牛 淼

(安徽省合肥市第七中學(xué))

核心素養(yǎng)是學(xué)生應(yīng)具備的、能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)中提出了“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)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”五個(gè)維度的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),再一次凸顯出了實(shí)驗(yàn)探究和證據(jù)推理在課堂教學(xué)實(shí)踐中的核心地位,在素養(yǎng)為本的背景下,一線教師重塑化學(xué)課堂,具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義,也是時(shí)代賦予的重要使命。

化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),實(shí)驗(yàn)探究在課堂教學(xué)中起著舉足輕重的作用,通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生具有證據(jù)意識,基于證據(jù)加以分析推理,建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系,揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。進(jìn)而發(fā)展學(xué)生“發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值的問題,能從問題和假設(shè)出發(fā),確定探究目的,設(shè)計(jì)探究方案,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,在探究中學(xué)會(huì)合作”,較為明確地表述所探究的問題,提升核心素養(yǎng)。下面以筆者實(shí)際教學(xué)“影響化學(xué)平衡移動(dòng)的條件”一課為例作以下闡述。

一、教材分析

學(xué)生在人教版(2019)高中化學(xué)《必修第二冊》的學(xué)習(xí)中已經(jīng)知道外因的變化能使化學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生改變,本節(jié)內(nèi)容既是在必修課程基礎(chǔ)上的延伸,又是選擇性必修教材《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章承上啟下的核心,系統(tǒng)性好,理論性強(qiáng),有利于啟發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究和推理思考。

影響化學(xué)反應(yīng)速率的條件和化學(xué)平衡等知識剛剛學(xué)完,不僅在知識上為本節(jié)的教學(xué)奠定了基礎(chǔ),而且其探討問題的思路和方法,也可以遷移至本節(jié)課來指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。當(dāng)濃度、溫度、壓強(qiáng)等外界條件改變時(shí),化學(xué)反應(yīng)速率就會(huì)發(fā)生改變,相應(yīng)的化學(xué)平衡就有可能發(fā)生移動(dòng),以此引導(dǎo)學(xué)生了解化學(xué)平衡的調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究領(lǐng)域中的重要作用。

教材由探究實(shí)驗(yàn)引入教學(xué),通過對溶液顏色的變化分析,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行證據(jù)推理得出濃度變化對化學(xué)平衡移動(dòng)影響的結(jié)論。在溫度相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析中,歸納出改變溫度時(shí),對吸熱反應(yīng)方向的速率影響更為明顯。壓強(qiáng)對化學(xué)平衡的影響,教材中同樣有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),但“由于手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化,具有幫助學(xué)生探析微觀世界,促進(jìn)學(xué)生對抽象概念的認(rèn)知,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和應(yīng)用信息技術(shù)的能力等一系列教學(xué)功能”,所以可以在此補(bǔ)充一個(gè)手持技術(shù)數(shù)字實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)字實(shí)驗(yàn)曲線,借助壓強(qiáng)和濃度的關(guān)系,證據(jù)推理得出壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動(dòng)的影響規(guī)律。對探究實(shí)驗(yàn)的分析學(xué)習(xí)使得學(xué)生較好地進(jìn)行了科學(xué)方法的訓(xùn)練和核心素養(yǎng)的提升,最終梳理出勒夏特列原理。

二、科學(xué)探究的步驟

提出問題——猜想與假設(shè)——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案——實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證——證據(jù)推理——得出結(jié)論——反思評價(jià)。整個(gè)過程中突出體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位,教師在教學(xué)中的主導(dǎo)作用同樣也不容忽視。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí),引導(dǎo)學(xué)生選擇現(xiàn)象明顯的反應(yīng),做好對照實(shí)驗(yàn);指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中控制單一變量,進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn);疏導(dǎo)學(xué)生低落或亢奮的情緒,共同分析原因,保護(hù)好學(xué)生的求知欲。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段,教師要及時(shí)提醒學(xué)生合作完成觀察、測量、記錄、查閱資料等內(nèi)容,收集證據(jù),進(jìn)行歸納、比較、分類、概括、加工和整理,得出正確的結(jié)論,并督促學(xué)生對探究結(jié)果的可靠性進(jìn)行評價(jià),對探究活動(dòng)進(jìn)行反思,發(fā)現(xiàn)自己和他人的長處和不足,積極表達(dá)與交流,并提出改進(jìn)措施。

三、教學(xué)過程

(一)提出問題,引導(dǎo)學(xué)生猜想與假設(shè)

利用學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和已有知識為基礎(chǔ),提出符合學(xué)生認(rèn)知水平的問題,組織學(xué)生進(jìn)行猜想與假設(shè),發(fā)展“能比較明確地表述所發(fā)現(xiàn)的問題” “敢于質(zhì)疑并提出自己的見解”等能力。

【教學(xué)環(huán)節(jié)一】化學(xué)平衡移動(dòng)含義

【教師】化學(xué)平衡狀態(tài)的特征及實(shí)質(zhì)是v(正)=v(逆),當(dāng)外界條件發(fā)生改變,平衡狀態(tài)是否發(fā)生改變?

【學(xué)生】改變反應(yīng)條件(如濃度、溫度、壓強(qiáng)等),引起化學(xué)反應(yīng)速率變化,如果v(正)≠v(逆),各組分質(zhì)量或濃度就會(huì)不斷改變,從而導(dǎo)致化學(xué)平衡被破壞,一段時(shí)間后,當(dāng)正、逆反應(yīng)速率重新相等時(shí),則建立起新的化學(xué)平衡;如果v(正)=v(逆),則化學(xué)平衡沒有被破壞。

【教師】展示如圖1所示

圖1

【教師】當(dāng)一個(gè)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡后,如果改變反應(yīng)條件,導(dǎo)致舊的化學(xué)平衡被破壞、新的化學(xué)平衡建立,這種現(xiàn)象叫做化學(xué)平衡移動(dòng),平衡具體向哪個(gè)方向移動(dòng)呢?

【學(xué)生】通過比較平衡破壞瞬間的正、逆反應(yīng)速率的相對大小來判斷平衡移動(dòng)的方向。

①引起v(正)>v(逆),則化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向(或向右)移動(dòng);

②引起v(正)

③雖能引起v(正)和v(逆)變化,但變化后新的速率仍保持相等,例如使用催化劑,則化學(xué)平衡不發(fā)生移動(dòng)。

【教師】同學(xué)們的猜想與假設(shè)與化學(xué)反應(yīng)速率的變化緊密相關(guān),為了證明以上結(jié)論,可以從幾個(gè)方面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證呢?

【學(xué)生】影響化學(xué)反應(yīng)速率的外因有四個(gè)方面,其中溫度、濃度易于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

【設(shè)計(jì)意圖】根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)“逆、等、動(dòng)、定、變”的特征,提出為什么會(huì)“變”,如何“變”,“變”的結(jié)果,組織學(xué)生對可能有的答案進(jìn)行猜想與假設(shè),為下一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證做好鋪墊。

(二)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和科學(xué)探究能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié),能夠多方面地提升學(xué)生的核心素養(yǎng),學(xué)生既要將已學(xué)知識綜合運(yùn)用,又要交流完善方案中存在的問題,還要考慮方案的安全性、簡約性和科學(xué)性。

【教學(xué)環(huán)節(jié)二】濃度對化學(xué)平衡移動(dòng)的影響

【教師】設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,探究濃度對化學(xué)平衡移動(dòng)的影響。

實(shí)驗(yàn)藥品:蒸餾水、濃硫酸、6 mol/L NaOH溶液、0.005 mol/L FeCl3溶液、0.01 mol/L KSCN溶液、飽和FeCl3溶液、1 mol/L KSCN溶液、0.01 mol/L NaOH溶液、固體KCl、0.1 mol/L K2Cr2O7溶液。

【學(xué)生】做好對照實(shí)驗(yàn),確?，F(xiàn)象清晰,易于準(zhǔn)確描述。應(yīng)該設(shè)計(jì)四組實(shí)驗(yàn),分別從增大生成物濃度、減小生成物濃度、增大反應(yīng)物濃度、減小反應(yīng)物濃度四個(gè)角度逐一驗(yàn)證。

展示設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告

表1 增大或減小生成物濃度

先向試管中加入8 mL 0.005 mol/L FeCl3溶液和12 mL 0.01 mol/L KSCN溶液,試管中溶液呈紅色,將溶液分成三等份再進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)操作(實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象如表2)。

表2 增大或減小反應(yīng)物濃度

【教師】在FeCl3與KSCN實(shí)驗(yàn)中,如果加入固體KCl,實(shí)驗(yàn)會(huì)有什么現(xiàn)象?

【設(shè)計(jì)意圖】借助課本演示實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)缺少對照實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),難以準(zhǔn)確觀察和記錄現(xiàn)象,培養(yǎng)學(xué)生“理性思維、批判質(zhì)疑、勇于探究”的科學(xué)精神,重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄單,將多而繁雜的信息進(jìn)行梳理。通過FeCl3與KSCN實(shí)驗(yàn)中加入固體KCl,明確了改變與反應(yīng)體系無關(guān)成分的濃度,對化學(xué)平衡無影響,加深對“濃度”內(nèi)涵的理解。讓學(xué)生“能依據(jù)探究目的設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案” “能和同學(xué)交流實(shí)驗(yàn)探究的成果,提出進(jìn)一步探究或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)想”,提升核心素養(yǎng)。

【教學(xué)環(huán)節(jié)三】溫度對化學(xué)平衡移動(dòng)的影響

【學(xué)生】取兩組平衡球,一組為對照實(shí)驗(yàn),另一組分別將兩端放入冷、熱水中觀察,發(fā)現(xiàn)升高溫度,混合氣體顏色加深,平衡逆向移動(dòng);降低溫度,混合氣體顏色變淺,平衡正向移動(dòng)。

【教師】原平衡時(shí)v(正)=v(逆),升高溫度,正、逆反應(yīng)速率同時(shí)增大,然而混合氣體顏色加深,說明平衡逆向移動(dòng)程度更大,這說明了什么呢?

【學(xué)生】化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),改變溫度時(shí),對吸熱反應(yīng)方向速率影響更為明顯。

在其他條件不變的情況下,升高溫度,會(huì)使化學(xué)平衡向著吸熱反應(yīng)的方向移動(dòng);降低溫度,會(huì)使化學(xué)平衡向著放熱反應(yīng)的方向移動(dòng)。

【設(shè)計(jì)意圖】升高溫度,雖然正、逆反應(yīng)速率同時(shí)增大,但不是等倍增大,混合氣體顏色加深,說明NO2濃度增大更多,平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)程度更大,本實(shí)驗(yàn)?zāi)娣磻?yīng)方向?yàn)槲鼰岱磻?yīng)方向,由此得出升高溫度吸熱反應(yīng)方向速率增長更多,v(放)

(三)證據(jù)推理,引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論

“科學(xué)探究不等同于實(shí)驗(yàn),也不只是實(shí)驗(yàn);探究的關(guān)鍵在于好奇心、懷疑精神和求證精神”。取得實(shí)驗(yàn)探究證據(jù)后,學(xué)生要在教師的引導(dǎo)下對證據(jù)進(jìn)行分析、推理,梳理出證據(jù)與猜想、假設(shè)的關(guān)系,運(yùn)用證據(jù)對猜想和假設(shè)進(jìn)行解釋,最終得出證實(shí)或證偽的結(jié)論。

【教學(xué)環(huán)節(jié)四】壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動(dòng)的影響

【學(xué)生】借助手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn),將壓強(qiáng)傳感器直接伸入針筒內(nèi)(圖2),測得反應(yīng)過程中氣體壓強(qiáng)(p)隨時(shí)間(t)變化的曲線(圖3)。

圖2 壓強(qiáng)對平衡的影響裝置圖

圖3 加壓時(shí)NO2和N2O4的混合氣體壓強(qiáng)變化圖

【教師】請對曲線的三個(gè)階段作出分析。第一階段水平線說明什么?第二階段壓強(qiáng)線陡增,主要發(fā)生了什么變化?第三階段壓強(qiáng)線略有下降,最終持平的原因?

【學(xué)生】第一階段是舊的化學(xué)平衡體系,裝置內(nèi)總壓強(qiáng)恒定,為水平線。

第二階段由于壓縮針筒活塞,容器體積迅速減小,單位體積內(nèi)氣體物質(zhì)的量迅速增多,壓強(qiáng)瞬間增大,曲線陡增,該過程主要發(fā)生的是物理變化;

第三階段加壓后,曲線略有下降,壓強(qiáng)有所減小,然而容器體積維持不變,說明發(fā)生了化學(xué)平衡移動(dòng),容器內(nèi)混合氣體物質(zhì)的量有所減少,觀察化學(xué)方程式得出平衡向右移動(dòng)(即向著氣體計(jì)量數(shù)之和減小的方向移動(dòng)),主要發(fā)生的是化學(xué)變化。

【教師】縱觀整條曲線,壓強(qiáng)先增大后略有減小,減小的程度與之前壓強(qiáng)增大的幅度相比弱很多,這說明什么呢?

【學(xué)生】可見化學(xué)平衡移動(dòng)只能小幅度地減弱外因的影響,不可能完全抵消外因的改變量,新平衡時(shí)的壓強(qiáng)仍比舊平衡大。

【學(xué)生】壓縮針筒,容器體積減小,混合氣體物質(zhì)的量濃度增大,紅棕色先加深。由于NO2濃度增加更多,所以v(正)>v(逆),平衡向右移動(dòng),氣體顏色略有變淺。

【學(xué)生】各組分的濃度增大,顏色加深;本反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體計(jì)量數(shù)之和不變的反應(yīng),所以不會(huì)發(fā)生化學(xué)平衡移動(dòng)。其他條件不變時(shí),有氣體參加且反應(yīng)前后氣體計(jì)量數(shù)之和發(fā)生改變的反應(yīng)中,增大壓強(qiáng),平衡向氣體計(jì)量數(shù)之和縮小的方向移動(dòng);減小壓強(qiáng),平衡向氣體計(jì)量數(shù)之和增大的方向移動(dòng)。反應(yīng)前后氣體計(jì)量數(shù)之和沒有變化的反應(yīng),改變壓強(qiáng)平衡不移動(dòng)。

【設(shè)計(jì)思路】借助手持技術(shù)完成常規(guī)實(shí)驗(yàn)解決不了的探究問題,充分利用數(shù)據(jù)曲線引導(dǎo)學(xué)生比較、歸納、概括,運(yùn)用證據(jù),結(jié)合壓強(qiáng)和濃度的關(guān)系對結(jié)論進(jìn)行解釋。培養(yǎng)學(xué)生“能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系,確定形成科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑”,進(jìn)行科學(xué)方法的訓(xùn)練和核心素養(yǎng)的提升。

(四)及時(shí)反思評價(jià),督導(dǎo)學(xué)生素養(yǎng)提升

反思與評價(jià)是素養(yǎng)發(fā)展的核心部分,可以使學(xué)生“具有終身學(xué)習(xí)的意識和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度”。實(shí)驗(yàn)探究得出結(jié)論后,組織學(xué)生及時(shí)反思整個(gè)過程:提出的問題是否全面,猜想與假設(shè)全部還是部分得到證實(shí)或證偽,設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案是否科學(xué)合理,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是否操作正確,收集的證據(jù)是否可靠,得出的結(jié)論是否準(zhǔn)確。

【教學(xué)環(huán)節(jié)五】勒夏特列原理及其局限性

【教師】本節(jié)課我們從濃度、溫度、壓強(qiáng)的角度得出了很多結(jié)論,反思這些結(jié)論,我們總結(jié)出了一條共同的規(guī)律,你能發(fā)現(xiàn)嗎?改變影響化學(xué)平衡的一個(gè)因素,平衡將向能夠減弱這種改變的方向移動(dòng),這就是法國科學(xué)家勒夏特列在1888年通過大量實(shí)驗(yàn)后,反思總結(jié)出的重要原理。通過該原理我們得到了哪些啟示?

【學(xué)生】科學(xué)家不是天生而成,只是他們更加善于總結(jié)與反思!勒夏特列原理中的“減弱”這種改變,不是“消除”改變。勒夏特列原理只考慮有單個(gè)條件改變。另外勒夏特列原理只能表示平衡移動(dòng)的方向,不能預(yù)測達(dá)到新平衡所需要的時(shí)間和反應(yīng)轉(zhuǎn)化的具體程度。

【教師】同學(xué)們說得非常好!下面我們也來試著總結(jié)和反思,畫出分析化學(xué)平衡移動(dòng)一般思路的思維導(dǎo)圖,找出勒夏特列原理使用時(shí)需要注意的問題。

【學(xué)生】思維建模,展示如圖4所示。

圖4 思維建模

【設(shè)計(jì)意圖】基于科學(xué)史的探究教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法、科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度,幫助學(xué)生了解在科學(xué)研究的漫漫長河中,我們今天所學(xué)的化學(xué)知識是科學(xué)家們通過不懈的科學(xué)探究,不斷地反思總結(jié),客觀地論述評價(jià)所得出的?！八季S建模的方法適用于自我建構(gòu)知識,是教師創(chuàng)設(shè)建構(gòu)主義課堂的一把鑰匙”,借助思維建模分析勒夏特列原理的局限性,既可以梳理出分析化學(xué)平衡移動(dòng)的一般思路,又可以有效規(guī)避使用誤區(qū),培養(yǎng)“尊重事實(shí)和證據(jù),不迷信權(quán)威,具有獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑和批判”的創(chuàng)新精神。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課通過設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和思維發(fā)展的教學(xué)環(huán)節(jié),利用科學(xué)探究的方式讓學(xué)生尋找證據(jù),推理建模,領(lǐng)悟科學(xué)精神。著名心理學(xué)家威廉·詹姆斯說過:“人性中最本質(zhì)的愿望,就是希望得到贊賞”。在科學(xué)探究的過程中,對學(xué)生的積極表現(xiàn),教師要及時(shí)給予評價(jià)和肯定,對錯(cuò)誤的回答,也要給予鼓勵(lì)和正確的引導(dǎo),讓學(xué)生在輕松、活躍的氣氛下碰撞出知識的火花,有利于知識的構(gòu)建,有利于化學(xué)核心素養(yǎng)的落實(shí)。