）給出在不同溫度下H2（g）+ I2（g）?2HI（g）的起始濃度、平衡常數數據，經分析與思考后得出平衡常數不受濃度的影響，受溫度影響。接著提出疑問：體系壓強改變會影響平衡常數嗎？由前面分析可知，壓強改變可能會影響體系中的濃度，而濃度的改變不影響平衡常數，因此，壓強不影響平衡常數。

以表格形式（見表6）給出在相同溫度下生成不同鹵化氫反應的平衡常數，經分析與思考得出平衡常數的大小與反應中物質的性質有關，[K]越大，說明平衡體系中生成物所占的比例越大，正反應進行的程度越大，即反應進行得越完全，平衡時反應物的轉化率越大。提醒學生注意：化學平衡常數的大小反映的是反應進行程度的大小，并不涉及反應時間和反應速率。例如，合成氨的反應常溫下[K=5×108]，但化學反應速率卻很小。

設計意圖：通過練習，使學生掌握書寫平衡常數表達式的注意事項；通過數據分析，使學生理解平衡常數與體系濃度、壓強、反應物的性質、溫度等的關系，明確影響化學平衡常數的因素。

【環節3】給出如下情境素材：工業上用一氧化碳與水蒸氣反應制取H2的主要反應為CO（g）+ H2O（g）?CO2（g）+ H2（g） ΔH < 0 。830 ℃時，0.2 mol/L的CO和0.3 mol/L的H2O發生上述反應，達到平衡時[K=1.0]。圍繞這個情境，讓學生思考以下問題：①在830 ℃達到平衡時，H2和CO2的濃度分別是多少？CO的轉化率是多少？ ②其他條件不變，改變水蒸氣的濃度為3.00 mol/L，達到平衡時CO的轉化率是多少？③在830 ℃達到平衡時，其他條件不變，向體系中充入一定量的CO，平衡狀態是否發生變化？如果變化，平衡向哪個方向移動？此時[K]是否發生變化？④為提高該反應的產率，可以采取哪些措施？如果采用改變溫度的方法，[K]是否發生變化？如何變化？引導學生列出三段式計算平衡時反應物的轉化率和各物質的濃度，并歸納出利用[K]分析問題的基本思路：判斷反應是否達到平衡或平衡移動的方向，可通過比較該時刻濃度商[Q]與平衡常數[K]的大小來判斷。在同一溫度下，[Q=K]，處于平衡狀態；[QK]，向逆反應方向進行。

設計意圖：引入工業制氫的真實情境，通過練習運用三段式方法，計算平衡時反應物的轉化率，使學生初步掌握定量判斷反應是否達到平衡及平衡移動方向的方法，培養學生的證據推理意識和模型認知能力。

（三）化學平衡的影響因素（課時3）

反應N2（g）+ 3H2（g）?2NH3 （g）看起來十分簡單，合成氨的工業化生產卻經歷了漫長的發展過程，如今即使是在500 ℃和300 MPa條件下合成氨，平衡時混合物中氨的體積分數也只有26.4%，轉化率仍不夠大。如何使化學平衡向人們需要的、有利的方向移動？影響化學平衡移動的因素有哪些？

【環節1】回顧上節課的內容：化學平衡1（[Q=K]）→改變反應條件 →不平衡（[Q≠K]）→一段時間后達到化學平衡2。由原有的平衡狀態達到新的平衡狀態的過程，叫作化學平衡的移動。提問：改變哪些反應條件可使[Q≠K]，從而改變平衡狀態呢？濃度商只與濃度有關，改變濃度，使[Q]發生改變；平衡常數只與溫度有關，改變溫度，使[K]發生改變。引導學生書寫可逆反應mA（g） + nB（g）?pC（g） + qD（g）任意時刻濃度商的表達式[Q=cp（C）·cq（D）cm（A）·cn（B）]。

設計意圖：鞏固理解化學平衡移動的概念，熟悉影響化學平衡移動的因素，培養學生的演繹推理能力。

【環節2】（1）探究濃度對化學平衡的影響

從任意時刻濃度商的表達式可以得出：若其他條件不變，在平衡體系中增大反應物的濃度，[Q]值變小，[QK]，反應向逆反應方向進行才能重新達到平衡狀態。請基于反應體系 Fe3+（黃色）+3SCN-（無色）?Fe（SCN）3（紅色）設計實驗加以驗證。該反應可通過顏色變化得知平衡移動的方向。提醒學生設計實驗時需注意：當反應體系中包含多個變量時，要采用控制變量的方法，即只選擇一個變量，控制其他變量不變，這樣才能得到準確的結果。如研究濃度對化學平衡的影響時，要控制體系的溫度、體積等保持不變。如何能保持溶液總體積基本不變，同時又能增加反應物的濃度呢？學生思考后回答：可滴加飽和的FeCl3溶液或高濃度的KSCN溶液。如何減小反應物的濃度呢？學生思考后回答：加入鐵粉或滴加濃NaOH溶液，降低Fe3+濃度。最后，讓學生設計實驗方案，預測實驗現象并進行操作，加以驗證。

采用分組實驗的方式（見表7），引導學生對實驗現象進行觀察和分析，得出結論。

對于K2Cr2O7的溶液中存在的平衡體系Cr2O[2-7]（橙色）+ H2O?2 CrO[2-4]（黃色）+ 2 H+，采取同樣的方法（見表8），探究當其他條件不變時，增大或減小生成物的濃度，平衡移動的方向。

（2）探究壓強對化學平衡的影響

在用注射器收集的平衡體系 2NO2（g，紅棕色）?N2O4（g，無色 ）中，通過壓縮或拉伸針筒會造成氣體體積的改變。體積改變時，體系中各物質的濃度會發生怎樣的變化？濃度商會如何變化？化學平衡會如何移動？師生共同分析和計算的過程如表9所示。

通過計算，[Q2=K/2]，即[Q2K]，平衡向逆反應方向移動，預測實驗現象為混合氣體的顏色先變淺后變深。

開展分組實驗，引導學生對實驗現象進行觀察和分析。由于混合氣體顏色變化快、時間短，不便于觀察，教師采用數字化實驗方式加以改進，借助壓強傳感器采集實驗數據并轉化成圖像直觀呈現壓強對平衡體系的影響，便于學生理解。操作如下：將針筒中的氣體由50 mL瞬間壓縮到25 mL，體系壓強瞬間增大，隨之減小，說明增大壓強，平衡向氣體體積減小的方向移動；平衡后再將針筒瞬間拉回到50 mL，體系壓強瞬間減小，隨之增大，說明減小壓強，平衡向氣體體積增大的方向移動，直至建立新平衡。

圖5

依據濃度商與平衡常數的大小關系推理可知，對于體系H2（g）+ I2（g）?2HI（g），由于反應前后氣體物質的總體積沒有變化（即反應前后氣體計量數之和不變），改變壓強不能使化學平衡發生移動。

固態或液態物質的體積受壓強影響很小，可以忽略不計，因此當平衡混合物中都是固態或液態物質時，改變壓強，化學平衡一般不發生移動。

（3）探究溫度對化學平衡的影響

在 2NO2（g，紅棕色）?N2O4（g，無色 ） ΔH=-56.9 kJ/mol體系中，正反應為放熱反應，逆反應為吸熱反應，用NO2和N2O4混合氣體平衡球設計實驗，預測實驗現象，得出溫度對化學平衡影響的結論（見表10）。

（4）探究催化劑對化學平衡的影響

催化劑可以同等程度地改變正、逆反應速率，因此對化學平衡移動沒有影響，但可以改變反應達到平衡所需要的時間。

設計意圖：先利用Q和K的關系進行分析，后通過設計實驗分別探究濃度、溫度、壓強、催化劑對化學平衡的影響，使學生在實驗中掌握控制變量法，培養學生的科學探究與創新意識。

【環節3】利用任意時刻濃度商的表達式以及Q與K的大小比較，師生共同整理歸納影響化學平衡移動的因素和規律（見表11）。

如果改變影響平衡的一個因素（如溫度、壓強及參加反應的物質的濃度），平衡向減弱這種改變的方向移動，這就是勒夏特列原理，也稱化學平衡移動原理。通過以上實驗探究不難發現，原理中只能“減弱”這種改變而不能“消除”這種改變。

利用化學平衡移動原理，可以更加科學有效地調控和利用化學反應，盡可能地讓化學反應按照人們的需要進行。請思考：對于合成氨的反應N2（g）+ 3H2（g）?2NH3（g） ΔH=-92 kJ/mol，選擇哪些反應條件可以增大氨氣的含量？

設計意圖：通過歸納、總結得出影響化學平衡移動的因素和規律，理解勒夏特列原理，進一步培養學生的證據推理意識和模型認知能力，讓學生體會到理論對實踐的指導作用。

四、教學反思

1.核心素養是學生能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。作為課程的實施者，教師要從學科核心素養的培養出發，全面、整體地分析教材內容，基于學生學習進階、學科知識結構的特點，把教材中從屬于同一個學習主題的教學內容，依照知識的邏輯結構分層遞進，相互滲透，組成完整的結構單元。

2.化學是和生活密切相關的自然科學，課堂教學應將化學知識置于真實的情境中，將化學知識與生活實際緊密聯系起來，強調化學在生產、生活和社會可持續發展中的重要作用，培養學生學以致用的意識和能力，使學生養成關心社會和生活實際的積極態度，增強學生的社會責任感。

3.在教學過程中，教師要充分調動學生的視覺、聽覺和嗅覺等多種感官，使其積極參與課堂活動。通過設置結構性的學習任務和問題鏈，讓學生得到思考，學會推理、論證和建構模型，并能夠質疑創新，實現知識向素養的轉化［4］。

4.設計實驗方案可以培養學生的創新思維和科學探究能力，能夠多方面提升學生的核心素養。教師要引導學生選擇現象明顯的反應，設計方案時注意控制單一變量，做好對照實驗，以確保結果的可靠性。對于常規實驗解決不了的探究性問題，可借助現代化傳感器技術，利用電腦自動繪制的數據曲線，進行比較、歸納和總結，進而得到證據并得出結論。

［?? 參?? 考?? 文?? 獻?? ］

［1］［3］? 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社， 2020.

［2］? 劉煥亮.基于學科核心素養的單元整體教學設計：以“物質結構 元素周期律”為例［J］.中學化學教學參考，2019（19）：36-37.

［4］? 黃劍鋒，湯希雁.“素養為本”的化學教學設計 ［M］.南寧：廣西人民出版社，2022.

（責任編輯??? 羅??? 艷）