提升思维素养的化学课研究——以U形图相关的复习课为例

文/广州市执信中学 龚 磊

一、问题提出

图像题以化学知识为内容载体，以图形为形式载体，可较好地考查学生接受、吸收、整合化学信息的能力，备受命题者青睐。平衡图像是指将化学平衡相关原理应用于一定条件下的可逆反应，借助变量间的制约以二维图的形式来反映产率、产量、转化率与各种因素的关系。平衡图像具有直观、简洁、明了的特点，是化学反应速率和平衡部分的重要题型，可以全面考查各种条件对化学反应的影响，其中的U形图以拐点为分界，两边呈现出不同的变化趋势，更加注重对综合应用能力、分析判断能力等思维素养的考查。高三一轮复习后，学生已具备一定的图像分析能力，但面对错综复杂的影响因素时，学生仍不能灵活运用所学知识解决问题，尤其在多因素影响反应速率与反应平衡的情境中更是束手无策。为此，本文通过化学平衡图像专题复习课进行试探性的研究。

二、思路设计

我尝试发挥典型例题的作用，通过分析不同类型的平衡图像题的思维模型，通过图像帮助学生化抽象为直观，化复杂为简单，从而使学生能从图像中理解概念，从图像中获取信息并寻找解决问题的突破口，形成自己的思维模型。教学中设计五个环节，通过分析高考图像题的命题特点、剖析不同因素对平衡影响的分析思路、提炼该题型的思维模型与反馈练习，层层递进设疑，依次拓展图像的表征形式，深度剖析反应过程与原理，发展学生的思维素养。本节课的教学目标为：1.本节课以U形图为专题，复习不同因素对化学速率和平衡的影响，让学生学会从单因素与多因素影响速率与平衡的角度分析图像问题；2.突出图像的工具性，提高学生接受、吸收、整合化学信息的能力；3.促进学生丰富认识模型并提高认知水平，从而提高学生的解题能力与思维素养。

三、教学过程

（一）分析高考题型特点

通过分析近年的高考试题，发现题目的情境素材往往为相关物理量（如转化率、产率、体积分数、浓度）随时间或温度的变化曲线。问题角度聚焦在速率与平衡两个维度。本专题就从这个图像出发，来剖析不同因素作用于平衡图像时的思维模型。

（二）剖析单因素的影响作用

［第一题］NH3还原氮氧化物技术反应的热化学方程式为：4NH3（g）+6NO（g）⇌5N2（g）+6H2O（g），ΔH=-1811.63 kJ/mol；反应在恒容容器中进行，在其他条件相同时，选用不同的催化剂，反应产生N2的物质的量随时间变化如图1所示。

图1

1.在催化剂A的作用下经过相同时间，脱氮率随反应温度的变化情况如图2所示，据图可知，在相同的时间内，300℃之前之后，脱氮率变化趋势相反（催化剂未失效），其可能的原因是？

2.请在图2中补充在催化剂B作用下脱氮率随温度变化的曲线。

图2

设计意图：外界因素改变，速率和平衡都可能发生改变，学生往往容易将速率和平衡混为一谈，不能辩证分析速率理论和平衡理论的本质区别，不能从实际出发将速率或平衡问题独立分析判断，造成解决问题困难。例如，反应的转化率或者产率随温度发生变化的图像，用速率理论还是平衡理论去分析，学生常常犯难。

本环节通过第一题引导学生思考、辨别、领悟，形成思考的思维模型：速率理论适用于反应的整个过程，而平衡理论只适用于达到平衡的可逆反应。引导学生建立反应的转化率或者产率随温度发生变化的图像的分析思路：达到平衡以前，应用速率理论，温度越高，速率越快，产率或转化率越高；达到平衡以后，应用平衡理论，温度升高，平衡向吸热方向移动。

（三）分析多因素的影响作用

［第二题］以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈（C3H3N）和副产物丙烯醛（C3H4O）的热化学方程式如下：①C3H6（g）+NH3（g）++3H2O（g） ΔH=-515 kJ·mol-1②C3H（6g）+O（2g）+H2O（g） ΔH=-353 kJ·mol-1

图3为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应的温度为460℃。高于460℃时，丙烯腈产率降低的可能原因是什么？

图3

学生丙：从平衡的角度：放热反应，温度升高，平衡向逆向移动，所以产率降低；从速率的角度：副反应增多。

教师提问：催化剂、副反应也属于从速率的角度解释原因，因为平衡的时候不管有没有催化剂与副反应，反应程度都是不变的；那为什么要从这两个角度思考呢？从哪些信息看出来？如果把产率换成平衡产率，又怎么作答？

学生们纷纷陷入沉思，分析后得出：平衡产率只能从平衡理论的角度去作答

教师：本题改编自全国卷，近几年的高考题，纵坐标一般是产率，而非平衡产率，产率和平衡产率是有差别的，这就要求同学们特别注意，需不需要从速率和平衡两个角度来考虑问题。

设计意图：在速率平衡图像中，如果涉及几个因素，学生不仅需要具备有关速率和平衡理论的基础知识，还需要全面分析问题，透过纷繁的现象，发现问题的本质，才能获得问题的正确答案。经历以上的分析，同学们对温度既影响速率又影响平衡有了较全面的认识和理解，对催化剂不影响平衡，但影响速率从而影响达到平衡的时间也有了更加深刻的认识。

（四）总结平衡图像题的思维模型

学生在教师在引导下总结思维模型：1.从反应原理的角度：确定自变量（温度、浓度、压强、催化剂等），针对不同情况，确定用速率或平衡理论分析；2.答题方向：速率的角度：催化剂、副反应、温度、浓度等；平衡的角度：仅温度与浓度（压强本质上是影响浓度）。

四、教学反思

（一）创立情境，提升素养。本节课笔者以U形图为例，分别从单因素与多因素影响速率与平衡的角度分析了不同类型的平衡图像题的解题方法，取得了较好的反响，通过这次实践笔者了解到教师在引导学生思考和解决问题时不仅要善于求同，而且要善于求异，更要善于独立思考，同时同学们通过这节课也进一步提升了思维素养。

（二）精设问题，激发兴趣。本节课以问题为驱动，激发了学生思考欲望，课后笔者还留下了一个疑问让学生课后思考，让同学们根据具体情况的需要和变化，及时提出符合实际解决问题的方法，有利于提高学生解决复杂的、陌生情境的问题的能力。

（三）总结模型，锤炼知识。本节课及时总结了解决此类问题的思维模型，丰富了学生的认识模型，不过思维素养提升不是一蹴而就事情，这需要教师多次和反复实践，让同学们不断积累知识，运用模型，不断提高。