化学平衡教学中的学生核心素养培育

2018-02-05倪志刚

化学教学 2017年12期

关键词：单元教学设计教学思路教学策略

倪志刚

摘要：梳理了中学化学中化学平衡单元的主要内容，认为化学平衡单元教学可养育学科核心素养。提出化学平衡教学中培育学生核心素养的基本策略与思路，要重视解决教学难点，培养关键的抽象思维能力。简述化学平衡单元教学设计要点。

关键词：化学平衡教学；核心素养培育；教学策略；教学思路；单元教学设计

文章编号：1005–6629（2017）12–0019–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 中学化学中化学平衡单元的主要内容

物质为什么会发生化学反应、怎样判断化学反应的方向、改变化学反应进行的程度、控制化学反应的快慢，是深入认识化学反应的几个重要问题。前两个问题跟反应体系的自由能变化有关，全国版化学选修教材是有所涉及的，上海教材根据上海市《高中化学课程标准》及《上海市高中化学学科教学基本要求（试验本）》*没有涉及。后两个问题跟化学平衡理论和化学反应速率理论有关。这两个理论对深化认识化学反应、指导科学实验和生产实践有重要价值，是学生深入学习元素化学以及电解质电离理论等知识的重要理论基础。

笔者根据全国《普通高中化学课程标准（实验）》、上海市《普通高中化学课程标准（征求意见稿）》以及现行的《上海市高中化学学科教学基本要求（试验本）》制成表1，分别列出了它们对化学平衡教学内容的安排情况。

由表1可见，中学化学中化学平衡单元的内容主要包括可逆反应、化学平衡状态、化学平衡移动、影响化学平衡移动的因素、勒夏特列原理及其应用、化学平衡常数表达式与应用等。

化学反应速率概念、影响化学反应速率的因素等跟化学平衡有着密切的联系，可以作为学习化学平衡单元的基础。

2 化学平衡内容的教育功能

本文所谓“学科核心素养”是受学生发展核心素养约束和指导，为学生发展核心素养的养成服务的。它包含3个层面的内容：化学教学层面、科学教育层面和涵盖所有教育教学领域的上位层面。各层面都包含核心观念、关键能力及方法策略和重要品格3方面的内容。

弄清具体教学内容对培育学科核心素养的可能性，是学科教学中培育学科核心素养的重要前提。根据对内容的深入分析和教学经验，我们认为化学平衡单元的主要内容具有养育表2中所列学科核心素养的可能性。

对表2右列内容进行概括、整理，得到化学平衡单元可养育的学科核心素养如表3。

基本观念是核心素养的重要组成部分。有人提出，“平衡观”是化学的基本观念，在化学平衡教学中必须重视“平衡观”的教育。对此我们认为，通过化学平衡教学使学生体验乃至认识到平衡是可变的而不是不变的、是相对的而不是绝对的、是动态的而不是静态的、是一时的而不是永远的，平衡是客观世界的一种运动状态……这是有必要的。不包含上述内容的“平衡观”是有重大残缺的，跟上述内容对立的“平衡观”则是错误的。然而，把平衡观说成是化学的基本观念也是不妥的。其理由是：

（1）平衡现象在许多领域或学科中都存在，不是化学学科专有。例如，物理学中有力的平衡、生物学中有生态平衡，在社会领域中有产销平衡、进出口平衡、各种发展平衡等等。

（2）“平衡”不是化学的基本问题。作为基本问题，应该是贯穿于化学的全部历史，长期发挥作用、具有永恒魅力的问题，而“平衡”不是这样的问题，很难拓展、带动、包容化学学科中其他内容发展，很难在化学学科及其发展中起核心作用，其根本原因在于：物质及其化学运动并不依赖于“平衡”，反倒是“不平衡”常常引发化学变化。人们研究化学平衡的目的，也并不是为了保持平衡状态不变，而是有效地改变外界条件，使化学平衡向有利的方向移动。

化学平衡状态在宏观上是难以直接观察的，其微观解释涉及微观粒子的统计表征，学生难以把它跟宏观描述直接联系起来，因而理解和掌握化学平衡需要有较强的抽象思维能力，其难度高于化学反应速率和化学键等。这意味着抽象思维能力是学习化学平衡的关键能力。

同時，没有基本观念的指引，没有探求真理锲而不舍的精神，没有应对复杂问题的从容、冷静态度，没有合作、讨论的意识意愿与能力态度等优良品质“保驾护航”，学生是难以自主、有效地完成化学平衡学习的。

3 化学平衡教学中培育学生核心素养的基本策略

学生发展核心素养具有社会性、实践性、发展性和后天养成性等基本属性，由此可以制订它的养育策略：

●构建适宜的社会性教学环境。学生发展核心素养反映了一定时代社会的特点和要求。只有在良好的社会环境中才能有效地养育、稳定与强化学生的社会性素养。为此，应积极设置蕴含社会性内容的教学情境，包括应用声像材料和现场考察等。必备品格通常在社会交往中表现，教学交往是一种社会性活动，是教学的社会性微环境，要重视通过教学交往活动使某些必备品格萌生、强化、校正。

●设计相应的实践活动。核心素养是社会性、实践性活动的成果，离开了社会性、实践性活动，它就难以形成，也谈不上发展性，谈不上后天养成性。就能力而言，能力是在活动中形成和发展的，实践活动对于关键能力的养育是有特别意义、必不可少的。因此，设计好相应的实践活动，是化学平衡教学中培育学生核心素养的一个关键。

●提供必要的背景知识。背景知识既能揭示学习内容的社会性蕴涵，又能揭示学习内容的过程方法蕴涵、逻辑蕴涵、发展历史蕴涵等等学科蕴涵，能强化教学情境，对学科核心素养的培养起到特别的作用。总之，要注意发挥背景知识对于核心素养培育与养成的特殊意义。endprint

●核心素养需要以有关的知识技能和心理活动等作为载体，否则，它既难以形成，也难以表现和发挥核心作用。它跟“三维目标”不是替代关系，而是内核与拓展、筋骨精髓与血肉、“结晶”与基础的关系。要养育核心素养，必须明确“三维目标”，切实实现“三维目标”。

●知、情、行、意联动。知、情、行、意联动是形成优良品格的重要途径，对于优良品格的养育具有特别的意义。只有实行知、情、行、意联动，才能使学习活动有效地进行，并且实现活动效果最大化。

●注意发挥核心素养评价的激励、强化和推动作用。

●按照计划，逐步推进[4]。

从上述策略出发，在化学平衡教学中应注意开展表4中的相应学习活动。

由表4可见，“思考，交流讨论”和“实验研究”是化学平衡教学中培育核心素养的主要环节和关键。“阅读资料”则可以弥补“实验研究”和“思考，交流讨论”的不足，可以从广度和深度两方面提升思考和交流讨论的水平。

4 重视解决教学难点，培养关键的抽象思维能力

一般说来，学生学习化学平衡的困难首先在于化学平衡状态的判断。这部分内容题型较多，学生如果只是一般地理解化学平衡状态的概念和特征，就容易被表面现象迷惑，不能透过现象看本质，仍难以判定化学平衡状态，使化学平衡的概念建立和判断成为教学难点（例如组分浓度/含量比较问题、涉及转化率的问题、涉及守恒关系的问题等）。

其次，学生学习化学平衡的困难还在于应对复杂的平衡问题时感到困难，例如复杂的化学平衡曲线问题、密闭容器充气问题、惰性物质影响问题、等效平衡问题等。

解决不了化学平衡的学习困难，基本观念的培育就没有了基础，优良品格的培育也失去了依附。为了克服化学平衡抽象性导致的学习困难，可以采取下列对策：

（1）利用难度较小、比较直观易懂的实验（例如溶解平衡趣味实验等），以及人类解决某些化学平衡问题的实际例子（例如高炉煤气问题），来帮助学生建立有利的经验基础。我们曾经在研究中发现，同是“平衡”，对学生来说，物理学中的平衡和生物学中的生态平衡都不难理解和接受，唯独化学平衡的学习困难很大[5]。这意味着：物理学中的平衡和生态平衡是可以作为学习化学平衡的“垫脚石”的。

（2）利用浓度、温度等外界条件对化学反应速率的影响等先学内容进行迁移（同时也要防止干扰）。

（3）在学习影响化学平衡移动的因素时，首先着力抓好浓度影响的学习。

（4）通过典型实例的分析，引导学生概括学习内容、总结有关的规则，用好化学平衡的“6字真经”：“逆”——可逆反应；“动”——动态过程；“等”——正、逆速率相等；“定”——各组分的浓度不变；“变”——条件改变后，建立新的平衡；“同”——无论正向反向，只要条件不变，平衡状态相同，与路径无关等等。突出关注前提条件“逆”，明确“等”是根本特点、“定”是外表特征，学习利用“同”（根据平衡不受路径影响，设想适当的中间步骤，分步解决问题）。

（5）让学生学会用数形结合方法绘制有关的化学平衡图像。

（6）复杂的平衡问题可以在复习阶段再予以解决。

（7）针对学生学习存在的问题，适当地组织解题练习。

5 化学平衡单元教学设计要点

5.1 教学的基本思路

●让学生自主地阅读课本和补充材料、实验、思考，以利抽象思维能力的养成。

●抓好集体交流讨论，发挥教师的点拨、启发、引领作用，保证教学效果。

●组织学生练习与自测；师生共同点评学习过程及学习结果。

●积极联系化学反应速率及其影响因素的学习成果；在后期学习电离平衡、水解平衡以及配位平衡时，注意强化、升华对化学平衡的认识。

●分层次、分步骤，有计划地组织有关练习。

5.2 课的问题结构

（观察、阅读）→

→如何解释许多化学反应不能百分百进行的事实？（提出化学平衡概念）→

→化学平衡有哪些特点？根本的特点是什么？如何进行判断？→

→如何解释可逆反应进行程度变化的事实？（提出化学平衡移动概念）→

→影响化学平衡移动的因素有哪些？它们是怎样影响的？怎样进行概括？→

→研究化学平衡有哪些实际意义和理论意义？怎样深化对化学平衡的研究？

5.3 课时结构

学生按照学案自学→集体交流讨论……反复进行。

附：阅读材料1 炼铁炉怎么成了煤气炉[6]

说起炼铁，我们都熟悉它的化学原理是用一氧化碳使铁的氧化物还原，也能熟练地写出有关的化学方程式：

C（焦炭）+O2=CO2

CO2+C=2CO

Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2

原料：铁矿石、焦炭、氧气（空气）

产品：（生）铁和高炉煤气

主要设备：炼铁（高）炉

可是，为什么要用高炉来炼铁？炼铁炉怎么会生产煤气？为什么不把一氧化碳全部用于炼铁呢？说起来，这里面还有故事呢！

15世紀时，由于铸造火炮的需要，炼铁技术在欧洲得到较快发展，到16世纪时欧洲已普遍采用竖炉冶炼。欧洲早期的竖炉多呈方形，用石块砌成，炉身较矮，炉缸边长1米多，有一个鼓风口和一个流出口，日产量不到1吨。到了17世纪，炉子明显加大增高，产品指标也有显著改善。

然而一个问题困扰着人们：竖炉排出的气体中含有大量的CO，同时还含有大量的氮气和二氧化碳，这种煤气的热值非常低，标态下低位发热量只有约3320kJ/m3（常用的人工煤气热值为16000～ 24000kJ/m3，天然气热值约为36000kJ/m3），使其应用受到限制，降低了焦炭的利用率。为了解决这个问题，人们逐步加大炼铁炉的高度，以增加CO和铁矿石的接触时间，让CO充分地跟铁的氧化物反应。这样做起初尚有效果，可是等到CO含量降低到25%左右后，再怎么增加炼铁炉高度，CO含量基本上就不再降低了。endprint

类似的情况可不少，这引起了许多化学家的研究兴趣。当然，他们是选择适宜在实验室开展研究的化学反应进行研究，而不是直接以炼铁过程作为研究对象。例如，1850年，威廉米{L. F. Wilhelmy，[法]}用旋光仪测量蔗糖水解反应；1861～1863年间，贝特罗{P. E. M. Berthelot，[法]}等人研究了醋酸和乙醇的酯化反应；1864～1866年间，哈库特{A. G. V. Harcourt，[英]}和艾逊{William ESSON，[英]}研究了高锰酸钾氧化草酸的反应；1864年，古德贝格{N. C. M. Guldberg，[挪]}和瓦格{P. Waage，[挪]}完成了大约300个实验……

威廉米发现，在一定量水中，在时间间隔dt内，转化了的蔗糖量dM跟当时尚存的蔗糖量M成正比，即-dM/dt=kM（k称为速度常数，与M无关）。贝特罗等人的研究结果是：“在任何一瞬间，酯形成之量与反应物质量的乘积成比例，与溶液体积成反比。”他们还发现逆向的皂化与酯化反应都不能进行完全，最后都会达到平衡状态：各物质（醋酸、乙醇、乙酸乙酯和水）间的比例总是确定的。哈库特和艾逊则发现“一个化学反应的速度跟反应物的量成正比”。古德贝格和瓦格提出：一个化学过程，总有两个方向相反的力同时在起作用，一个推动新物质的生成，另一个帮助新物质再生成原物质，当两个力相等时，体系便处于平衡态。他们称这种平衡为“可移动平衡”并总结出两条规律：（1）质量的作用，也就是力的作用，与它们本身的质量的乘积成正比；（2）如果相同质量的起作用物质包含在不同的体积中，这些质量的作用是与体积成反比，并把单位体积中的反应物分子数（浓度）称为“有效质量”。上述研究成果后来被概括为“质量作用定律”（化学反应的速率跟反應物浓度的乘积成正比）。当时人们把浓度与质量混淆不分，而且出于对牛顿力学的崇拜，把许多作用都称为“力”，显示了历史的局限性。