基于學習進階的“化學平衡”教學實踐

鄭國雄 張賢金

摘要：基于學習進階理論的視角，探討化學核心概念的教與學是當前研究的一個新視角?；瘜W平衡是中學化學中的核心概念，對“化學平衡”的學習進階分析，深入地了解學生的學習困難和障礙點，整體規(guī)劃學習路徑并設置了合適的“階”即“腳踏點”，通過認知路徑顯性化、增強概念本原性理解、認知思路結(jié)構(gòu)化等，引導學生達到中間成就水平，掃除進階中的障礙點，實現(xiàn)“從知識、到思維、到觀念、到素養(yǎng)”的進階。

關(guān)鍵詞：高中化學；學習進階；化學平衡

文章編號：1008-0546（2021）10-0068-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.016

*本文系福建省教育科學“十三五”規(guī)劃2020年度教改專項立項課題“基于學習進階的高中化學主題教學設計與實踐研究”（課題編號：Fjjgzx20-039）階段性成果。

化學核心概念如何教與學是化學教育研究領域的一個重要話題?；趯W習進階理論的視角，探討化學核心概念的教與學是當前研究的一個新視角。學習進階理論關(guān)注學生的思維發(fā)展的連續(xù)性與階段性，提出學習的不同階段的認識對象和認識視角[1]。圍繞核心概念教學，教師首先任務是拆解概念，規(guī)劃學習的中間水平，也是學生學習的階段起點與落腳點[2-3]，即“階”，對進階維度——學生所需掌握的核心概念進行刻畫和具體描述，再評估學生思維發(fā)展過程中的關(guān)聯(lián)性、層次性及認知障礙，關(guān)注潛在特質(zhì)變化及進步表現(xiàn)，反饋學生是否達到預期水平并給予相應支持幫助，將任務和證據(jù)與之匹配，激勵學生在更大程度的自主學習中收獲成就感，更進一步持續(xù)學習，以達成能力、素養(yǎng)目標。本文以“化學平衡”概念的教學為例，探討基于學習進階的化學核心概念教學實踐路徑。

一、“化學平衡”的學習進階分析

“平衡”概念抽象、復雜，是學生學習的難點。筆者圍繞《化學反應原理》中的“化學平衡”概念，進行教學設計研究。以學習進階理論為指引，以核心素養(yǎng)為進階目標，通過學案導學、遞進式的問題設計和情境激疑深究等教學方法，引導學生進行體驗式、研究式學習，擴展學生認知對象和視角，完善認知結(jié)構(gòu)，提升學生學科認知水平。

根據(jù)課程標準[4]中對“化學平衡”的學業(yè)要求、核心素養(yǎng)的五個方面之一—“變化觀念和平衡思想”描述，可以劃分出5個進階預期水平，見表1。

概念的理解存在“經(jīng)驗、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合”五個發(fā)展水平[5]。同樣，化學平衡觀念的形成，也要先借助于一些感性認識，從實驗或生活經(jīng)驗中認識化學平衡及其影響因素，再用定量思維解釋化學平衡，進而與化學反應速率等其他概念進行辨析，形成結(jié)構(gòu)化的認知體系，最終上升為哲學思維。

二、基于學習進階的“化學平衡”教學探索

為讓學生通過學習，在知識、思維、觀念和素養(yǎng)等四個層面有逐步提升，最終達到預期水平，從以下4個方面對“化學平衡”教學進行探索。

1.由粗淺到本原，促進概念理解的進階發(fā)展

針對學生學習概念時，常因受到迷思概念的干擾或者混淆一些相似概念進入誤區(qū)，缺乏本原化理解概念的內(nèi)涵；對概念的理解陷入表淺或孤立，缺少整體、統(tǒng)攝思維，沒有形成概念網(wǎng)絡和知識體系，即“只見樹木不見森林”；理解不深刻導致思路不夠清晰或不會應用，認識視角窄，思維單一或者僵化；囿于下位、應用的思考，沒有形成正確的學科觀念，無法遷移拓展于其他領域，更談不上感悟到學科本質(zhì)和價值。針對以上這些現(xiàn)象，設計學習路徑要明確學習的明線與暗線。明線是指知識概念的邏輯序列、教學情景和活動，對“反應的可逆性→平衡的建立→特點→標志→平衡常數(shù)→轉(zhuǎn)化率→計算→影響平衡的因素→平衡移動的方向→平衡圖像解析→應用”概念邏輯順序匹配相應的情景、問題、活動、反饋評價。暗線是能力素養(yǎng)的進階，如表1描述，學習中不能只認識幾個概念，還應聯(lián)系到其他學科領域中平衡觀點，建立“平衡觀”，進行一定深度的哲學思考，能用對立統(tǒng)一、聯(lián)系發(fā)展和動態(tài)平衡的觀點考察化學反應，并用于解釋生產(chǎn)生活中一些化學現(xiàn)象，或探究設計新反應。

平衡的建立、特點、移動是平衡的分支概念，其中化學平衡常數(shù)是重要概念。因為正逆反應的勢相當，導致表面的“靜止”，這是平衡狀態(tài)的本質(zhì)與表象關(guān)系。平衡時各個狀態(tài)函數(shù)固定不變，其平衡體系中成分濃度或氣體分壓的冪之積之商為一常數(shù)，“勢相當”也是平衡常數(shù)的根源。概念的學習不能只停留在文本的理解和要點剖析上，還要明確其化學意義和應用。所以要進行深層次思考，追根溯源、探尋本質(zhì)，理解概念的本原，即內(nèi)涵、本質(zhì)、規(guī)律。如平衡常數(shù)為什么只與溫度有關(guān)，因為溫度改變了吉布斯自由能變，改變了反應的限度，K是生成物與反應物之間的化學勢差的體現(xiàn)，只與反應本身及溫度有關(guān)，而與初始的濃度壓強無關(guān)。濃度壓強是改變了Q，讓Q重新適應K。就如密度是用質(zhì)量與體積計算，但密度是物體本身屬性，而與質(zhì)量或體積大小無關(guān)。因此，教師必須重視知識的本原性理解，避免讓學生記背知識，也可以最大程度減少迷思概念對學習的負面影響。

2.由零散到系統(tǒng)，促進思維模型的進階發(fā)展

與化學平衡相似或關(guān)聯(lián)的概念較多，經(jīng)常有學生誤認為反應快的限度大，混淆了反應速率與平衡限度。催化劑對平衡的影響，部分學生誤認為催化劑會使平衡發(fā)生移動，因為他認為催化劑改變反應的速率，所以平衡必然移動。許多學生混淆了壓強、濃度對平衡移動影響。以下的圖式思維能將與化學平衡相關(guān)的概念進行整合，建構(gòu)完整的概念網(wǎng)絡和整體的系統(tǒng)思維，見圖1。

平衡是勢相當，而非量相等或濃度相等，所以當反應物與生成物濃度相等或比等于化學計量數(shù)比時，不代表一定是平衡狀態(tài)?；瘜W反應速率是對反應快慢的描述，與反應歷程有密切關(guān)系，而化學平衡是一種狀態(tài)，與過程沒有必然聯(lián)系，所以不同的起點可以建立成“等效平衡”。正、逆反應相等時，意味著反應物不再減少，生成物不再增加，但表面的“波平浪靜”實則內(nèi)部的“暗流涌動”，所以“等勢”是本質(zhì)，“濃度、百分含量不變”是表象。因為是動態(tài)平衡，所以它可以對外界施加的影響作出一定的“響應”，減弱外界改變的影響。勒夏特列原理能快速定性地判斷平衡移動方向，但它也有局限性，只能改變一個條件，只適用于封閉均相體系。但它也體現(xiàn)一個動態(tài)平衡體系的自穩(wěn)定機理，可以聯(lián)系物理學的“楞次定律—感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化”，形成跨學科概念和科學觀念，并對化學平衡進行哲學思考。壓強、濃度的影響有聯(lián)系也有區(qū)別，壓強對平衡影響首先要轉(zhuǎn)化為濃度改變的影響，濃度改變會改變速率。對氣體分子數(shù)不變的平衡體系則平衡不移動。壓強改變一般默認為氣體總體積的變化，而濃度改變一般是指只改變一種物質(zhì)的濃度。溫度對k、K的影響可以分別得出溫度如何影響速率與平衡，一般的反應活化能是大于0，所以依據(jù)阿侖尼烏斯公式（k= A·e-Ea/RT）可得，溫度升高，反應速率提高。對于吸熱反應，因為正反應活化能>逆反應活化能，所以正反應速率受溫度影響更大，當升高相同溫度，正反應速率提高的倍數(shù)>逆反應速率，正反應更有優(yōu)勢，即K增大。合成氨是放熱反應，所以溫度升高，K減小。使用催化劑，降低了正、逆反應活化能，同時增大k正和k逆，增大倍數(shù)相等，因為對于基元可逆反應而言，K=k正/k逆，所以K不變，平衡不移動。ΔGΘ不僅體現(xiàn)反應的方向，也是反應趨勢限度的表現(xiàn)，所以ΔGΘ越負，K越大。借助這樣圖式，能夠形成清晰的思維導圖，學生在解決化學平衡問題時，自然而然地應用了一個思維模型：確立可逆反應，寫出平衡表達式，依據(jù)K與Q關(guān)系判斷平衡移動的方向，分析得出平衡移動的結(jié)果。

3.由解題到研究，促進學科觀念的進階發(fā)展

學生只了解化學平衡概念的要素、內(nèi)涵是不夠的，要提升到定量、綜合、圖像、模型理解水平，并能熟練綜合應用于解釋生產(chǎn)科研中的化學問題，這需要在進階學習中從繁雜的化學知識體系中提取學科思維方式與方法，形成正確的學科觀念。

以2019全國理綜Ⅰ卷-28題（節(jié)選）為例，談在進階障礙點實現(xiàn)教學突破。該道題源于科研文獻，是一個真實情景的學術(shù)問題，信息量大，需要學生提取、加工、整合其中的有效信息，并調(diào)動各個方面的化學原理知識，進行綜合分析判斷。研究結(jié)果計算得出，CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）ΔH=-69kJ·mol-1；K= 1.32（721℃下）。Shoichi研究了467℃、489℃時水煤氣變換中CO和H2分壓隨時間變化關(guān)系（如圖2所示），催化劑為氧化鐵，實驗初始時體系中的pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等。467℃時pH2和pCO隨時間變化關(guān)系的曲線分別是、。489℃時pH2和pCO隨時間變化關(guān)系的曲線分別是、。【答案】bcad

引導學生進行研究性學習：難點是不能直接判斷四條曲線的組合（同一方向投料的反應中，因為該反應中四種物質(zhì)的化學計量數(shù)相等，均等于1，生成物壓強增大與反應物壓強減小的絕對值是相等的。根據(jù)30-90min時段，圖中曲線a減小0.28，曲線d增大0.28，是一個組合；曲線c減小0.34，曲線b增大0.34，是一個組合）。學生容易忽略投料是兩個不同的方向，很容易誤認為斜率絕對值大的一定是溫度高的，因為即使起始氣體總壓強相等，但因為正反應方向是放熱的，所以正反應的活化能是小于逆反應的活化能。可能出現(xiàn)情況是：雖然溫度更高，其反應速率更小，原因是活化能大的反應速率小，事實也是如此。根據(jù)正反應方向是放熱，所以溫度越低，其平衡常數(shù)越大，所以K（467℃）>K（489℃）>K（721℃）>1，意味著a、b表示的是H2的分壓，c、d表示的是CO的分壓，而且b、c表示的是467℃；a、d表示的是489℃；因為平衡時b/c>a/d。

該道題綜合運用了速率與平衡原理，需要學生在復雜、不良結(jié)構(gòu)的問題情境中有效獲取信息，加工整合，與原理進行綜合運用，解決問題。這也是學習進階要求：從知道到理解、到應用、到綜合。應讓學生基于情境獲得知識、應用知識，從而在豐富其認知結(jié)構(gòu)的同時，有效培養(yǎng)學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新意識。

4.由機械到靈活，促進問題解決能力的進階發(fā)展

平常教學中，經(jīng)常是教師展示了“三段式”計算的模式，只強調(diào)格式的重要性，卻忽略了這個模式背后深層的原因，沒有說明是基于什么原理，這樣學生學了“套路”，沒有追根溯源。以下以一道高考題為例，分析如何加深學生對化學學科本質(zhì)的理解。例：2018全國理綜Ⅰ卷-28題（節(jié)選）-F. Daniels等曾利用測壓法在剛性反應器中研究了25℃時N2O（5g）分解反應：

在分析這道題時，先要充分預估學生的解題困難點，為引導學生深入思考作鋪墊，也是破解題目的關(guān)鍵。引導學生發(fā)散思維，一題多解，拓展視角，并加深了對平衡計算的認識。具體見表3。

運用3種解法，為學生打開平衡計算的視野，能讓學生深思“三段式”計算模型的本質(zhì)和意義，“平衡”的建立體現(xiàn)過程與結(jié)果的關(guān)系，須符合反應中質(zhì)量守恒定律。這樣讓學生體會到概念的理解應該是從事實到方法、到方法論、到學科本質(zhì)。幫助學生從記憶型思維向理解型思維轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)深度學習，發(fā)展高階思維，體會到化學學科的定量思維方式對生產(chǎn)科研的重要意義。

三、結(jié)束語

“化學平衡”是核心概念，讓學生從概念理解進階到形成平衡觀念，理解化學學科本質(zhì)，推崇化學價值。教學中需要經(jīng)歷多個中間水平，所以教學設計應該有總目標、總規(guī)劃，充分考慮學生的不同基礎和認知水平，多路徑開發(fā)學習進階過程，適時反饋階段達成度，調(diào)整階段目標。通過教學實踐，筆者認為本設計研究對其他概念教學實踐同樣有借鑒意義的經(jīng)驗有：一是，概念的文本描述學生多讀幾遍或許能短暫記下，但要深刻理解概念的內(nèi)涵本質(zhì)規(guī)律，則需要放在概念群中辨析整合，融入原有的知識體系，這就需要教學重點放在深化概念的本原性與結(jié)構(gòu)化理解。二是，因為充分考慮學生個體差異性，深入地了解學生的學習困難和障礙點，不僅有知識缺漏，還有思維漏洞，為學習路徑進行整體規(guī)劃、設置中間的“腳踏點”提供依據(jù)，這樣才能讓學生在學習進階中順暢過關(guān)，按期達標。因為中間的“腳踏點”有具體的指標、路徑方法、幫助和資源補給方法，讓學習更多自主地進行，學生在完成階段目標后也有成就感和進一步學習的動力。三是，學習進階契合素養(yǎng)的形成層級性，在“學習進階”教學中，師生都要明確知識僅僅是載體，更重要的是擴展自己的認識對象與視角，發(fā)展關(guān)鍵能力和學科核心素養(yǎng)。

參考文獻

[1]姜顯光.高中化學反應限度學習進階研究[D].長春：東北師范大學，2019

[2]王桂桃，嚴文法.基于SOLO分類理論的化學核心概念學習進階研究——以“化學平衡”為例[J].化學教與學，2017（5）：2-5

[3]鄒國華，童文昭.“離子反應”學習進階及其教學分析[J].化學教育，2018，39（17）：22-25

[4]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5，33

[5]郭玉英，姚建欣.基于核心素養(yǎng)學習進階的科學教學設計[J].課程·教材·教法，2016，36（11）：64-70

[6]北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學無機化學教研室.無機化學（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003：620