基于化學史與學科邏輯的“化學反應限度”單元教學設計

摘要：教學設計需兼顧學生認知心理發(fā)展特征及知識的整體性。基于化學史，縱向厘清概念形成與發(fā)展的思維路徑，提取符合學生心理發(fā)展規(guī)律的認知邏輯；基于學科邏輯，橫向厘清現(xiàn)代化學理論視域下的概念結構體系，提取凸顯知識系統(tǒng)與完整的客觀邏輯。通過十個學習任務完成有關“化學反應限度”的存在、表征與調(diào)控，突破或解決以往教學中學生的迷思問題，發(fā)展學生的定量認識，取得較好的教學效果。關鍵詞：化學反應限度；化學史；學科邏輯；定量認識；單元教學1問題的提出化學反應限度描繪了化學反應中的一種重要狀態(tài)，是中學化學課程中重要的核心概念。課標要求：認識化學平衡常數(shù)是表征反應限度的物理量，知道化學平衡常數(shù)的含義；了解濃度商和化學平衡常數(shù)的相對大小與反應方向間的聯(lián)系［1］。人教版教材選擇性必修1將這部分內(nèi)容劃分為三個板塊：化學反應限度的存在、表征與調(diào)控。由于教學內(nèi)容理論性較強，在以往的教學中，學生常因這部分的學習內(nèi)容產(chǎn)生迷思，主要表現(xiàn)為：（1）不能理解為什么“ΔG＜0或ΔG＞0說明的是方向，而ΔG=0說明的卻是限度”（反應限度的存在方面）；（2）不能理解科學家最初是如何想到生成物濃度的冪之積與反應物濃度的冪之積的比值是定值，對于教材中碘化氫教學素材的數(shù)據(jù)處理方式感到很突兀（反應限度的表征方面）；（3）認為化學反應方向改變時限度也會有一致性的改變（反應限度的調(diào)控方面）。這些問題的產(chǎn)生與教材的編寫邏輯和學生的認知邏輯之間的矛盾有一定關系，教材編寫邏輯偏重于學科知識的系統(tǒng)性與完整性，即“學科邏輯”，而學生認知邏輯偏重于思維的成長，理解事情發(fā)展的來龍去脈［2］。也就是說，教材更多地呈現(xiàn)“是什么”，而學生需要理解“為什么是”。已有研究大多基于某一方面對內(nèi)容進行剖析理解，且集中于“化學平衡常數(shù)”的教學內(nèi)容［3］。基于已有研究，本研究以橫向與縱向二維視角構建“化學反應限度”單元整體教學設計：立足學科邏輯橫向梳理多個版本的高中教材及大學教材，以解決“是什么”的問題；立足化學史縱向梳理“化學反應限度”相關理論建立的發(fā)展歷程，以解決“為什么是”這一問題，繼而將二者有機融合，構建順應學生認知規(guī)律的學習邏輯。2教學主題內(nèi)容及相關研究2.1基于化學史的縱向梳理以化學史為時間線索，明晰各時期歷史貢獻與化學反應限度的內(nèi)在關聯(lián)，整理如表1所示。鑒于對化學史的梳理，獲得以下啟示：（1）利用化學史厘清概念的形成與發(fā)展的思維路徑。人們認識化學反應限度，先后經(jīng)歷了幾個階段：①定性地認識到化學反應存在“可逆性”；②通過動力學實驗數(shù)據(jù)找到定量表征反應限度的規(guī)律；③基于熱力學理論定量地證明并表征反應限度的存在；④基于熱力學理論定量地計算化學反應限度的數(shù)值。可見，“化學反應限度”是典型的定量類核心概念，應著力凸顯其定量的認識功能。（2）利用化學史提取符合學生心理發(fā)展規(guī)律的認知邏輯。動力學領域最早印證了化學反應限度的存在，并明確指出反應限度與“有效質量”的關系，借助質量作用定律可以幫助學生很好地建立反應限度與物質濃度的關系，解決學生的迷思問題。考慮到質量作用定律僅適用于基元反應，可以利用教材中非基元反應數(shù)據(jù)加以驗證，如此既能尊重化學史的客觀發(fā)展時序，順應學生的認知規(guī)律，也能提高教學素材使用的科學性?？梢?，在突破學生迷思問題方面，化學史能夠給予有效的指引。2.2基于學科邏輯的橫向梳理以現(xiàn)代化學理論為研究線索，將高中各版本教材及化學經(jīng)典著作［7，8］中對于化學反應限度的存在、表征和調(diào)控等相關內(nèi)容整理如下。2.2.1化學反應限度的存在依據(jù)（1）基于質量作用定律的動力學依據(jù)。質量作用定律是根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)獲得的經(jīng)驗依據(jù)，僅適用于基元反應。即反應aA+bBcC+dD，若正逆反應均為基元反應，便有v正=k正ca（A）cb（B），v逆=k逆cc（C）cd（D），當正逆反應速率相等時，基元反應平衡常數(shù)K基元=k正/k逆［9］。（2）基于吉布斯函數(shù)的熱力學依據(jù)。封閉系統(tǒng)中，反應向狀態(tài)函數(shù)G減小的方向進行，達到最小值時即為平衡態(tài)。化學反應的自發(fā)方向決定于系統(tǒng)相對于平衡態(tài)所處位置，若處于平衡態(tài)左側，發(fā)生正反應；在平衡態(tài)右側發(fā)生逆反應（圖1）［10］。因此，ΔG＞0時，反應不能自發(fā)進行；ΔG＜0時，反應以不可逆的方式自發(fā)進行；ΔG=0時，反應以可逆的方式自發(fā)進行，達到平衡［11］。2.2.2化學反應限度的表征方式（1）基于熱力學原理的表征——化學平衡常數(shù)。根據(jù)范特霍夫動態(tài)平衡原理ΔGθ=-RTlnKθ可以看出，標準態(tài)（298K，100kPa）時，只要有熱力學函數(shù)ΔGθ數(shù)據(jù)，便可獲得Kθ，利用Kθ可以對反應發(fā)生的傾向進行理論層面的定量預判，以此指導生產(chǎn)實踐。（2）基于工業(yè)生產(chǎn)直觀需求的表征——平衡轉化率（或平衡產(chǎn)率）。工業(yè)上，常用平衡轉化率α（或平衡產(chǎn)率）來表示一定條件下的反應限度，與熱力學平衡常數(shù)相比，平衡轉化率更為直接。2.2.3化學反應限度的調(diào)控方式（1）基于化學平衡常數(shù)K的改變調(diào)控反應限度。根據(jù)ΔGθ=-RTlnKθ的推導式Kθ=e-ΔGθRT可知，影響Kθ的因素包括ΔGθ與T，改變這兩個條件即可調(diào)控反應限度。改變ΔGθ可利用反應之間的耦合；改變溫度T需要結合反應的熱效應，根據(jù)范特霍夫等溫方程推導式lnK2K1=ΔHR1T1-1T2可知，當ΔH＞0時升溫提高反應限度，ΔH＜0時降溫提高反應限度，|ΔH|越大，即熱效應越明顯，溫度對反應限度的影響就越大。（2）基于濃度熵Q的改變調(diào)控反應限度。根據(jù)K-Q關系可實現(xiàn)反應限度的調(diào)控，需要注意的是，當Q改變，令Q＜K時反應正向移動，但反應限度α是否增大仍需進一步討論，Q的改變首先調(diào)控的是方向，至于反應限度α是否為最佳，需要控制反應物的投料關系。鑒于對學科邏輯的梳理，獲得以下啟示：（1）利用學科邏輯厘清現(xiàn)代化學理論視域下的內(nèi)容結構體系。以吉布斯函數(shù)G證明存在反應限度是最符合科學本質的認識方式，將教材中“化學反應方向”內(nèi)容前置于“化學反應限度”，結合圖1既能證明反應限度是普遍存在的，也能解決前文提及的迷思問題，為了不給學生增加學習負擔，借鑒人教版教材呈現(xiàn)ΔG的方式，教學中以資料的形式讓學生認識。（2）利用學科邏輯厘清概念建構過程中的教材處理方式。定量類概念是定性概念的延伸與發(fā)展，這類概念的形成是以學生大量的感性認識為基礎的［12］。教材在必修階段以正逆反應速率相等、化學實驗等方式讓學生從定性的角度認識到化學反應存在限度；進入選擇性必修階段，教材引入化學平衡常數(shù)及平衡轉化率定量表征反應限度，利用K-Q關系定量調(diào)控反應限度，因此，在教學設計時要側重于建構“定量認識化學反應限度”的進階性視角。經(jīng)過以上對化學史與學科邏輯的梳理可以發(fā)現(xiàn)，化學反應限度的存在、表征與調(diào)控的背后均有定量理論作為支撐，見表2。為建構學生對化學反應限度的定量認識，應著力于探究“量的關系”，讓學生有意識地辨析數(shù)據(jù)的作用，以數(shù)據(jù)作為證據(jù)進行分析與解釋、推理與論證，從培養(yǎng)“量”的意識到發(fā)展“量”的思維，最后達成“量”的認識［13］。3“化學反應限度”單元教學設計3.1單元教學目標（1）認識化學反應存在限度，并對反應限度進行定量表征，且表征的方式不唯一。（2）建立基于濃度商與化學平衡常數(shù)調(diào)控反應方向與限度的定量分析模型；能夠掌握在K不改變而Q改變時調(diào)控反應限度的方式。（3）認識影響化學平衡常數(shù)K的因素，能夠利用K的影響因素調(diào)控化學反應限度。3.2單元課時設計結合單元教學目標及課時凸顯的定量類學習任務，本單元教學設計包含如下3個課時（圖2）。3.3單元學習任務設計3.3.1課時1［任務1］信息資料：已知熱力學理論（1）“恒溫恒壓條件下，反應總是向著吉布斯自由能G減小的方向進行，達到最小值時是體系的穩(wěn)定狀態(tài)”；（2）“反應過程中由于混亂度增加，混合體系的G值小于反應物（或生成物）的G值之和”。結合反應物與生成物G值的相對大小關系，完成下圖，證明化學反應限度的存在。（圖中A點為反應物的G值，B點為生成物的G值）設計意圖：學生通過作圖發(fā)現(xiàn)化學反應限度是普遍存在的，反應的自發(fā)方向決定于系統(tǒng)相對于平衡態(tài)所處的位置，讓學生在理論層面證明并認同化學反應限度的存在，構建“方向與限度”的整體性認識，突破或解決學生的迷思問題。［任務2］信息資料：1864～1879年，挪威數(shù)學家古德貝格和化學家瓦格確立了“質量作用定律”，對于基元反應：aA（g）+bB（g）cC（g）+dD（g），v正=k正ca（A）cb（B），v逆=k逆cc（C）cd（D），k是關于溫度的常數(shù)，在不改變溫度的情況下，請分析反應達到最大限度時：（1）正、逆反應速率的關系；（2）根據(jù)正、逆反應速率關系，推導各組分濃度之間的關系。設計意圖：學生不理解K表達式的緣起，任務2依據(jù)質量作用定律推導出平衡常數(shù)K的表達式及K取定值的原因，再由任務3非基元反應驗證的處理方式，既解決了學生的困惑，又提高了質量作用定律使用的科學性。［任務3］（1）探究非基元反應H2（g）+I2（g）2HI（g）在457.6℃達到平衡狀態(tài)時，各組分的濃度關系與任務2所得結論是否一致；（2）計算序號1～3對應條件下的平衡轉化率（α）（見下表），對比使用K與α表征反應限度的異同。設計意圖：其一，利用非基元反應論證K表征反應限度的普適性；其二，感受化學反應限度的表征方式不唯一。一個平衡常數(shù)可以對應多個平衡轉化率，K的規(guī)律性更強，α的直觀程度更高，因限度的表征方式不同為后續(xù)的調(diào)控作出指引。3.3.2課時2［任務4］化學平衡常數(shù)K用于表征平衡時各組分濃度的關系，濃度商Q用于表征任意時刻各組分濃度的關系，請分析：（1）K與Q之間具有怎樣的關系？（2）K與Q滿足什么關系時，有利于化學反應正向進行？（3）根據(jù)Q的表達式，討論減小Q的方式有哪些？（4）已知K是關于溫度的函數(shù)，根據(jù)2NO2（g）N2O4（g）的溫度實驗，討論通過改變溫度增大K的規(guī)律是什么？設計意圖：建立利用Q≠K的關系調(diào)控反應方向與限度的視角，形成“調(diào)控濃度改變Q和調(diào)控溫度改變K”的初級的整體性認識思路。［任務5］以工業(yè)合成氨反應為例，定性分析通過改變Q實現(xiàn)Q＜K平衡正向移動的方案。提示：從改變單一組分濃度和等比例改變各組分濃度的角度進行分析。設計意圖：任務5是任務4的具體應用，在開放性任務中，學生基于現(xiàn)實需求主動探索方案，并在任務6中加以驗證，使其從傳統(tǒng)任務的分析解釋水平走向更高層次的評價創(chuàng)造水平。［任務6］上述實現(xiàn)Q＜K的方案中，達到新平衡時，定量計算并分析反應物平衡轉化率的變化情況，判斷平衡正向移動是否意味著反應物平衡轉化率增大，見下表。各組分的濃度設V=1L充入2molN2、6molH2設α=50%將體積減小為0.5L設計意圖：錯把“方向等同于限度”是學生易產(chǎn)生的迷思概念，學生經(jīng)過數(shù)據(jù)探究發(fā)現(xiàn)平衡正移后，α可能增大、減小或不變，有益于自主建構“方向不同于限度，平衡正移不代表反應限度會增加”這一核心認識，從而引出工業(yè)生產(chǎn)中對最佳投料關系的探討。［任務7］繪制合成氨工業(yè)中，調(diào)整氮氣與氫氣的投料比時二者的平衡轉化率變化趨勢如下圖，請結合下圖分析氮氣與氫氣的最佳投料比。設計意圖：方向與限度雖有矛盾，二者的平衡點在于現(xiàn)實意義的需求，也就是生產(chǎn)效益的最大化。任務7意在讓學生感受到理論層面的矛盾會基于實際效益達成統(tǒng)一。3.3.3課時3［任務8］信息資料：化學反應限度的熱力學依據(jù)為范特霍夫平衡原理ΔGθ=-RTlnKθ。請根據(jù)該表達式分析影響化學反應限度的因素。設計意圖：范特霍夫平衡原理是化學平衡極為重要的熱力學依據(jù)，在中學階段以信息形式引入將有助于學生從本質上理解影響反應限度的因素問題。從ΔGθ=-RTlnKθ的關系式中可以看出影響反應限度K的因素是狀態(tài)函數(shù)ΔG與溫度T，從而建立基于K的改變調(diào)控反應限度的分析思路。［任務9］金屬鈦的生產(chǎn)原料TiCl4通常由TiO2制取，若由TiO2直接氯化，反應為：TiO2（s）+2Cl2（g）TiCl4（l）+O2（g），記為反應①。（1）根據(jù)表中數(shù)據(jù)計算該反應的ΔGθ以及Kθ，基于熱力學視角說明該反應能否發(fā)生；（2）分析可能驅動反應①的方法；（3）計算2C（s）+O2（g）2CO（g）的ΔGθ以及Kθ，思考用該反應驅動反應①的方法。設計意圖：建立“基于影響K的因素——吉布斯函數(shù)調(diào)控化學反應限度”的思路，形成“可以用一個反應來驅動另一個反應，反應間的耦合可以改變反應限度”的認識。［任務10］工業(yè)上以煤炭為原料，通入一定量的空氣，經(jīng)過系列反應可以得到滿足不同需求的原料氣，具體反應如下：反應1：C（s）+O2（g）CO2（g）ΔH1=-394kJ·mol-1反應2：2CO（g）+O2（g）2CO2（g）ΔH2=-566kJ·mol-1反應3：2C（s）+O2（g）2CO（g）ΔH3=-222kJ·mol-1（1）已知：利用ΔGθ=-RTlnKθ=ΔHθ-T·ΔSθ可以推導出lnK2K1=ΔHR1T1-1T2，根據(jù)該關系式分析：改變溫度對反應限度的影響（已知：K1為T1溫度下的反應限度，K2為T2溫度下的反應限度）；（2）結合制取原料氣的三個反應，分析為獲得以CO為主的原料氣，應如何調(diào)控反應的溫度和壓強；（3）當利用控溫調(diào)控反應限度出現(xiàn)矛盾時，如何抓住主要矛盾？請結合（1）中關系式分析。設計意圖：建立“基于影響K的因素——溫度調(diào)控化學反應限度”的思路。分析lnK2K1=ΔHR1T1-1T2可知，“針對一個反應，改變溫度可以調(diào)控反應限度”，“針對不同反應，改變溫度對反應限度的影響程度不同”，|ΔH|越大，溫度對反應限度的影響越大，要根據(jù)需要抓住主要矛盾。培養(yǎng)學生既能調(diào)控單一平衡，也能調(diào)控真實生產(chǎn)中的多重平衡，使學生由定性走向定量的高階認識水平。4教學效果與反思4.1教學效果為測查學習效果，筆者對學生進行后測檢驗。以工業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)條件的選擇和調(diào)控類陌生情境試題為例，測查學生能否基于K-Q關系在定量水平上解決真實問題；以陌生耦合反應的熱效應判斷為例，測查學生的定量推理能力。測試結果表明，82.2%學生能夠想到以濃度商與平衡常數(shù)為分析工具并準確判斷反應方向，66.7%學生能利用K判斷單一反應和耦合反應的熱效應；13.3%學生在具體定量關系中運算出現(xiàn)失誤，20%學生解讀圖像和曲線時遇到障礙?？梢?，學生已經(jīng)初步具備了