提升思維素養(yǎng)的化學(xué)課研究
——以U形圖相關(guān)的復(fù)習(xí)課為例

文/廣州市執(zhí)信中學(xué) 龔 磊

一、問題提出

圖像題以化學(xué)知識(shí)為內(nèi)容載體，以圖形為形式載體，可較好地考查學(xué)生接受、吸收、整合化學(xué)信息的能力，備受命題者青睞。平衡圖像是指將化學(xué)平衡相關(guān)原理應(yīng)用于一定條件下的可逆反應(yīng)，借助變量間的制約以二維圖的形式來反映產(chǎn)率、產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率與各種因素的關(guān)系。平衡圖像具有直觀、簡潔、明了的特點(diǎn)，是化學(xué)反應(yīng)速率和平衡部分的重要題型，可以全面考查各種條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響，其中的U形圖以拐點(diǎn)為分界，兩邊呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，更加注重對(duì)綜合應(yīng)用能力、分析判斷能力等思維素養(yǎng)的考查。高三一輪復(fù)習(xí)后，學(xué)生已具備一定的圖像分析能力，但面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的影響因素時(shí)，學(xué)生仍不能靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題，尤其在多因素影響反應(yīng)速率與反應(yīng)平衡的情境中更是束手無策。為此，本文通過化學(xué)平衡圖像專題復(fù)習(xí)課進(jìn)行試探性的研究。

二、思路設(shè)計(jì)

我嘗試發(fā)揮典型例題的作用，通過分析不同類型的平衡圖像題的思維模型，通過圖像幫助學(xué)生化抽象為直觀，化復(fù)雜為簡單，從而使學(xué)生能從圖像中理解概念，從圖像中獲取信息并尋找解決問題的突破口，形成自己的思維模型。教學(xué)中設(shè)計(jì)五個(gè)環(huán)節(jié)，通過分析高考圖像題的命題特點(diǎn)、剖析不同因素對(duì)平衡影響的分析思路、提煉該題型的思維模型與反饋練習(xí)，層層遞進(jìn)設(shè)疑，依次拓展圖像的表征形式，深度剖析反應(yīng)過程與原理，發(fā)展學(xué)生的思維素養(yǎng)。本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)為：1.本節(jié)課以U形圖為專題，復(fù)習(xí)不同因素對(duì)化學(xué)速率和平衡的影響，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從單因素與多因素影響速率與平衡的角度分析圖像問題；2.突出圖像的工具性，提高學(xué)生接受、吸收、整合化學(xué)信息的能力；3.促進(jìn)學(xué)生豐富認(rèn)識(shí)模型并提高認(rèn)知水平，從而提高學(xué)生的解題能力與思維素養(yǎng)。

三、教學(xué)過程

（一）分析高考題型特點(diǎn)

通過分析近年的高考試題，發(fā)現(xiàn)題目的情境素材往往為相關(guān)物理量（如轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、體積分?jǐn)?shù)、濃度）隨時(shí)間或溫度的變化曲線。問題角度聚焦在速率與平衡兩個(gè)維度。本專題就從這個(gè)圖像出發(fā)，來剖析不同因素作用于平衡圖像時(shí)的思維模型。

（二）剖析單因素的影響作用

［第一題］NH3還原氮氧化物技術(shù)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：4NH3（g）+6NO（g）?5N2（g）+6H2O（g），ΔH=-1811.63 kJ/mol；反應(yīng)在恒容容器中進(jìn)行，在其他條件相同時(shí)，選用不同的催化劑，反應(yīng)產(chǎn)生N2的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化如圖1所示。

圖1

1.在催化劑A的作用下經(jīng)過相同時(shí)間，脫氮率隨反應(yīng)溫度的變化情況如圖2所示，據(jù)圖可知，在相同的時(shí)間內(nèi)，300℃之前之后，脫氮率變化趨勢相反（催化劑未失效），其可能的原因是？

2.請(qǐng)?jiān)趫D2中補(bǔ)充在催化劑B作用下脫氮率隨溫度變化的曲線。

圖2

設(shè)計(jì)意圖：外界因素改變，速率和平衡都可能發(fā)生改變，學(xué)生往往容易將速率和平衡混為一談，不能辯證分析速率理論和平衡理論的本質(zhì)區(qū)別，不能從實(shí)際出發(fā)將速率或平衡問題獨(dú)立分析判斷，造成解決問題困難。例如，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或者產(chǎn)率隨溫度發(fā)生變化的圖像，用速率理論還是平衡理論去分析，學(xué)生常常犯難。

本環(huán)節(jié)通過第一題引導(dǎo)學(xué)生思考、辨別、領(lǐng)悟，形成思考的思維模型：速率理論適用于反應(yīng)的整個(gè)過程，而平衡理論只適用于達(dá)到平衡的可逆反應(yīng)。引導(dǎo)學(xué)生建立反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或者產(chǎn)率隨溫度發(fā)生變化的圖像的分析思路：達(dá)到平衡以前，應(yīng)用速率理論，溫度越高，速率越快，產(chǎn)率或轉(zhuǎn)化率越高；達(dá)到平衡以后，應(yīng)用平衡理論，溫度升高，平衡向吸熱方向移動(dòng)。

（三）分析多因素的影響作用

［第二題］以丙烯、氨、氧氣為原料，在催化劑存在下生成丙烯腈（C3H3N）和副產(chǎn)物丙烯醛（C3H4O）的熱化學(xué)方程式如下：①C3H6（g）+NH3（g）++3H2O（g） ΔH=-515 kJ·mol-1②C3H（6g）+O（2g）+H2O（g） ΔH=-353 kJ·mol-1

圖3為丙烯腈產(chǎn)率與反應(yīng)溫度的關(guān)系曲線，最高產(chǎn)率對(duì)應(yīng)的溫度為460℃。高于460℃時(shí)，丙烯腈產(chǎn)率降低的可能原因是什么？

圖3

學(xué)生丙：從平衡的角度：放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡向逆向移動(dòng)，所以產(chǎn)率降低；從速率的角度：副反應(yīng)增多。

教師提問：催化劑、副反應(yīng)也屬于從速率的角度解釋原因，因?yàn)槠胶獾臅r(shí)候不管有沒有催化劑與副反應(yīng)，反應(yīng)程度都是不變的；那為什么要從這兩個(gè)角度思考呢？從哪些信息看出來？如果把產(chǎn)率換成平衡產(chǎn)率，又怎么作答？

學(xué)生們紛紛陷入沉思，分析后得出：平衡產(chǎn)率只能從平衡理論的角度去作答

教師：本題改編自全國卷，近幾年的高考題，縱坐標(biāo)一般是產(chǎn)率，而非平衡產(chǎn)率，產(chǎn)率和平衡產(chǎn)率是有差別的，這就要求同學(xué)們特別注意，需不需要從速率和平衡兩個(gè)角度來考慮問題。

設(shè)計(jì)意圖：在速率平衡圖像中，如果涉及幾個(gè)因素，學(xué)生不僅需要具備有關(guān)速率和平衡理論的基礎(chǔ)知識(shí)，還需要全面分析問題，透過紛繁的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)，才能獲得問題的正確答案。經(jīng)歷以上的分析，同學(xué)們對(duì)溫度既影響速率又影響平衡有了較全面的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)催化劑不影響平衡，但影響速率從而影響達(dá)到平衡的時(shí)間也有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。

（四）總結(jié)平衡圖像題的思維模型

學(xué)生在教師在引導(dǎo)下總結(jié)思維模型：1.從反應(yīng)原理的角度：確定自變量（溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑等），針對(duì)不同情況，確定用速率或平衡理論分析；2.答題方向：速率的角度：催化劑、副反應(yīng)、溫度、濃度等；平衡的角度：僅溫度與濃度（壓強(qiáng)本質(zhì)上是影響濃度）。

四、教學(xué)反思

（一）創(chuàng)立情境，提升素養(yǎng)。本節(jié)課筆者以U形圖為例，分別從單因素與多因素影響速率與平衡的角度分析了不同類型的平衡圖像題的解題方法，取得了較好的反響，通過這次實(shí)踐筆者了解到教師在引導(dǎo)學(xué)生思考和解決問題時(shí)不僅要善于求同，而且要善于求異，更要善于獨(dú)立思考，同時(shí)同學(xué)們通過這節(jié)課也進(jìn)一步提升了思維素養(yǎng)。

（二）精設(shè)問題，激發(fā)興趣。本節(jié)課以問題為驅(qū)動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生思考欲望，課后筆者還留下了一個(gè)疑問讓學(xué)生課后思考，讓同學(xué)們根據(jù)具體情況的需要和變化，及時(shí)提出符合實(shí)際解決問題的方法，有利于提高學(xué)生解決復(fù)雜的、陌生情境的問題的能力。

（三）總結(jié)模型，錘煉知識(shí)。本節(jié)課及時(shí)總結(jié)了解決此類問題的思維模型，豐富了學(xué)生的認(rèn)識(shí)模型，不過思維素養(yǎng)提升不是一蹴而就事情，這需要教師多次和反復(fù)實(shí)踐，讓同學(xué)們不斷積累知識(shí)，運(yùn)用模型，不斷提高。