華利平

(浙江省寧波市鎮(zhèn)海中學(xué))

一、問題背景

化學(xué)圖像的繪制是以化學(xué)知識為依據(jù),用數(shù)學(xué)知識將化學(xué)中變化的物理量的關(guān)系直觀呈現(xiàn)出來,形式簡潔、內(nèi)容豐富,因此高考試題中經(jīng)常通過圖像把化學(xué)問題抽象表示為數(shù)學(xué)問題來考查學(xué)生從圖像中獲取、評價、整合和應(yīng)用信息的綜合分析能力。化學(xué)圖像題要求學(xué)生能夠根據(jù)數(shù)形結(jié)合的方法,對圖像進(jìn)行一定的分析,能夠從中找到隱含的信息,從而實現(xiàn)將圖像信息輸出為文字信息,然后再經(jīng)過加工整理,結(jié)合相關(guān)化學(xué)知識,輸出為我們需要的圖像信息,即繪制圖像。這類圖像題的考查充分落實了“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

通過分析學(xué)生已有的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)學(xué)生對化學(xué)平衡圖像題相關(guān)知識的學(xué)習(xí)困難主要有:理不清自變量和因變量的關(guān)系;無法與相關(guān)化學(xué)知識相結(jié)合;關(guān)鍵點分析不到位;定性與定量思路不清等。出現(xiàn)這些學(xué)習(xí)困難的主要原因是:①識圖能力欠缺,不會從已有的圖像中獲取相關(guān)信息;②析圖能力不足,知識缺乏系統(tǒng)性,因此不能通過獲取的信息,快速地用相關(guān)化學(xué)知識加以分析利用;③繪圖能力有待加強,起點、拐點、終點、斜率、趨勢等的確定都需要學(xué)生嚴(yán)密的思維品質(zhì)。

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”要求學(xué)生通過認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系,建立模型、運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象、揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。因此,筆者在化學(xué)平衡類圖像的繪制教學(xué)中幫助學(xué)生構(gòu)建認(rèn)知模型,培養(yǎng)學(xué)生的高階整合思維,提高解決問題能力。

二、設(shè)計思路

本課例屬于高考二輪復(fù)習(xí),是在一輪復(fù)習(xí)基礎(chǔ)上的發(fā)展與提高。經(jīng)過一輪復(fù)習(xí),學(xué)生已熟練掌握了化學(xué)反應(yīng)原理的知識內(nèi)容,對化學(xué)核心概念和原理也有了清晰的理解,初步建立了比較完善的知識體系、能力體系和方法體系。在二輪復(fù)習(xí)過程中,發(fā)現(xiàn)學(xué)生化學(xué)反應(yīng)原理圖像繪制比較隨意,在圖文信息轉(zhuǎn)換方面有一些欠缺,考慮問題不夠全面,急需構(gòu)建一種“識圖、析圖、繪圖”逐層深入的全面的認(rèn)知模型,實現(xiàn)思維能力的全面提升。

通過對最近幾年高考試卷的分析,圖像繪制常分為四大類:定性作圖、定量作圖、多趨勢作圖和有參照曲線的作圖。課堂上通過問題串的形式,設(shè)置逐步遞進(jìn)的問題,引導(dǎo)學(xué)生用不同的策略解決問題。在構(gòu)建認(rèn)知模型、繪制圖像的過程中,使學(xué)生領(lǐng)略到每一個點的確定、線的趨勢、斜率等都是經(jīng)過深思熟慮,運用化學(xué)知識逐步分析出來的。需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S過程和對問題的全面把握,才能繪制出一幅完美的圖像,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S模式。

三、基于模型構(gòu)建的教學(xué)

(一)定性作圖

【問題探究1】一定條件下,由CO2和H2制備甲醇的過程中會發(fā)生如下反應(yīng):

在一定條件下,H2和CO2在體積為VL的恒溫密閉容器中發(fā)生上述反應(yīng),甲醇的物質(zhì)的量和物質(zhì)的量濃度隨時間變化曲線分別如圖1和圖2所示。假定t時刻迅速使容器體積增大,一段時間后體系重新達(dá)到平衡。試在下列兩圖中畫出t時刻后的曲線變化圖。

圖1

圖2

【模型構(gòu)建】從分析過程可以獲得:條件變化后瞬間縱坐標(biāo)所表示物理量的變化確定起點,平衡移動方向確定趨勢,對速率的影響確定斜率,點與線確定后,圖像自然就得出。建立認(rèn)知模型如表1:

表1

【解題思路】繪圖時,首先要關(guān)注的是兩個圖像的縱坐標(biāo)不同,然后按照條件改變的瞬間、平衡的移動方向和平衡后三個方面縱坐標(biāo)物理量的變化來確定點和線,理清做這種定性圖像的解題思路,建構(gòu)認(rèn)知模型如圖3、圖4,從而得出結(jié)論,解決問題。

圖3

圖4

(二)定量作圖

【問題探究2】一定條件下,由CO2和H2制備甲醇的過程中會發(fā)生如下反應(yīng):

在2 L恒容密閉容器中,實驗測得,在500 K時,充入3 mol H2和1.5 mol CO2,該反應(yīng)10 min時達(dá)到平衡。在此條件下,系統(tǒng)中CH3OH的濃度隨反應(yīng)時間的變化趨勢如圖5所示,如果當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到3 min時,迅速將體系溫度升至600 K,此時CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為40%,請在圖中畫出3～10 min內(nèi)容器中CH3OH濃度的后續(xù)變化曲線。

圖5

【模型應(yīng)用】按照上面建立的認(rèn)知模型我們可以分析出起點與線的趨勢和斜率,但是該題是定量作圖,還需要我們按照CO2的平衡轉(zhuǎn)化率(40%)計算出終點的縱坐標(biāo)(0.30 mol/L),考慮條件改變是升溫,即3分鐘后濃度改變較3分鐘前的斜率更大,結(jié)合這兩點即可畫出圖像如圖6。

圖6

無論是定性作圖還是定量作圖,上面涉及的圖像都是單趨勢的、單一變量,而有的圖像并不只有一個變量,這類問題該如何分析?建立怎樣的認(rèn)知模型?

(三)多趨勢作圖

【問題探究3】一定條件下,由CO2和H2制備甲醇的過程中會發(fā)生如下反應(yīng):

在恒容密閉容器中,充入一定量H2和CO2在催化劑A的作用下發(fā)生上述反應(yīng)。

(1)請在圖7中畫出CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高的變化曲線;(2)若起始溫度為300℃,在不同溫度下反應(yīng)相同時間,403℃時恰好達(dá)到平衡(此時CO2的轉(zhuǎn)化率約為40%),請在圖8中畫出相同時間內(nèi)從300℃到600℃時CO2轉(zhuǎn)化率隨溫度升高的變化曲線(催化劑未失效)。

圖7

圖8

【模型構(gòu)建】拐點之前→沒有達(dá)到平衡→溫度升高,速率加快,轉(zhuǎn)化率高

拐點之后→反應(yīng)達(dá)到平衡→溫度升高,平衡移動,轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)熱相關(guān)

【解題思路】首先區(qū)分兩個物理量:平衡轉(zhuǎn)化率與相同時間的轉(zhuǎn)化率。平衡轉(zhuǎn)化率只需要分析該反應(yīng)放熱,升高溫度平衡逆向移動,CO2的平衡轉(zhuǎn)化率降低。而相同時間CO2的轉(zhuǎn)化率應(yīng)先確定拐點,拐點之前由于反應(yīng)沒有達(dá)到平衡,溫度升高,反應(yīng)速率加快,相同時間內(nèi)轉(zhuǎn)化率增大;拐點之后反應(yīng)都達(dá)到平衡,即每一點都是平衡轉(zhuǎn)化率,也就是說兩幅圖中(403℃,40%)以后的點是相同的點,都代表平衡轉(zhuǎn)化率。

圖9

圖10

(四)有參照曲線的作圖

【問題探究4】一定條件下,由CO2和H2制備甲醇的過程中會發(fā)生如下反應(yīng):

當(dāng)其他條件相同時,請在圖11中補充在沒有催化劑作用下CO2的轉(zhuǎn)化率變化曲線。(已知:催化劑未失效)

圖11

【模型應(yīng)用】首先根據(jù)題意讀懂已知圖像的含義。應(yīng)用模型,分析反應(yīng)是否達(dá)到平衡,結(jié)合催化劑可以加快反應(yīng)速率但不影響平衡移動的課本結(jié)論,接下來重點分析沒有催化劑作用下,CO2的轉(zhuǎn)化率變化曲線與有催化劑的曲線有什么聯(lián)系,在上方還是下方?有沒有交點?有沒有重合?交點是否是最高點等問題。根據(jù)投影學(xué)生課堂繪出來的圖像,讓學(xué)生自己分析自己的繪圖思路,重點討論兩個問題:

(1)無催化劑的曲線經(jīng)不經(jīng)過(403℃,40%)這個拐點?

在相同溫度下,有催化劑時的反應(yīng)速率一定比無催化劑時的反應(yīng)速率快,因此無催化劑時,403℃時的轉(zhuǎn)化率一定低于40%。

(2)無催化劑的曲線是否由有催化劑的曲線整體右移得到?

無論是有催化劑的曲線還是無催化劑的曲線,后半段下降都是因為反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài),由于正反應(yīng)放熱,升高溫度平衡左移,CO2的轉(zhuǎn)化率下降,即后半段所有的點都是平衡轉(zhuǎn)化率,而同一個溫度下,只有一個平衡轉(zhuǎn)化率,與有無催化劑沒有關(guān)系,即后面的所有點應(yīng)該重合。至此即可將分析的文字信息轉(zhuǎn)化為圖像信息(如圖12)。

圖12

四、教學(xué)反思

高三復(fù)習(xí)教學(xué)應(yīng)該從新授課的如何“教”轉(zhuǎn)化為如何“學(xué)”,更應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,暴露學(xué)生解決問題過程中不當(dāng)?shù)牟呗院头椒?更有針對性地實施精準(zhǔn)復(fù)習(xí)。讓課堂中問題的預(yù)設(shè)與生成成為學(xué)習(xí)的引領(lǐng),讓學(xué)生在探究問題、解決問題的過程中,構(gòu)建認(rèn)知模型,形成技能,發(fā)展思維。二輪復(fù)習(xí)階段不是對學(xué)生已知知識點的簡單羅列重復(fù),應(yīng)該基于學(xué)生高階思維發(fā)展的需要,讓學(xué)生通過領(lǐng)略知識內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)而更接近知識的本質(zhì),形成系統(tǒng)、有序、多層次的認(rèn)知結(jié)構(gòu)?；诮虒W(xué)要求,把課堂要解決的大問題分成幾個小問題,落實任務(wù)化清單,根據(jù)最近發(fā)展區(qū)理論分塊成幾個小任務(wù),逐一突破和解決。模型構(gòu)建過程中設(shè)計的問題需考慮梯度和廣度,讓每個同學(xué)都有思考的基礎(chǔ)和臺階,提升學(xué)生主動參與課堂的積極性。