化學(xué)平衡問題解決過程中的主要思維障礙及教學(xué)對策

1、化學(xué)平衡問題解決過程中的主要思維障礙及教學(xué)對策摘 要：本文對高中學(xué)生在化學(xué)平衡問題解決過程中出現(xiàn)的思維障礙進行歸納分析，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)代信息加工理論提出了突破這些思維障礙的五種教學(xué)策略。關(guān)鍵詞：化學(xué)平衡 問題解決 思維障礙 教學(xué)策略問題解決既不單純是目的或形式，也不單純是技能或能力，就概念本身而言，問題解決應(yīng)該是一個思維過程，是一個具有明確指向性的系列心理行為過程1。問題解決的過程，是問題解決者的思維不斷向問題的最終目標前進的過程，任何形式的思維障礙都會抑制、阻礙問題的解決。化學(xué)平衡問題解決中的思維障礙，是特指學(xué)生在進行化學(xué)平衡問題解決的過程中，妨礙學(xué)生的思維朝著問題的終極目標順利實現(xiàn)的

2、主觀因素，既包括阻礙學(xué)生正確認識表征問題、構(gòu)思設(shè)計問題正確解法的因素，又包括妨礙解題計劃正確實施以及對自己問題解決活動的有效監(jiān)控的思維因素2。通過對學(xué)生的作業(yè)、練習(xí)和試卷的分析及日常學(xué)習(xí)行為的觀察可以知道：學(xué)生分別在讀題審題階段、解答階段和總結(jié)反思階段存在思維障礙?，F(xiàn)代信息加工理論認為問題解決是一種以目標定向的搜尋問題空間的認知過程。其中原有知識經(jīng)驗和當(dāng)前問題的組成成分必須重新改組、轉(zhuǎn)換或聯(lián)合，才能達到既定目標?；瘜W(xué)平衡問題解決過程中學(xué)生出現(xiàn)的主要思維障礙有以下五類：（一）化學(xué)平衡微觀本質(zhì)理解上的思維障礙（二）化學(xué)平衡狀態(tài)定性描述判斷上的思維障礙（三）化學(xué)平衡狀態(tài)定量分析上的思維障礙（四）外界

3、條件影響化學(xué)平衡移動本質(zhì)的思維障礙（五）化學(xué)計量數(shù)意義理解上的思維障礙教師應(yīng)有針對性地幫助學(xué)生克服和盡量避免思維障礙，切實提高學(xué)生的思維能力。認知信息加工理論表明，教學(xué)應(yīng)安排適宜的外部條件，促進學(xué)習(xí)者內(nèi)部心理結(jié)構(gòu)的形成和改組，不同的學(xué)習(xí)任務(wù)對應(yīng)不同的內(nèi)外學(xué)習(xí)條件。因此，教師不可能依靠將已有知識簡單地提取出來去解決實際問題，只能根據(jù)具體情境，以原有的知識為基礎(chǔ)，建構(gòu)用于指導(dǎo)問題解決的圖式，而且，往往不是單一地以某一個概念原理為基礎(chǔ)，而是要通過多個概念原理以及大量的經(jīng)驗背景的共同作用而實現(xiàn)。一.注重促進學(xué)生對微觀本質(zhì)的理解化學(xué)平衡原理反映化學(xué)變化的微觀本質(zhì)，即使采用由宏觀到微觀、由現(xiàn)象到本質(zhì)的分析

4、方法，由于所得結(jié)論的抽象性，學(xué)生的理解仍然存在一定困難。為了促使學(xué)生深入理解微觀本質(zhì)，教學(xué)過程中可以采取以下措施：1.利用理論模型說明化學(xué)過程化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是舊鍵的斷裂和新鍵的形成，從微觀角度去認識化學(xué)反應(yīng)是通過反應(yīng)物分子（或離子）的相互碰撞來實現(xiàn)的，即反應(yīng)物分子（或離子）間的碰撞是反應(yīng)發(fā)生的先決條件。因此，若能形象地表示出微粒之間的相互作用，對于促進學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡原理大有裨益。例如，教材中在介紹碰撞理論時通過圖片呈現(xiàn)有效碰撞及無效碰撞（圖1.1），促使學(xué)生認識有效碰撞發(fā)生的條件。 無效碰撞 有效碰撞圖1.1 分子碰撞示意圖2.利用結(jié)構(gòu)模型表示化學(xué)反應(yīng)化學(xué)方程式可以表示反應(yīng)物及生

5、成物，而利用結(jié)構(gòu)模型不僅可以表示出反應(yīng)體系中的物質(zhì)，還有利于學(xué)生認識在反應(yīng)中微粒是如何變化的，更有利于學(xué)生認識化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)。例如，在介紹水的電離平衡時，我們用結(jié)構(gòu)圖表示出水分子、水合氫離子及氫氧根離子（圖1.2），促使學(xué)生認識水的電離過程中分子是如何變化的。圖1.2 水的電離示意圖3.利用多媒體模擬分析微觀過程在教學(xué)中，可以對微觀過程加以模擬，對教材中的一些靜態(tài)模擬賦予動態(tài)的特征，進一步加深學(xué)生的理解。例如教學(xué)中講到外界條件對化學(xué)平衡移動的影響時，可以采用動態(tài)微觀模擬濃度、溫度和壓強對化學(xué)平衡移動產(chǎn)生的影響。二.引導(dǎo)學(xué)生形成恰當(dāng)?shù)母行哉J識信息加工理論認為信息先進入瞬時記憶，只有物理信號才

6、能被選擇，即只有視覺和聽覺才能被選擇。勒夏特列原理表述為：“如果改變影響平衡的一個條件（如濃度、溫度、壓強等）平衡就向能夠減弱這種改變的方向移動”。其原理比較抽象，如果單純從文字上舉例分析，很多學(xué)生不能達到真正的理解，只會機械地背誦。因此，根據(jù)信息加工理論，要促進學(xué)生認識本質(zhì)，幫助學(xué)生獲取全面、準確的宏觀現(xiàn)象十分重要。1引導(dǎo)學(xué)生回憶宏觀現(xiàn)象對生活中十分常見的或在化學(xué)1、化學(xué)2中已經(jīng)出現(xiàn)的現(xiàn)象，可以通過教材“你知道嗎”欄目，以問題的形式引導(dǎo)學(xué)生回憶相關(guān)現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上進行分析并得出相應(yīng)的結(jié)論。2設(shè)置實驗，引導(dǎo)學(xué)生通過活動獲取宏觀現(xiàn)象通過實驗引導(dǎo)學(xué)生形成豐富的感性認識，為形成理性認識打下良好的基礎(chǔ)

7、。在教材中設(shè)有大量的“活動與探究”欄目，可以通過探究的方式得出相應(yīng)的結(jié)論?！坝^察與思考”欄目是有一些難度的實驗，我們可以引導(dǎo)學(xué)生觀察老師進行的實驗，進而分析得出結(jié)論。3以資料的形式提供宏觀現(xiàn)象雖然通過實驗是獲取宏觀現(xiàn)象最直接、最有效的方式。但由于條件所限，不可能每個宏觀現(xiàn)象都由實驗獲得。在此情況下，充分利用科研工作者所進行的實驗，通過提供相關(guān)的現(xiàn)象與數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生進行分析得出相應(yīng)結(jié)論。例如，關(guān)于壓強對化學(xué)平衡移動的影響時，教材以圖片的形式（圖2.1）提供德國化學(xué)家哈伯的實驗數(shù)據(jù)，再引導(dǎo)學(xué)生在分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上總結(jié)出相應(yīng)的結(jié)論。采用這種方式，雖然學(xué)生無法進行實驗，卻真實感受了科學(xué)家進行實驗的過程，同

8、樣有利于學(xué)生進行進一步的分析。圖2.1 哈伯合成氨實驗數(shù)據(jù)的直觀表示三.引導(dǎo)學(xué)生有效地運用精加工策略信息經(jīng)過編碼貯存在長時記憶中。信息的回憶，在很大程度上取決于信息貯存的形式，以及該信息與長時記憶中以往內(nèi)容的聯(lián)系。從艾賓浩斯開始，人們對記憶的研究充滿了希望。根據(jù)記憶保持的時間來分，將記憶分成三個結(jié)構(gòu)瞬時記憶、工作記憶和長時記憶。瞬時記憶保持的時間很短，但是保持的信息量卻很大，雖信息會很快消失，但也能幫助大腦完成任務(wù)，工作記憶保持的時間也只有幾秒，保存的信息是以組塊為單位，容量為59個組塊（Miller，1956）。對進入工作記憶的信息進行處理，使經(jīng)過加工的信息進入長時記憶中并保存。不過長時記憶

9、的容量很大，保存時間也是最長的。學(xué)生在外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率和對化學(xué)平衡移動的本質(zhì)理解上存在思維障礙。顯然學(xué)生把這兩塊內(nèi)容孤立地記憶，缺乏將信息進行精加工，沒有使習(xí)得的知識經(jīng)驗整體化、系統(tǒng)化，學(xué)生在化學(xué)平衡問題解決時搜索有關(guān)信息時就會遇到障礙，所以引導(dǎo)學(xué)生有效的運用精加工策略是非常必要的。下圖3.1是學(xué)生在學(xué)完了外界條件對化學(xué)平衡移動的影響后引導(dǎo)學(xué)生進行精加工將其納入已學(xué)的外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率影響的模式中，使新舊知識產(chǎn)生聯(lián)系，排除知識間的干擾和混淆：化學(xué)反應(yīng)化學(xué)平衡化學(xué)反應(yīng)速率表示方法：注意單位內(nèi)因（主）：反應(yīng)物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)溫度：T升高，V加快影響因素外因（次）壓強：P增大，V加快催化劑：使

10、用一般V加快濃度：C增大，V加快其它：接觸面積、顆粒大小等含義影響因素特征動、等、定、逆、變C T P勒夏特列原理圖3.1 化學(xué)平衡知識點的精加工四.積累問題圖式，促使學(xué)生理解化學(xué)平衡移動的本質(zhì)變化圖式是將大量的信息組織成一個有意義的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它能幫助學(xué)生理解新信息，在遇到新問題時能及時發(fā)生遷移。學(xué)生一旦習(xí)得了某個圖式，當(dāng)他遇到可以應(yīng)用這個圖式的新問題時，能激活原有知識。根據(jù)化學(xué)平衡問題解決中常見思維障礙分析，學(xué)生頭腦中關(guān)于此類問題的圖式很少，導(dǎo)致在解決問題的過程中常常把學(xué)到的知識用錯。在化學(xué)平衡的教學(xué)實踐中，教師可以考慮以下途徑：1.設(shè)計好“樣例”并有針對性地進行教學(xué) 通過例題的設(shè)置引導(dǎo)學(xué)

11、生掌握化學(xué)平衡計算的一般方法，教材中設(shè)置了“問題解決”，可讓學(xué)生在理解例題的基礎(chǔ)上通過解決實際問題加以鞏固。在教學(xué)過程中應(yīng)多采用這樣的教學(xué)方法，即首先引導(dǎo)學(xué)生觀察例題的詳細解答過程，然后在此基礎(chǔ)上有針對性地總結(jié)出解決一類問題的原理及步驟，進而通過在實際情景中的應(yīng)用鞏固相應(yīng)的解決問題的技能。2.利用圖像幫助學(xué)生理解化學(xué)平衡移動的本質(zhì)變化在教學(xué)中，學(xué)生在掌握外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率的影響之后，再通過運用化學(xué)平衡移動的圖象，學(xué)生可以通過圖象分析新平衡狀態(tài)下的化學(xué)反應(yīng)速率與原平衡狀態(tài)的化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)系。同時，通過外界條件的對比，幫助學(xué)生理解外界條件的改變引起化學(xué)反應(yīng)速率的改變從而導(dǎo)致正逆反應(yīng)速率不相等

12、是造成化學(xué)平衡移動的根本原因。關(guān)于化學(xué)平衡的圖象最基本的有以下幾種情況（圖4.1）：外界條件圖象表示平衡移動方向增大反應(yīng)物濃度正反應(yīng)方向減小反應(yīng)物濃度逆反應(yīng)方向增大壓強正反應(yīng)方向減小壓強逆反應(yīng)方向升高溫度逆反應(yīng)方向降低溫度正反應(yīng)方向加入催化劑不移動圖4.1 外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動的影響教學(xué)案例選修4化學(xué)反應(yīng)原理第二章第三單元化學(xué)平衡移動之濃度對化學(xué)平衡移動的影響的教學(xué)。從學(xué)生思維障礙來看，學(xué)生在解答外界條件對化學(xué)平衡移動影響的問題時主要是不理解外界條件影響平衡移動的本質(zhì)原因，導(dǎo)致出現(xiàn)的主要思維障礙是割裂了化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動的關(guān)系，混淆了外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率和對化學(xué)平衡移

13、動的影響。為了突破這一思維障礙，教學(xué)中設(shè)計如下環(huán)節(jié)：1.引導(dǎo)學(xué)生回憶化學(xué)平衡狀態(tài)的本質(zhì)特征引導(dǎo)學(xué)生回憶化學(xué)平衡狀態(tài)的本質(zhì)特征，除了各物質(zhì)的濃度保持不變外，還有V正=V逆。2.引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)反應(yīng)速率上分析化學(xué)平衡移動的本質(zhì)V正V逆V正=V逆0條件改變V正=V逆0一定時間 平衡1 不平衡 平衡2 舊平衡被破壞 建立新平衡3.引導(dǎo)學(xué)生歸納平衡移動的方向判斷反應(yīng)速率的變化V（正）V（逆）V（正）V（逆）V（正）V（逆）移動方向4.設(shè)計下表，揭示濃度引起化學(xué)平衡移動的本質(zhì)理解 引導(dǎo)學(xué)生分析下表，總結(jié)化學(xué)平衡移動的本質(zhì)。外界條件濃度改變瞬間V正、V逆的變化平衡移動方向建立新平衡過程中V正、V逆的變化圖像表

14、示與舊平衡相比V正、V逆的變化C反增大C生增大C反減小C生減小在教學(xué)中要規(guī)范學(xué)生定性描述平衡移動過程中V正、V逆的變化，這會更有利于學(xué)生對化學(xué)平衡移動的本質(zhì)理解。壓強和溫度對化學(xué)平衡移動的影響也可這樣設(shè)計。從實施的效果看，學(xué)生原有思維障礙有所突破，但并不是很顯著。從和學(xué)生的交流中分析可能是因為課堂分析外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動的影響還是偏理論，缺少和實際問題相聯(lián)系，教學(xué)中應(yīng)多補充與實際問題相關(guān)題型的分析，引導(dǎo)學(xué)生將原理運用到實際問題解決中。五.突出科學(xué)方法的應(yīng)用問題解決的過程是一個在問題空間中搜索出一系列適用于把問題從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換成滿足要求的目標狀態(tài)的算子的過程3。找到合理的算子是關(guān)

15、鍵，其中就包括了尋找合理的科學(xué)方法。在對宏觀現(xiàn)象加以分析并總結(jié)化學(xué)平衡狀態(tài)和勒夏特列原理的過程中，科學(xué)方法顯得異常關(guān)鍵。除探究方法以外，尤其注意歸納、演繹、類比方法的應(yīng)用。1.歸納方法的應(yīng)用歸納方法是指對一類物質(zhì)進行分析，抽取其共同特征，在其基礎(chǔ)上總結(jié)出一般規(guī)律的方法。外界因素對化學(xué)反應(yīng)速率和對化學(xué)平衡移動的影響主要是通過歸納方法獲得的。例如，在學(xué)習(xí)化學(xué)平衡移動原理時，首先通過實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)獲得外界條件（溫度、濃度和壓強）對化學(xué)平衡影響的規(guī)律，最終歸納出化學(xué)平衡移動原理。2.演繹方法的應(yīng)用與歸納方法不同，演繹方法是根據(jù)上位的理論推導(dǎo)出下位理論的方法，在使用演繹方法的過程中，宏觀現(xiàn)象多是作為例證的形式出現(xiàn)。例如，學(xué)習(xí)了化學(xué)平衡移動原理后設(shè)置了“信息提示”欄目，指出有關(guān)化學(xué)平衡的計算規(guī)則和化學(xué)平衡移動原理有著廣泛的適用性，可用于研究所有的化學(xué)動態(tài)平衡，如后續(xù)即將討論的電離平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡等。通過此欄目引導(dǎo)學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)中應(yīng)用化學(xué)平衡移動原理去推導(dǎo)具體平衡的特征。3.類比方法的應(yīng)用化學(xué)平衡內(nèi)容是比較抽象的，雖然可以通過對事實加以總結(jié)得出結(jié)論，但理解起來仍然存在一定的困難。為了促進學(xué)生的理解，教師可以采用類比的方法。例如對于化學(xué)反應(yīng)的方向性，教材就以瀑布及火柴的散亂過程加以類比，說明反應(yīng)有向著能量降低及混亂度增大的方向進行的趨勢?；瘜W(xué)平衡問題解決是