“速率-平衡”图像问题解决模型构建的教学思考

陈艳 李发顺

摘要：“速率一平衡”图像题变化多，形式多，考查角度多，干扰因素也多，学生在答题时往往找不到切入口或答题点。作者在教学实践中从教材中溯源，以例题为起点，构建思维模型，运用模型并进行修正完善，围绕认知模型的构建和应用，引导学生学会找答题角度和正确描述，提升证据推理与模型认知能力，实践高阶思维课堂。

关键词：“速率一平衡”图像;变式;模型构建;模型运用;模型修正

文章编号：1008-0546（2019）12-0011-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.004

一、化学反应“速率—平衡”图像研究的价值和意义

化学学科核心观念之一是“变化与平衡”，诊断学生对此观点理解程度的选考化学试题，以化学学科工业生产和社会热点问题为背景，设计层级递进的问题，从识图到用图，再到作图，实现对化学学科核心知识、学科能力和学科核心素养的考查。“速率一平衡”图像是利用数学工具对化学反应过程进行直观描述的表征，在一张图中，可以是单一变量，也可以是多个变量，可以是单独趋势图像，也可以是多趋势图像，可以做到对化学反应过程的多重表征，能够充分考查学生获取信息、整合信息和应用信息的能力。这类图像试题的背后可以是单一反应，也可以是多个反应叠加（竞争反应或连续反应）。选考试题命制往往借助真实工业生产情境中某几个环节，运用我们熟知的速率与平衡含义、影响因素和定量分析等视角研讨与解决问题，以诊断学生化学学习的理论与工业生产结合水平。试题命制中的图像从理论表征走向实际图像分析，因此，随着教学情境走进工业生产与生活现场，试题更侧重于化学原理在实践中的考查。尤其是数字化实验的不断普及，对实验过程或工业生产过程数字化描述的图像试题，在选拔性测试中比重明显增大。

试卷中的平衡图像大多来源于工业实际，往往是多因素、多反应、多方向图像，而非实验室条件控制下的单因素、單反应、单方向图像，对学生的理解能力要求很高。学生虽然趟过了题海，但面对陌生的反应体系，陌生的多重图像表征，很难与平时学习中程式化试题的基本原理联系起来，对试题产生惧意，答题角度不合理，甚至无从下手。

教学实践中，往往将一些已知知识和理解方法通过归纳、演绎、类比的方法构建一个思维模型。利用这个模型揭示研究对象的特征和本质，这一过程，称为模型认知。通过构建化学平衡图像认知模型，帮助学生形成结构化的“速率一平衡”理解。以期学生面对纷繁复杂的陌生图像情境，能够排除干扰，在教材中找到知识原型，回归到化学的基本反应原理和物质结构知识中去，并在变式训练修正自己的思维方法与认知，熟练应用并完善修正模型，以提升学生对“速率一平衡”试题模型的理解、构建与应用。

笔者以高三选考复习图像为例，分析和研究了近几年出现的新图像，从错综复杂的表象发掘基本的化学原理，帮助学生把陌生的信息转化为熟悉的基本原理，将图像变化与所学知识联系起来，快速准确答题。

二、教学目标、评价目标和模型认知

1.教学目标与评价目标

（1）在典型例题的研讨中，诊断学生对反应速率、反应平衡概念及速率影响因素、平衡影响因素的回忆;学生通过速率图像的分析，学会找出影响图像变化的变量，将图像的变化读出为影响因素的影响，顺利得出结论。

（2）学生在变式训练，通过图像进行推理，揭示图像本质，再通过复杂三维、多维图像的梯度训练，应用思维模型并修正自己的认知模型，将孤立的速率、平衡、平衡影响因素、平衡移动方向判断等知识结构化，发展学生的证据推理和模型认知能力。

（3）通过解决例题与变式，整合速率图像、平衡图像、速率一平衡图像，抽象出问题解决思维模型，在模型运用中修正完善模型，培养学生严谨的思维习惯和科学探究能力，提升学生的终身学习能力。

三、课堂实践

1.构建速率图像问题解决模型

从苏教版《必修2》3 1页反应速率与时间的反应关系图像出发。为了研究碳酸钙与稀盐酸反应的反应速率，一位同学通过实验测定反应中生成的CO2气体体积随反应时间变化的情况，绘制出CO2体积与反应时间的曲线，如图2所示（该反应是放热反应），请分析讨论以下问题。

①在O-t1、t1～t2、t2～t3各相同的时间段里，反应速率最大的是__时间段，收集到气体最多的是__时间段。

反应速率我们通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示，如果要用CaCO3、CO2等来表示反应速率，就无法在此用浓度进行表示，需要同学们找到更加合适的表示方法，如单位时间内质量、物质的量、体积等的变化也是可以的，知识的宽度拓展。

②试分析三个时间段里，t1～t2反应速率快于0-t1的可能原因__。

③试分析三个时间段里，t1-t2反应速率快于t2-t3的可能原因__。

④问题②和③表示出反应的快慢，从图2中来观察，最直接的感觉是什么？

⑤请根据信息画出反应速率与时间的关系图（图3：v（CO2）-t）。

⑥还可以用什么量的变化表示反应速率？如果要用产物p（CO2）-t来表示反应过程的速率，图像会是什么样的？

上述试题来源于课本，又在原有的问题上进行了重新设计，学生在回答问题过程中，首先学会读取横纵坐标，知道其代表意义，读取图线的变化趋势，对图形信息进行加工、分析，得出恒压下速率变化导致V（CO2）变化，学会用气态物质体积变化来表示反应速率。进而分析影响速率的不同因素是酸的浓度与反应温度（此题未考虑固体表面积和催化剂），表示方法从单位时间浓度变化到气体体积变化也是可行的。为后续恒容下单位时间内气体压强变化来表示反应速率设置阶梯。从t1～t2反应速率快进行分析，有利因素是反应放热，不利因素是反应物减少，导致盐酸浓度下降等。图像反映的是速率变大，说明有利因素强于不利因素。同样可以分析t2～t3的速率下降的原因是浓度减小强于反应放热，导致反应速率减小。从而得出多因素对反应速率影响时，要从同向影响与反向影响两个角度考虑。基于这样的思考，构建速率问题思维模型，如图4。

模型运用1：某小组利用H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液反应来探究“外界条件对化学反应速率的影响”。实验时，先分别量取两种溶液，然后倒入试管中迅速振荡混合均匀，开始计时，通过比色法（测定褪色所需时间）来判断反应的快慢。实验过程中保持恒温，测定该反应的反应速率与时间的关系如图5所示。为什么反应速率先缓慢上升后快速上升？

确定题目考查角度是速率变化原因。利用上述速率问题思维模型，从影响反应速率的因素中进行筛选，在排除了浓度、温度、压强等因素外，随着反应进行，反应物浓度下降，此时反应速率应该变慢才合理，而反应却是速率变快，思考的视角就只能转向催化剂。但图像是先缓慢上升后快速上升，这告诉我们不仅是产生的催化剂，还说明催化剂的浓度大小也会影响反应速率，则更进一步说明催化剂是反应过程中产生的物质或微粒，把学生思维从催化剂有无对反应速率影响推进到催化剂多少也会对反应速率的影响。由于变化后仍然留在溶液中的只有MnO4^-还原生成的Mn²⁺，所以解答时就可以从Mn²⁺产生并作催化剂角度进行回答。若在此时再让学生回答速率达到最快后为什么会快速下降呢？这样设计的问题，再一次把学生从催化剂的角度拉回综合思维，再次回到多变量问题。

模型运用2：以二氧化钛表面覆盖CuzAl2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图6所示。250～400°C时，随温度升高乙酸的生成速率先降低后升高的原因是什么？

首先确定题目考查角度中速率变化原因。认识图像横坐标与纵坐标的意义，催化效率与温度关系，很显然我们的思考角度就定下来了，不用去考虑催化剂的多少的影响。而转向考查催化剂活性问题（或催化剂随温度升高而分解），随温度升高，催化剂的催化效率下降，催化剂的催化效率下降的影响超过了温度升高的影响，乙酸的生成速率下降，超过300°C时，温度升高的影响超过了催化剂催化效率下降的影响，乙酸的生成速率上升。也有的试题考查角度不是催化剂发生分解或活性下降，而是原有的主反应进行同时，副反应突然增强，或是反应物（生成物）发生了其它反应，导致某一物质浓度突然变大或变小。基于上述两点思考将速率问题解决模型作如下完善，如图7所示。

①请描述曲线（CO2转化率随着温度）变化趋势？后半段下降的原因？前半段升高的原因？前半段反应有没有达到平衡？说出判断的理由。

②在该图上画出CO2平衡转化率随温度变化的曲线。

③工业上选择反应条件（假定催化剂在选定温度下活性最强），选择多高的温度最合适，说出理由。

④若将此反应放在恒容绝热容器中进行，跟上述③选定温度下平衡时产率会怎样变化，请说出理由。

⑤若将此反应放在恒压容器中进行，与原题相同时间测定CO2转化率，其变化曲线可能是怎样的？

解答这类问题，首先读取横坐标与纵坐标含义，这是CO2转化率与温度关系图，图像变化趋势是先增大后减小，转折点对应温度与转化率是解答此题的关键点。转化率可以分为非平衡时转化率和平衡时转化率，非平衡时转化率与速率相关，平衡时转化率与平衡程度相关。纵坐标并没有指明是平衡转化率，这就意味着还有可能是某一温度在相同时间的转化率，这就意味着与反应速率有直接的关系。然后再比较相同时间测试的转化率，从温度出发，分析速率的变化，随温度升高，速率越来越大，转化率越来越大，而后来转化率下降，说明已达平衡，升高温度，平衡逆向移动。问题②在问题①解决的前提下，画出CO2在不同温度下的平衡转化率图像，如图9，也让学生对平衡图像和非平衡图像有更深的理解。

在问题②的基础上，再提出选择工业生产条件，既要考虑速率问题，又要考虑平衡转化率，这就是问题③。问题④、⑤对学生思维要求则要从温度对平衡影响、压强对平衡影响两个角度探讨CO2平衡转化率，虽然一个要答平衡产率，一个是作图，其本质其实都是考查新平衡相对于原平衡的移动。基于上述问题构建“速率一平衡”图像平衡问题解决模型，如图10。

问题①在A、B曲线对比，确定B曲线为非平衡态，从速率角度分析，升高温度，速率加快，B曲线逐渐逼近A曲线，关注平衡态和非平衡态图形的差异，感受吸热反应和放热反应平衡态图形的差异。问题②考查温度对反应速率的影响，学生都关注过温度对反应速率影响远大于浓度对速率的影响，而且是指数次方增长，考点通过图像展示，需要学生学会观察与比较。问题③实则考查平衡常数含义与平衡移动，这里突出了敞口，也就是产生的CO2可以不断的散失，Qc

模型运用2：用氨气催化氧化NOx可以消除氮氧化物的污染。如图12，采用NH3作还原剂，烟气以一定流速通过两种不同催化剂，测量逸出气体中氮氧化物含量，从而确定烟气脱氮率（即氮氧化物转化率），反应为：NO（g）+NO2（g）+2NH3（g）≒2N2（g）+3H2O（g）。

①催化劑①和催化剂②分别适用的温度？

②判断该反应的放热和吸热反应类型？

③A点的脱氮率是平衡时的脱氮率吗？

④A点后脱氮率下降的原因？

对于这些转化率随着温度变化不是单调递增或递减的图像，首先要引导学生找出温度升高（或降低）平衡移动方向，从而判断正反应（逆反应）的吸热还是放热，然后再运用温度对“速率一平衡”的影响作出对图像异常段的判断，并从速率、平衡两个视角，根据可能的影响因素找出合理的解释。根据认知模型，首先判断脱氮率是否为平衡时的脱氮率，需要判断该反应的热效应，利用450°C以上的B曲线，确定该反应为放热反应，平衡时的转化率逐渐下降，低于450°C时，平衡脱氮率肯定高于B点，A曲线脱氮率低的原因可归结为速率，那A曲线下降的原因是因为催化剂活性下降导致的速率下降，其它问题迎刃而解。

模型运用3：甲醇是重要的化工原料，又可称为燃料。利用合成气（主要成分为CO、CO2和H2）在催化剂的作用下合成甲醇，发生的主反应如下：

该题型是多反应方程平衡体系，体系中的三个反应相互关联，相互制约，尤其是反应②和③还是竞争反应关系，不论题型如何变化，均可归结为速率因素影响和平衡移动因素影响，根据认知模型，判断CO转化率属于平衡转化率，需要依据平衡移动方法来分析转化率，升高温度，反应①平衡逆向移动，反应③正向移动，所以CO的转化率降低。

四、教学思考

1.变化问题设计，构建并修正速率思维模型

速率图像研讨环节，从简单的速率时间图出发，从图像直接感知速率相对大小，将选择题改编为阶梯式问题，增加速率表示方法、从V-t图转换成p-t图进行研究讨论，利用书本中的例题构建思维模型（浓度、温度、压强、催化剂对反应速率的影响）。模型运用1环节选择经典问题从反应中产物起到催化剂作用到催化剂的量的多少对反应速率的影响，提升学生研究反应过程中不只是关注题设给定的反应物、生成物及反应条件，还要关注反应过程产生的新物质对反应的影响。模型运用2从催化剂可能发生的转化与活性变化来研讨化学反应速率影响因素。学生解答问题过程不只是模仿例题获取相对合理的答案，更要思考这些问题为什么要这样答，怎样想到从这些角度去答，还可能有什么样的思维角度。修正自己意识中的速率问题思维模型，只有这样不断的思维碰撞、模型修正，才能实现深度学习。

2.由简到杂，由浅入深，孤立知识结构化

“速率一平衡”图像不仅涉及速率对反应程度的影响，同时还涉及平衡移动对反应程度的影响。在解题中，关注转折点，将图像分成两部分：非平衡态和平衡态，将问题区分为速率问题和平衡移动问题，让学生对图像的认识回归到化学反应的基本原理中去。该思维模型拨云见日，注重了认识思路的显性化和结构化，不同变式问题由易到难，将分散、孤立的问题层级化，帮助学生构建完整的思维体系，从单一反应到竞争反应或连续反应研讨“速率一平衡”图像问题，通过对原始问题进行加工与改造，唤醒学生，让其在不同情境下，依然懂得利用认知模型解决问题，培养了学生的终身学习能力，这正与我校育人目标：“在校发展最大化，终身发展潜力最大化”相一致。