在化學平衡圖像教學中如何提高學生化學邏輯思維素養

劉奕欣

（廣州市第九十七中學，廣東 廣州）

一、在化學平衡圖像教學中遇到的實際問題及產生的原因

課程標準要求“能描述化學平衡建立的過程”，平衡圖像是最簡潔凝練的描述手段，反映著學生的理解方式、理解深度和表述能力。高考非常重視學生的分析能力，“化學反應速率與化學平衡圖像”更是其中一類?？键c。例如近四年全國各地的高考題中，2018年全國III28（1）、2018年北京卷27（2）、2018年天津卷10（2）、2018 年江蘇 16（2）、2017 年全國 I27（1）、2017 年全國 II卷27（1）（2）（3）、2017 年全國 III卷 28（4）、2017 年北京卷 26（1）（2）、2016 國甲 27 題（2）（3）、2016 國乙 27（2）、2016 國丙 27（3）、2015 國甲 27 題（2）、2015 國乙 28（4）③、2015 北京 26（3）、2015安徽 11、2015 重慶 09、2015 四川 07、2015 廣東 31（2）、2015 江蘇15、2015江蘇16（1）都是考查學生對“化學反應速率與化學平衡圖像”的分析。這個考點對學生來說恰恰是一個難點，每年高考這類題目的得分率都非常低。

認知心理學研究表明，很多學生在分析化學平衡圖像時存在邏輯思維的障礙。所以研究學生如何在化學平衡圖像學習中突破思維障礙并且提高化學邏輯思維素養非常重要。邏輯思維的形成需要學生在對知識點進行系統的學習之后，構建自己的知識網絡，對于難度大、思考跨度大的知識點，需要從本質出發，對知識點深入學習，環環相扣，梯度性地進行吸收消化，從而形成對該類知識點的邏輯思維。

化學函數圖象中，有關“化學反應速率與化學平衡圖像”在人教版中只簡單出現在必修2第51頁圖2-20，而綜合教輔資料、網絡資料和實際教學，會發現當前的主要教學大多針對“速率-時間”“濃度-時間”等類型。學生大多通過練習獲得對各類相關圖像的解題技能，而缺乏對圖像本質、意義的深刻理解，沒有真正提高對該類圖像的分析能力，所以無法在分析過程構建起自己的邏輯思維，從而產生分析圖像的思維障礙。一旦產生思維障礙，學生對于圖像分析就會有畏難情緒，影響學習。培養學生形成科學的化學邏輯思維素養顯得尤為重要。

二、培養學生化學邏輯素養的重要性

化學科學素養是指人認識和處理物質的組成、結構、性質、變化規律及抽象與化學相關的事物本質的悟性和潛能，是化學觀念、化學知識、化學技能、化學思維、化學思想、化學能力、化學品質的和諧統一。它包括化學意識、創造能力、思維品質、化學語言四個層面。培養學生形成科學的化學邏輯思維素養顯得尤為重要。以往傳統的化學教學只是片面地強調知識和技能目標，忽視了全面提高學生的科學素養。

本課題的切入點就是在化學平衡圖像教學中如何提高學生化學邏輯思維素養。

三、在化學平衡圖像教學中如何提高學生化學邏輯思維素養的措施策略

思維過程包括分析、綜合、比較、抽象、概括、判斷和推理等基本過程，通過聯想和邏輯過程來實現。教學要讓學生構建起自己的邏輯思維，由淺入深，環環相扣，讓學生深刻理解圖像本質、意義。

1．要看圖先畫圖，在畫圖過程中認識圖像的本質。

例如：對于濃度-時間圖，通過學生畫圖，逐步由淺入深進行了解。

學生活動1：373K時，將0.10mol無色N2O4氣態放入100mL抽空的密閉容器中，發生如下反應：N2O4?2NO2，隔一定時間對體系進行分析，得到以下數據：

時間/s 0 20 40 60 80 100 n（N2O4）/mol 1.0 0.7 0.5 0.4 0.4 0.4 n（NO2）/mol 0 0.6 1.0 1.2 1.2 1.2

請畫出坐標圖：作出N2O4和NO2的濃度隨時間變化的曲線。

學生作品

3.學生已經能掌握同一反應在改變條件的情況下，濃度-時間的變化圖像，那么就要及時讓學生完成練習鞏固。

挑戰練習（2012國標改編）

COCl2的分解反應為COCl2（g）?Cl2（g）+CO（g） ΔH=+108 kJ·mol-1。

目的：學生在畫圖中就可以掌握起點、拐點的意義和平衡時的濃度狀態。

這樣比直接拿題目讓學生記住解題技巧“看清起點、拐點、終點，看清曲線的變化趨勢；先拐先平……”更能讓學生理解圖像的本質、意義。

2．由淺入深，環環相扣，讓學生對知識點梯度性地進行吸收消化，從而形成對該類知識點的邏輯思維。

前面學生通過畫圖已經掌握了從反應開始到平衡時反應物和生成物的圖像特點，那假如同一反應在平衡后，經過改變條件使平衡移動，再次平衡的圖像又有什么特點呢？

學生活動2：

完成實驗觀察并記錄實驗現象在K2Cr2O7的溶液中存在著如下平衡

實驗編號 現象 結論（離子濃度變化） 平衡移動方向①滴加 3～10滴濃H2SO4溶液從黃色向橙色轉變C（H+）增大；C（Cr2O72-）增大；C（CrO42-）減??；C（H2O）不變 逆向② 滴 加 10～20滴6mol/LNaOH溶液從橙色向黃色轉變C（H+）減??；C（Cr2O72-）減??；C（CrO42-）增大；C（H2O）不變 正向

請畫出實驗①②的 C（Cr2O72-）、C（CrO42-）、C（H+）隨時間變化的C-t圖像（多種答案）。

學生作品

目的：遵循學生的邏輯思維，不難理解這里的關鍵是①增加C（H+），所以畫圖的時候C（H+）縱坐標要顯示出明顯的增加（改變條件后的原點和原狀態的平衡點有距離），而引起平衡逆向移動，所以增大減小，它們的縱坐標直接在原點畫趨勢就行，同理②滴加NaOH，C（H+）減少。

所以分析圖像的時候，學生就懂得了要觀察每個階段的起點和拐點變化，從而判斷是改變了什么條件使平衡產生移動；同時通過濃度的趨勢變化可以判斷平衡的移動方向。

反應體系平衡后，各物質的濃度在不同條件下的變化狀況如下圖所示。（第10min到14min的COCl2濃度變化曲線未示出）

（1）第10min時改變的條件是_____________。

（2）第14min時改變的條件是_____________。

這道題學生解答得非常順利，馬上會第一時間觀察10min各物質的濃度變化，COCl2濃度變化曲線未表示出，但是CO的濃度突然減少，而Cl2的濃度趨勢說明平衡右移。所以（1）答案：移動了CO。

同樣道理，觀察到14min時CO的濃度和Cl2的濃度都突然減少，趨勢變化說明平衡右移。所以答案（2）擴大了容器體積。

大量研究結果表明，學生對于平衡圖像的學習中出現的思維障礙屬于非知識和技能被遺忘所形成，如果只是簡單地通過知覺和回憶去解題，學生會對這類題產生恐懼。而通過前面尊重學生的認知策略，讓學生畫圖分析、綜合、概括，能形成對該類題的邏輯思維。

4.邏輯思維還要通過比較來實現，我們要引導學生將不同的圖像對應整合與融合，了解圖像之間的聯系，理解各種類型圖像的特征。

當學生掌握了同一反應在改變條件的變化圖像，教師再問：假如只選用用同一物質（反應物或者生成物），而表達不同條件（溫度、壓強、催化劑）下的平衡移動呢？

學生活動3：固定和利用CO2能有效地利用資源，并減少空氣中的溫室氣體。工業上有一種用CO2來生產甲醇燃料的方法：

CO2（g）＋3H2（g）?CH32OH（g）＋H2O（g）ΔH＝－49.0 kJ·mol－1

某科學實驗將6molCO2和8molH2充入2L的密閉容器中，測得H2的物質的量隨時間變化如圖所示（實線）。

（1）a點正反應速率____（填大于、等于或小于）逆反應速率。

（2）下列時間段平均反應速率最大的是____，最小的是____。

A.0～1min B.1～3min C.3～8min D.8～11min

（3）求平衡時氫氣的轉化率和該條件下反應的平衡常數K。（寫出計算過程）

（4）僅改變某一實驗條件再進行兩次實驗，測得H2的物質的量隨時間變化如圖中虛線所示，曲線I對應的實驗條件改變是_____________，曲線II對應的實驗條件改變是_____________。

（5）請在上圖畫出如加入催化劑時H2的物質的量隨時間變化的曲線。

學生可以發現I、II兩條曲線和實線一樣，都是H2在不同條件（溫度、壓強、催化劑）下的平衡移動下的變化情況。通過對比，更加理解一樣是“濃度-時間”圖及不同圖像之間的聯系和區別。

5.教師要讓學生進行系統的學習，形成對該類知識點的邏輯思維。學生從一幅圖得到一組圖，既領悟了平衡的內涵，又收獲了學習的方法。

學生活動4：請從下面兩個圖像中分析兩圖的異同？

學生可以很快看出原來經常見到的右邊的圖是左邊的簡化圖，都是當只表達其中一種物質，且在不同條件（溫度、壓強、催化劑）下的平衡移動，再歸納這些圖的相同之處：都有明顯的拐點表示平衡。這樣學生在做題的時候思路就非常清晰，不會再對這類圖產生恐懼。

練習：

已知某可逆反應在密閉容器中進行：

A（g）+2B（g）?3C（g）+D（g）（正反應為放熱反應），圖中曲線b代表一定條件下該反應的過程，若使曲線b變為曲線a，可采取的措施是（ ）

A.增大A的濃度

B.縮小容器的容積

C.加入催化劑

D.升高溫度

所以其實濃度-時間圖、物質的百分含量-時間-溫度（壓強）圖，有的資料分成了四、五種不同的類型進行解題技巧分析。但是按照這些教學策略，一幅圖得到一組圖，會發現這些其實是同一類圖，而且看圖難點也迎刃而解。

四、小結

平衡圖像的產生是展示理解過程和理解深度的最佳手段，借助這種最簡潔最突出地揭示變量間關系的方式，集中彰顯了不同物理量的變化趨勢、數量及相互關系。在教學中需要運用對應的教學策略培養學生的邏輯思維，讓學生能真正理解和運用平衡圖像，提高化學邏輯思維素養。