盧文靜 周海歐
摘要:以“探究溫度、壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動的影響”為例,通過設(shè)置問題情境,設(shè)置實驗探究、結(jié)合手持技術(shù)實驗和理論證據(jù),從定性和定量以及實驗和理論角度,培養(yǎng)收集證據(jù)、分析證據(jù)、證據(jù)推理、建立模型、完善模型、運(yùn)用模型的能力,發(fā)展“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)核心素養(yǎng)。
關(guān)鍵詞:證據(jù)推理與模型認(rèn)知;深度學(xué)習(xí);平衡移動
文章編號:1008-0546(2023)12-0033-005 中圖分類號:G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.007
一、教學(xué)背景分析
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》提出要發(fā)展化學(xué)核心素養(yǎng),即“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)精神與社會責(zé)任”5個維度”。[1]“證據(jù)推理與模型認(rèn)知的內(nèi)涵”是指能夠收集化學(xué)事實、信息等證據(jù)并提出假設(shè),通過正確的化學(xué)思維過程進(jìn)行推理和分析,得出結(jié)論,并構(gòu)建證據(jù)與結(jié)論之間完整的邏輯關(guān)系,從而形成一般的認(rèn)知思維與方法,建立認(rèn)知模型,并且能夠運(yùn)用模型的一般思維方法去解決化學(xué)問題。[2]“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一核心素養(yǎng)需要建立在科學(xué)探究的基礎(chǔ)上,是一種區(qū)別于“死記硬背”的表層學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)方法,有助于學(xué)生認(rèn)識知識是如何構(gòu)建的,對知識形成深刻的理解,并且對知識進(jìn)行遷移與應(yīng)用,以及形成強(qiáng)烈的知識學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力與學(xué)習(xí)情感,發(fā)展高階的化學(xué)思維與綜合應(yīng)用能力。
1976年,F(xiàn)erence Marton 和 Roger Saljo首次提出深度學(xué)習(xí)和淺層學(xué)習(xí)的概念,深度學(xué)習(xí)是相對于簡單記憶的淺層學(xué)習(xí)而提出來的,是內(nèi)在特征的理解和聯(lián)系。[3]近幾十年研究,大體上深度學(xué)習(xí)被認(rèn)為是一種學(xué)習(xí)的方式、過程和結(jié)果。[4]在高中化學(xué)學(xué)習(xí)中,深度學(xué)習(xí)是以提高學(xué)生認(rèn)知目標(biāo)為前提,培養(yǎng)學(xué)生批判性思維能力,注重學(xué)習(xí)過程中的積極情感投入及學(xué)習(xí)結(jié)果的核心素養(yǎng)和終身發(fā)展能力建構(gòu),是一個知識遷移的過程,是在理解基礎(chǔ)上聯(lián)結(jié)原有知識并通過遷移解決問題的學(xué)習(xí)行為。
目前我國普通高中化學(xué)教學(xué)中對于“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”素養(yǎng)的培養(yǎng)正在探索階段,尤其是對于“模型認(rèn)知”的理解與培養(yǎng)不夠重視,許多教師對證據(jù)推理以及模型認(rèn)知之間的內(nèi)在聯(lián)系理解不透,學(xué)生對化學(xué)知識的學(xué)習(xí)停留在淺層的記憶理解層面,所以需要構(gòu)建基于深度學(xué)習(xí)指向化學(xué)核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)活動設(shè)計。本文選擇2019年人教版普通高中化學(xué)選擇性必修一的“溫度、壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動的影響”為主題,進(jìn)行基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的深度學(xué)習(xí)活動設(shè)計。
二、教學(xué)內(nèi)容分析
溫度與壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動的影響為2019年人教版普通高中化學(xué)選擇性必修1第二章第二節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。新課標(biāo)要求“了解濃度商和化學(xué)平衡常數(shù)的相對大小與反應(yīng)方向間的聯(lián)系。通過實驗探究,了解濃度、壓強(qiáng)、溫度對化學(xué)平衡狀態(tài)的影響。認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要作用”。在進(jìn)行本節(jié)課學(xué)習(xí)之前,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了影響化學(xué)速率的因素以及濃度商和化學(xué)平衡常數(shù)的相對大小與反應(yīng)方向間的聯(lián)系,學(xué)生對平衡移動有了初步認(rèn)識,具備了一定的平衡思想,結(jié)合新課標(biāo)的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)水平要求,制定了以下
教學(xué)目標(biāo):
(1)通過手持技術(shù)實驗探究從定性角度歸納壓強(qiáng)和溫度對化學(xué)平衡的影響規(guī)律,從中體驗科學(xué)探究的艱辛和喜悅;培養(yǎng)變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與科學(xué)探究的化學(xué)核心素養(yǎng)。
(2)學(xué)會用濃度商和平衡常數(shù)大小比較判據(jù),定量判斷壓強(qiáng)和溫度影響平衡移動的方向。
(3)了解控制反應(yīng)條件在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的意義,落實科學(xué)精神與社會責(zé)任的化學(xué)核心素養(yǎng)。
三、教學(xué)設(shè)計思路
證據(jù)推理與模型認(rèn)知需要建立在情境問題以及科學(xué)探究收集證據(jù)的基礎(chǔ)上,證據(jù)推理需要從情境中發(fā)現(xiàn)問題,根據(jù)已有的知識、數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè),再收集證據(jù),根據(jù)已經(jīng)有的數(shù)據(jù)、現(xiàn)象等進(jìn)行證據(jù)的組合、證據(jù)表達(dá)、證據(jù)推理從而證實或者證偽假設(shè),獲得結(jié)論,模型認(rèn)知需要在證據(jù)推理的基礎(chǔ)上形成一般的認(rèn)知方法、規(guī)律模型,并且以證據(jù)不斷修繕模型,應(yīng)用模型去解決實際化學(xué)問題。[5]本文的設(shè)計思路(如圖1所示)是在科學(xué)探究中貫穿證據(jù)推理,在證據(jù)推理的基礎(chǔ)上構(gòu)建和應(yīng)用模型。
本文設(shè)置了兩個教學(xué)情境,以“當(dāng)打開汽水瓶蓋會涌出大量氣泡”為情境,提出問題:“為什么會涌出大量氣泡?”,收集證據(jù)“市場上銷售的汽水,大約是1體積水中溶有1~4.5體積二氧化碳,制備時在4℃和2-4個大氣壓下將 CO2注入原漿中。”形成假設(shè):壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動有影響,提出問題:“壓強(qiáng)怎樣影響化學(xué)平衡移動?”,通過手持技術(shù)實驗探究得出壓強(qiáng)對 NO2與 N2O4平衡體系的時間壓強(qiáng)圖像,從定性角度對圖像證據(jù)進(jìn)行合理推理,從定量角度濃度商與平衡常數(shù)相對大小推理分析,得出結(jié)論,聯(lián)系宏觀與微觀構(gòu)建壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動原理的模型。
通過設(shè)置情境“飲用冰鎮(zhèn)汽水會打嗝”,收集證據(jù)“人的體溫較室溫高”,從而提出假設(shè)“溫度對化學(xué)平衡移動有影響”。通過搭建腳手架設(shè)計溫度對NO2與 N2O4平衡體系的影響,收集定性的顏色變化證據(jù)以及理論證據(jù)——范特霍夫方程,得出結(jié)論,聯(lián)系宏觀與微觀構(gòu)建溫度對化學(xué)平衡移動原理的模型。
最后,結(jié)合溫度以及濃度對化學(xué)平衡移動的模型構(gòu)建勒夏特列原理模型,并運(yùn)用該模型分析解決工業(yè)制備硫酸的反應(yīng)條件調(diào)控問題。相關(guān)的教學(xué)分析思路如圖2所示。
四、教學(xué)過程
1.壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動的影響
【情境引入】教師現(xiàn)場展示打開一瓶可樂,觀察瓶內(nèi)現(xiàn)象。
【問題引導(dǎo)】瓶中怎么會有大量氣泡?
【展示】資料卡片:①市場上銷售的汽水,大約是1體積水中溶有1~4.5體積二氧化碳,制備時在4℃和2-4個大氣壓下將注CO2入原漿中。②瓶內(nèi)二氧化碳存在平衡:CO2(aq)?CO2(g)
【學(xué)生討論】根據(jù)打開汽水瓶蓋產(chǎn)生氣泡現(xiàn)象以及資料卡片證據(jù),推理打開瓶蓋,壓強(qiáng)變小,推測平衡:CO2(aq)?CO2(g)往正向移動,即體積增大方向移動。
【提出假設(shè)】壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動有影響,壓強(qiáng)減小朝著體積增大的方向移動。
設(shè)計意圖:創(chuàng)設(shè)生活化情境CO2的溶解平衡,提出問題,引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)資料證據(jù),提出假設(shè),激發(fā)學(xué)生興趣,體會化學(xué)與生活的緊密聯(lián)系。
【實驗探究】講解用壓強(qiáng)傳感器探究改變壓強(qiáng)對 NO2與 N2O4平衡體系的影響實驗(如圖3所示),請預(yù)測并畫出壓縮和拉伸注射器過程中注射器內(nèi)壓強(qiáng)隨時間變化曲線,并給予解釋。
【學(xué)生】預(yù)測并畫出壓縮和拉伸注射器過程中注射器內(nèi)壓強(qiáng)隨時間變化曲線。
【實驗演示】教師現(xiàn)場演示手持技術(shù)實驗,使用壓強(qiáng)傳感器探究改變壓強(qiáng)對 NO2與 N2O4平衡體系的影響。
【問題引導(dǎo)】①注射器中體系顏色深淺跟什么有關(guān)?②注射器中顏色變化是怎樣?能否觀察清楚?
【收集證據(jù)】證據(jù)1:壓強(qiáng)與時間的關(guān)系如圖4所示。
證據(jù)2:壓縮體積,體系顏色先變深后稍有變淺;增大體積后,體系顏色先變淺后稍有變深。
【問題引導(dǎo)】① A → B壓強(qiáng)迅速增大,C → D壓強(qiáng)迅速減小的原因是什么?②為什么B點后壓強(qiáng)略有減?。科胶庀蚰膫€方向移動?請說出你的判斷依據(jù)。③D點后壓強(qiáng)又略有增大,說明了什么?NO2平衡向哪個方向移動?
【證據(jù)推理】① A → B壓強(qiáng)迅速增大原因是壓縮注射器使得體積變小,C → D 壓強(qiáng)迅速減小是體積增大。②B點后壓強(qiáng)略有減小是因為平衡向體積變小的方向發(fā)生移動,也就是生成 N2O4的方向移動。③D 點壓強(qiáng)略有減少是因為平衡向體積變大的方向發(fā)生移動,生成更多的NO2。
【理論分析】顏色變化或者壓強(qiáng)變化都是從定性的角度判斷化學(xué)平衡移動的方向,從濃度商與平衡常數(shù)的角度定量分析,壓縮體積,Q 和K 之間的關(guān)系是怎樣?
【學(xué)生】小組討論推導(dǎo)壓縮體積后的濃度商 Q 與平衡常數(shù)K 的相對大小,進(jìn)而判斷平衡移動方向。
【得出結(jié)論】其他條件不變時,增大壓強(qiáng)(減小容器的容積)會使化學(xué)平衡向氣體體積縮小的方向移動;減小壓強(qiáng)(增大容器的容積),會使平衡向氣體體積增大的方向移動。
設(shè)計意圖:基于假設(shè),為學(xué)生搭建腳手架,設(shè)置實驗探究,收集證據(jù),由于教材實驗顏色變化不明顯,借助手持技術(shù)實驗將壓強(qiáng)變化數(shù)據(jù)化、直觀化,培養(yǎng)學(xué)生搜集證據(jù)的能力,并且通過曲線表征以及計算 Q 與 K 的相對大小,讓學(xué)生分析曲線中壓強(qiáng)變化背后的蘊(yùn)含的平衡移動知識,培養(yǎng)證據(jù)表達(dá)、證據(jù)推理的能力,讓學(xué)生從定性與定量的角度推理出當(dāng)增大壓強(qiáng)時,平衡朝著體積變小的方向移動,直觀形象地體會勒夏特列原理中“減弱”的含義,促進(jìn)深度學(xué)習(xí),為后面建立勒夏特列原理模型做基礎(chǔ),培養(yǎng)科學(xué)探究與證據(jù)推理能力。
2.溫度對化學(xué)平衡移動的影響
【過渡】飲用冰鎮(zhèn)汽水會打嗝,這是為什么?
【搜集證據(jù)】證據(jù)1:汽水存在平衡 CO2(aq)?CO2(g),ΔH>0。
證據(jù)2:查閱資料,體溫較室溫高。
【證據(jù)推理】汽水在體內(nèi)溫度較高,平衡朝著 CO2逸出方向移動,CO2逸出方向為吸熱方向。
【問題引導(dǎo)】升高溫度,化學(xué)平衡向吸熱方向移動。
【學(xué)生實驗】實驗探究1:將N2O4-NO2平衡球一端置于冰水中、另一端置于熱水中,一段時間后觀察顏色變化。
實驗探究2:將三支試管裝有CoCl2的飽和NaCl溶液分別置于冰水、常溫、熱水條件下中,觀察顏色變化。
【收集證據(jù)】
①2NO2(g)? N2O4(g)ΔH<0。
②N2O4-NO2平衡球一段置于冰水中顏色變淺、置于熱水中顏色變深。
③Co2+(aq)+4Cl-(aq)? CoCl4(2)-(aq)ΔH>0。[6]
④CoCl2的飽和 NaCl 溶液在熱水變藍(lán),冷水中粉紅色變淺。
【學(xué)生】根據(jù)以上實驗證據(jù),討論分析溫度與平衡移動方向的關(guān)系。
【理論分析】通過分析范特霍夫方程lnK=-· +C,推出吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)的K 隨著溫度的變化,并比較Q 與K值的大小判斷反應(yīng)方向。
【得出結(jié)論】其他條件不變,升高溫度,平衡向吸熱方向移動;降低溫度,平衡向放熱方向移動。
【教師】是否可以解釋我們提出的問題喝汽水打嗝的原因?
【學(xué)生】已知 CO2(g)?2CO2(aq)ΔH<0,溫度升高,平衡向左移動,CO2逸出,帶走熱量。
設(shè)計意圖:通過小組實驗探究,培養(yǎng)學(xué)生動手能力,收集證據(jù)能力、證據(jù)推理能力。通過范特霍夫方程,從理論角度分析溫度與平衡常數(shù)的法關(guān)系,從而推出溫度對化學(xué)平衡移動影響規(guī)律,增加知識構(gòu)建過程,有利于學(xué)生深度理解知識,促進(jìn)深度學(xué)習(xí),為后面建立勒夏特列原理模型打下基礎(chǔ)。
3.建立勒夏特列原理模型
【教師引導(dǎo)】根據(jù)溫度和壓強(qiáng)對化學(xué)平衡影響的規(guī)律,為什么升高溫度平衡會往吸熱方向移動?俗話說“天之道,損有余而補(bǔ)不足”“月滿則虧”,其實這里蘊(yùn)含著豐富的哲學(xué)思想與科學(xué)規(guī)律。在研究平衡體系中,體系溫度升高則視為“滿”,就需要往“虧”方向走,讓體系溫度稍有下降;體系溫度降低,則需要往放熱方向移動,放出更多熱量,使得體系溫度稍有上升。那為什么增大壓強(qiáng),平衡要往體積縮小方向移動?
【學(xué)生推理】體系壓強(qiáng)增大視為“滿”,則需要往體積縮小的方向移動,讓體系壓強(qiáng)稍有下降;體系壓強(qiáng)減小時,則需要往體積增大的方向移動,以增大體系壓強(qiáng)。
【建立模型】改變溫度和壓強(qiáng),平衡就會朝著減弱這種變化的方向移動,這就是勒夏特列原理:如果改變影響平衡的一個條件如濃度、壓強(qiáng)或溫度等,平衡向能夠減弱這種改變的方向移動。
學(xué)生小組合作進(jìn)行實驗,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、證據(jù)推理的能力。
設(shè)計意圖:基于溫度和壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動的結(jié)論,構(gòu)建勒夏特列原理模型,培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理、總結(jié)歸納能力,以及證據(jù)推理與模型構(gòu)建核心素養(yǎng)。
4.解決真實問題,完善認(rèn)知模型
【教師】化學(xué)來源于生活,并且可指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn),例如硫酸工業(yè)重要一步:2SO2(g)+O2(g)?2SO3(g)ΔH=-196 kJ ·mol-1,理論上應(yīng)該怎么控制溫度和壓強(qiáng)?而實際上采用溫度為400-500℃、常壓,這是為什么呢?
【文獻(xiàn)數(shù)據(jù)】表1展示的是工業(yè)制硫酸的溫度與壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。
【學(xué)生】該反應(yīng)是放熱反應(yīng),低溫有利于平衡正向移動;該反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng),高壓有利于平衡正向移動,所以應(yīng)為低溫、高壓。
【教師】影響工業(yè)生產(chǎn)的影響因素很多,不僅要考慮平衡移動,還要考慮其他因素如速率、能耗、成本、環(huán)保、效益等。
設(shè)計意圖:通過設(shè)計調(diào)控硫酸工業(yè)制法中的反應(yīng)條件調(diào)控真實情境問題,進(jìn)一步完善化學(xué)平衡的認(rèn)知模型,體會化學(xué)平衡調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的意義,運(yùn)用勒夏特列原理模型解決工業(yè)生產(chǎn)問題,落實科學(xué)精神與社會責(zé)任的化學(xué)核心素養(yǎng),加深了對化學(xué)學(xué)科價值的認(rèn)識。
五、教學(xué)反思
1.從定性和定量的角度收集證據(jù)有利于開展深度學(xué)習(xí)
教材中關(guān)于壓強(qiáng)對 NO2-N2O4化學(xué)平衡移動影響的實驗現(xiàn)象觀察不明顯,因而改用手持技術(shù)收集數(shù)據(jù)和曲線表征證據(jù),可以將抽象的原理數(shù)據(jù)化、具體化,減輕學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷,加深對化學(xué)概念的理解,而且可以認(rèn)識化學(xué)平衡移動的知識構(gòu)建過程,激發(fā)學(xué)生的求知欲,實驗更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),有助于學(xué)生開展深度學(xué)習(xí)。同時,本設(shè)計在收集定性證據(jù)的基礎(chǔ)上,引入理論分析證據(jù),分別從 Q 與K 的大小比較、范特霍夫方程分析K 與 T 的關(guān)系,加深學(xué)生對勒夏特列原理的理解,鍛煉了學(xué)生的思維,拓展學(xué)生的知識面。
2.基于真實情境的教學(xué)設(shè)計
新課標(biāo)中提出14處“情境素材建議”,還有48處是關(guān)于使用情境的描述,可見新課標(biāo)更加注重情境的設(shè)計與實施。[8]新教材的內(nèi)容選取呈現(xiàn)、試題命制、教學(xué)設(shè)計實施都非常注重情境,這也是未來研究的熱點。教學(xué)時要重視情境素材中蘊(yùn)含的教育功能,利用情境素材落實化學(xué)核心素養(yǎng),如本設(shè)計以汽水中二氧化碳的溶解平衡為例,結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中的三氧化硫反應(yīng)的條件調(diào)控,可以體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的學(xué)科價值與社會價值,發(fā)揮化學(xué)的育人功能。
參考文獻(xiàn)
[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版2020年修訂)[S].北京:人民教育出版社,2020.
[2]楊玉琴,倪娟.證據(jù)推理與模型認(rèn)知:內(nèi)涵解析及實踐策略[J].化學(xué)教育(中英文),2019,40(23):23-29.
[3] Marton F,Saljo R. On Qualitative Difference in Learning. I - Outcome and Process[J]. British Journal of Educational Psychology,1976,46(1):4-11.
[4]卜彩麗,馮曉曉,張寶輝.深度學(xué)習(xí)的概念,策略,效果及其啟示——美國深度學(xué)習(xí)項目(SDL)的解讀與分析[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2016,34(5):75-82.
[5]趙銘,趙華.“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的內(nèi)涵與教學(xué)研討[J].化學(xué)教學(xué),2020(2):29-33+60.
[6]畢維昭.二氯化鈷在水-乙醇溶液中的熱致變色作用[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1990(4):515-519.
[7]田文生.硫鐵礦生產(chǎn)發(fā)煙硫酸工藝技術(shù)的探討[J].化學(xué)工程與裝備,2014(4):62-64..
[8]劉毛毛,姜建文.魯科版高中化學(xué)必修新教材情境素材分析與教學(xué)建議[J].化學(xué)教育(中英文),2021,42(3):1-6.