信息獲取與加工視角下的化學(xué)平衡“數(shù)—圖”模型認(rèn)知研究

［摘 要］信息獲取與加工能力是普通高中化學(xué)學(xué)業(yè)測評的重要維度。在化學(xué)平衡理論建構(gòu)及問題解決過程中，將化學(xué)微觀信息轉(zhuǎn)化為“數(shù)—圖”模型是不可或缺的一環(huán)。組織學(xué)生親歷基于實驗或模擬數(shù)據(jù)的化學(xué)平衡“數(shù)—圖”模型的建構(gòu)過程，并提煉特定情境中化學(xué)平衡“數(shù)—圖”信息的獲取與加工策略，可以有效促進學(xué)生對化學(xué)平衡本質(zhì)的理解和相關(guān)問題解決能力的提升。

［關(guān)鍵詞］信息獲取與加工；化學(xué)平衡；“數(shù)—圖”模型；模型認(rèn)知

［中圖分類號］" " G633.8" " " " " " " " ［文獻標(biāo)識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2025）05-0052-06

化學(xué)平衡是可逆反應(yīng)中客觀存在的微觀現(xiàn)象，通過數(shù)學(xué)建模和圖像繪制可以建構(gòu)可逆反應(yīng)的微觀過程模型。然而，在實際教學(xué)中，教師多采用傳統(tǒng)教學(xué)法講授勒夏特列原理來解決化學(xué)平衡問題，這導(dǎo)致學(xué)生缺少建構(gòu)化學(xué)平衡“數(shù)—圖”模型的實踐訓(xùn)練和能力培養(yǎng)。本文首先介紹化學(xué)平衡“數(shù)—圖”模型的建構(gòu)歷程，并在此基礎(chǔ)上分類和提煉化學(xué)平衡“數(shù)—圖”模型信息的獲取及加工策略，為減輕師生教學(xué)負(fù)荷提供有益參考。

一、化學(xué)平衡“數(shù)—圖”模型的建構(gòu)歷程

（一）氣態(tài)體系——基于數(shù)據(jù)信息建構(gòu)基礎(chǔ)模型

1.化學(xué)平衡常數(shù)計量模型的建構(gòu)

在500 ℃下，使用催化劑在一個密閉容器中進行合成氨的實驗。通過改變初始濃度，測定達(dá)到平衡態(tài)時氫氣、氮氣和氨氣的濃度來進行數(shù)據(jù)分析與探索，建構(gòu)化學(xué)平衡常數(shù)的計量模型（如表1）。

表1的數(shù)據(jù)表明，同一溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)K是一個定值，因此，化學(xué)平衡常數(shù)是溫度函數(shù)，其大小不隨反應(yīng)物濃度的變化而改變。由此可推知化學(xué)平衡常數(shù)的基礎(chǔ)模型（Kc或Kp），即以化學(xué)計量數(shù)為指數(shù)的濃度商（Q）。

2.轉(zhuǎn)化率與化學(xué)平衡常數(shù)的關(guān)系

生產(chǎn)實踐的數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)反應(yīng)溫度固定在490～500 ℃時，空速、氫氮比與合成氨轉(zhuǎn)化率之間是一個三維曲面關(guān)系。當(dāng)空速為16000～16500 Nm3·h-1，氫氮比為2.9～3.1時，合成氨的轉(zhuǎn)化率為13.5%～15.5%，生產(chǎn)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)[1]。利用三段式計算方法，可大致計算出1 L密閉容器中，氫氮比為3∶1時的平衡濃度，并據(jù)此進一步揭示平衡常數(shù)的基本特性。相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2數(shù)據(jù)表明：①當(dāng)轉(zhuǎn)化率（[α]）為15.5%且不再增大時，化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡，此時Q=K≈0.007；②外界條件不變時，可逆反應(yīng)是有限度的，描述反應(yīng)限度的統(tǒng)計量為最大轉(zhuǎn)化率或平衡常數(shù)；③在一定溫度下的特定反應(yīng)，若平衡轉(zhuǎn)化率較高，其平衡常數(shù)值也相應(yīng)較大，但這并不意味著平衡常數(shù)與轉(zhuǎn)化率之間有明確的數(shù)學(xué)關(guān)系。因為轉(zhuǎn)化率還受到其他因素的影響，如壓強、升溫速率、雜質(zhì)、產(chǎn)物分離方法等。化學(xué)平衡常數(shù)的存在表明，在可逆反應(yīng)體系中反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率不可能達(dá)到100%。因此，只能用質(zhì)量守恒定律來計算消耗及生成部分的質(zhì)量或物質(zhì)的量。

綜合表1和表2的數(shù)據(jù)分析，可得出如圖1所示的認(rèn)知模型。

至此，學(xué)生初步通過數(shù)據(jù)探索建構(gòu)了較為直觀的化學(xué)平衡定量思維模型。若能進一步結(jié)合定性理論模型進行分析，學(xué)生的理解將更為深入透徹。

（二）溶液體系——建構(gòu)基于“分布系數(shù)-pH”曲線圖的拓展模型

基于化學(xué)平衡的基礎(chǔ)模型，師生可共同推導(dǎo)出多元弱酸中非水微粒的分布系數(shù)計算公式：

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，可做出如圖2所示的微粒分布曲線圖。同樣的方法，可做出如圖3所示的H2SO3溶液微粒分布曲線圖。

基于上述數(shù)據(jù)信息圖示可發(fā)現(xiàn)、預(yù)測及拓展以下應(yīng)用：

對圖5所示的滴定曲線進行觀察，可提出一系列值得探討的問題。例如，起點（0，2）代表什么含義？突躍線段的長度或陡峭程度與哪些因素有關(guān)？常見的酸堿指示劑能否指示磷酸滴定的終點？調(diào)控pH的方法還有哪些？滴定過程中的“起點”“中性點”“半點”“中和點”分別位于曲線的什么位置？等等。

為了更具體地說明這些問題，下面以標(biāo)準(zhǔn)堿液滴定一元弱酸為例，其起點、中性點、半點、中和點（終點）的化學(xué)微粒變化信息如表4～表7所示。

對曲線信息的獲取，需要一種基于好奇心和關(guān)聯(lián)思維的持續(xù)追問精神。這種追問精神作為學(xué)習(xí)的內(nèi)在驅(qū)動力，能夠有效地促進經(jīng)驗、知識、觀念、態(tài)度及能力等要素向?qū)W科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。

學(xué)生經(jīng)歷了上述數(shù)據(jù)處理、圖示表征、實驗驗證等活動之后，從根本上形成了化學(xué)平衡“數(shù)—圖”信息獲取及加工的基本素養(yǎng)。這為他們后續(xù)自主探究沉淀溶解平衡時，進行算法模型建構(gòu)、曲線表征、“數(shù)—圖”信息關(guān)聯(lián)理解、“圖—圖”信息關(guān)聯(lián)理解等提供了學(xué)習(xí)經(jīng)驗和奠定了學(xué)習(xí)能力基礎(chǔ)；也為他們解決學(xué)業(yè)水平測試情境中的信息獲取與加工、邏輯推理與運算、創(chuàng)新實踐及科學(xué)建構(gòu)等問題提供了堅實的經(jīng)驗、知識、觀念和能力支撐。在面對挑戰(zhàn)時，學(xué)生不再因基礎(chǔ)素養(yǎng)不牢固而出現(xiàn)“風(fēng)雨飄搖”“信念失靈”的狀況，從而更加自信地應(yīng)對各種學(xué)習(xí)情況。

二、特定情境中的化學(xué)平衡“數(shù)—圖”信息獲取與加工策略

問題解決情境中的信息可分為支持性信息、限定性信息、明示性信息、隱蔽性信息和默認(rèn)性信息等五種類型。通過合理調(diào)控這五種不同類型的信息，可有效測試或訓(xùn)練學(xué)生的信息素養(yǎng)。同時，利用信息分類與調(diào)控圖（如圖6），亦可分析任何一道學(xué)業(yè)水平測試題中的信息類別及信息量。

2.可遷移觀念的建構(gòu)

觀念1" " 純水電離和鹽類水解的本質(zhì)均是促進水的分解反應(yīng)，這兩個過程均為吸熱過程。

觀念2" " 多重變量協(xié)同作用引發(fā)的pH變化圖線通常為曲線形態(tài)。以純水升溫為例，c（H+）=[KW]，pH= - lg[KW]，pH變化圖線為曲線形態(tài)。

觀念3" " 反向變化趨勢，誰大顯誰性。例如，CH3COONa溶液升溫時，KW的增大效應(yīng)大于c（OH?）的增大效應(yīng)，導(dǎo)致溶液堿性增大的同時c（H+）也增大，從而使得pH隨著溫度的升高而減小。

觀念4" " 建構(gòu)自洽性良好的“數(shù)—圖”信息解釋模型，是解決同類問題的關(guān)鍵。這既需要具備必備的化學(xué)知識，又需要具備推理能力，兩者缺一不可。

上述觀念可以根據(jù)不同觀察者的理解和經(jīng)驗進行添加或整合。觀念抽提在解決類似問題或進行遠(yuǎn)遷移時具有較強的支持功能。

上述實例表明，觀念抽提的過程是問題解決成功之后的再學(xué)習(xí)過程。這個過程中，需要調(diào)用系統(tǒng)思維、抽象思維和價值判斷能力。系統(tǒng)思維指向?qū)φ麄€問題解決過程中信息獲取與加工方式的整體認(rèn)知；抽象思維指向超越事實本身的規(guī)律發(fā)現(xiàn)、策略提取或經(jīng)驗總結(jié)；價值判斷指向問題解決過程中最具遷移功能的思維節(jié)點或思維方式。對于教師而言，觀念抽提能力反映了其對教學(xué)內(nèi)容的深化與拓展水平。教師對教學(xué)內(nèi)容的深化與拓展水平，直接關(guān)乎其教學(xué)方法的應(yīng)用效果。對于學(xué)生而言，觀念抽提是一種指向能力提升的反思性學(xué)習(xí)過程。學(xué)業(yè)水平較高的學(xué)生，往往能夠在潛移默化中習(xí)得觀念性知識；而學(xué)業(yè)水平較弱的學(xué)生，則需要通過教師組織和引導(dǎo)下的觀念外顯化教學(xué)來習(xí)得可遷移觀念。

三、小結(jié)與探討

從信息獲取與加工能力培養(yǎng)的視角出發(fā)，建構(gòu)化學(xué)平衡“數(shù)—圖”模型認(rèn)知方式的教學(xué)具有重要的理論意義和實踐價值：一方面，通過親歷實驗或模擬數(shù)據(jù)建構(gòu)化學(xué)平衡基礎(chǔ)模型，為師生建立化學(xué)平衡知識的本源性理解及親和性學(xué)習(xí)情感奠定了基礎(chǔ)。另一方面，基于復(fù)雜問題解決的信息分類分析、信息缺損應(yīng)對策略、“五階雙環(huán)”問題解決一般模型、觀念抽提及其遷移應(yīng)用等教學(xué)方法，為提升學(xué)生解決化學(xué)平衡類問題的成功率和成就感提供了有力支持。

然而，本研究仍存在如下問題需要進一步探索：如何將數(shù)字化實驗研究的已有成果整合到基礎(chǔ)模型的建構(gòu)之中？如何進一步提升問題解決情境的真實性、科技前沿性和實踐創(chuàng)新性？如何對化學(xué)平衡“數(shù)—圖”模型中的信息加以系統(tǒng)分類，并探尋類別之間的進階關(guān)系和可遷移觀念？

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 葉赤球，楊伍軍，趙志剛.30萬t/a合成氨裝置等溫變換工藝技術(shù)總結(jié)[J].氮肥技術(shù)，2016，37（6）：22-25.

[2]" 李海春.分布系數(shù)在電解質(zhì)溶液中的應(yīng)用[J].教學(xué)考試，2020（41）：71-73.

（責(zé)任編輯" " 羅" " 艷）