指向化学学科核心素养发展的单元整体教学设计
2024-07-08蔡敬华
蔡敬华
［摘 要］文章基于学生化学学科核心素养的发展需要，根据人教版选择性必修教材对“化学平衡”的内容选择、编排顺序和呈现方式，从学生的学习实际出发，结合学生的认识发展特点，从工业合成氨中化学平衡状态的特征、化学平衡常数及其应用、化学平衡的影响因素三个内容展开教学设计，实施指向核心素养发展的“化学平衡”单元整体教学，并归结教学反思。通过本单元内容的教学，使学生的变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等学科核心素养得到进一步发展。
［关键词］ 化学学科核心素养；单元整体教学；化学平衡；教学设计
［中图分类号］ G633.8 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-6058（2024）14-0070-07
《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中指出：学生化学学科核心素养的发展是一个持续进步的过程，因此，教师应依据化学学科核心素养的内涵及其发展水平、高中化学课程目标、高中化学课程内容及学业质量要求（包括学业要求和学业质量水平），结合学生已有经验，对学段、模块或主题、单元和课时教学目标进行整体规划和设计［1］。做好单元教学设计，不仅能使教师更好地解读教材，按照学习进阶设计学习内容，把握教学内容的深度和广度，而且能使学生在学习的过程中对知识有系统的理解和认识，学会寻找知识点间的关系，建立系统的知识体系。
单元整体教学设计是在充分的学情分析的基础上，对单元教学内容进行的整体设计，它需对单元教学内容的地位和作用、各知识点之间的结构、体现的思想方法、完成学习任务需要的从属知识技能、与本单元相关的知识和思想方法等进行综合分析［2］。
“化学平衡”是选择性必修模块基本概念、基本理论学习的中间环节，承担着回顾、总结、深化前面所学知识和提升学生认识化学研究及应用价值的双重任务；为培养学生分析、处理实验数据以及从数据中获得信息、总结规律的能力奠定基础。同时，化学反应的限度是认识化学反应的一个必不可少的维度，化学平衡还与后续的电离平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡等学习内容有着密切的联系，在选择性必修模块学习中起着承上启下的作用。2020年修订的新课标对该主题的学业要求是：①能书写平衡常数表达式，能进行平衡常数、转化率的简单计算，能利用平衡常数和浓度商的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。②能运用浓度、压强、温度对化学平衡的影响规律，推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化，能讨论化学反应条件的选择和优化［3］。
一、指向核心素养发展的单元整体教学分析
（一）单元知识内容分析
人教版教材将本单元内容分为三个部分：首先，延续必修中的可逆反应的定性内容，以工业合成氨这个可逆反应为背景，通过对比正反应和逆反应最终到某个时刻各物质的浓度不再改变，引出化学平衡状态的客观存在及定义。接着，提供一组数据，引导学生经历化学平衡常数模型建构的过程，展示在确定温度的可逆反应中，按照不同比例投料发生反应，达到平衡时浓度商是相等的，引出化学平衡常数的概念。然后，进一步介绍化学平衡常数的意义，列出三段式进行平衡转化率、平衡浓度等物理量的计算。最后，通过分组实验探究，演绎推理出浓度、温度、压强对化学平衡状态的影响，突出通过实验探究学习知识的方法，展示勒夏特列原理的模型建构过程。本单元内容框架如图1所示。
（二）学情分析
在必修模块学生建立了如下认识：①了解了可逆反应的含义。②认识到化学反应存在限度，知道了可逆反应达到限度时即为化学平衡状态，反应的限度决定了反应物在该条件下的最大转化率。③认识到化学平衡状态受外界条件影响，体会了从限度和快慢两个方面去认识和调控化学反应的重要性。必修阶段并未讨论外界条件对化学平衡的影响，学生仅能定性分析达到平衡状态时化学反应的特征，对化学平衡状态的判断还不够清晰，存在一定的学习困难。此外，对选择性必修模块化学反应速率知识的学习，也为本单元的学习奠定了基础，其探究问题的思路和方法可以迁移至对本单元知识的学习中。
（三）单元教学目标分析
1.以工业合成氨为例，通过对可逆反应中有关物质的浓度随时间变化示意图及正、逆反应速率随时间变化示意图的分析，说明在可逆反应中，当正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度均保持不变的状态就是化学平衡状态，由此完成化学平衡状态的建立，帮助学生建构变化观和平衡观，增强学生对化学学科的认同，提升学生的科学态度与社会责任感。
2.化学平衡常数是本单元教学的重点，也是下一章学习电离平衡常数、溶度积常数的基础，因此要充分重视化学平衡常数的建构过程。教学中要结合数据分析，建构化学平衡常数的概念，定量认识化学平衡状态。通过设计教学环节，提供数据引导学生体验科学家发现化学平衡常数表达式的过程，引导学生关注化学平衡常数与温度的关系，归纳出利用平衡常数[K]分析问题的基本思路，如平衡时转化率的计算，利用平衡常数[K]和浓度商[Q]的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向等，培养学生的对比分析和数据处理能力、证据推理意识和模型认知能力。
3.反应条件对化学平衡的影响是本单元教学的难点，教学中要注意从获取证据和应用数据分析两个方面进行讲解。通过实验探究，理解温度、浓度、压强等对化学平衡状态的影响，进一步建构“化学变化是有条件的”这一学科观念，培养学生的科学探究与创新意识。利用[K]和[Q]的关系，对具体的平衡体系进行分析后，再次引导学生进行总结归纳，提炼出依据[K]和[Q]的关系判断平衡移动方向的思维模型，进一步培养学生的证据推理意识和模型认知能力。理解勒夏特列原理，能依据原理分析平衡移动的方向，体会理论对实践的指导作用。
二、单元整体教学设计思路
单元整体教学设计是基于学生的知识、技能和认知发展特点，对教材单元知识的主要内容，从整体上进行统领和整合。由于对“化学平衡”内容的学习是由浅入深、由表及里的过程，故将本单元教学设计为3个课时，分别围绕化学平衡状态的概念与特征、化学平衡常数及其应用、化学平衡的影响因素三个内容展开教学设计（如图2），逐步揭开化学反应限度的真实面纱。
三、单元整体教学实践
（一）化学平衡状态的概念与特征（课时1）
【环节1】创设工业合成氨的情境：氨气在国民经济中占有重要地位。随着人类社会的发展和人口的不断增长，对粮食和化肥的需求不断增长，进而对氨的需求量与日俱增。如何提高工业合成氨的效率呢？只要尽量提高化学反应速率，生产效率就一定高吗？提供N2与H2反应前后各物质的量数据资料（见表1）。
表1 N2与H2反应前后各物质的量
[各物质的起始量/mol 充分反应后各物质的量/mol N2 H2 NH3 N2 H2 NH3 5 15 0 3 9 4 ]
引导学生阅读与思考，进而得出结论：合成氨反应的原料无法转化完全，只考虑加快反应速率是不够的，还需考虑如何尽可能多地将原料转化为产品，这就涉及化学反应限度及化学平衡问题。
设计意图：创设化学平衡状态的真实情境，引入概念；增强学生对化学学科的认同，提升学生的科学态度与社会责任感。
【环节2】提出疑问：任何可逆反应在一定条件下都存在反应限度，达到反应限度时反应就停止了吗？在一定条件下，往容积不变的密闭容器中充入N2和H2使其发生反应，反应中各物质的浓度随时间如何变化？正、逆反应速率随时间如何变化？引导学生分别绘制出相应的浓度-时间图和速率-时间图（如图3）。
当充入的是NH3时，反应中相应的浓度-时间图和速率-时间图如图4所示。
分析合成氨的可逆反应，该反应中包含正、逆两个反应，两个反应同时发生。当正、逆反应速率相等时，达到看似不变的表面静止状态，但实际上反应并未停止，一直在进行中，这时的状态，我们称之为化学平衡状态。达到化学平衡时，反应达到该条件下物质转化的最大限度，即反应物的转化率达到最大值。[转化率a=反应物的减少量反应物的起始量×100%]。根据N2与H2反应前后各物质的量数据资料，让学生练习计算平衡时H2的转化率。
设计意图：通过对可逆反应中有关物质的浓度随时间变化图像及正、逆反应速率随时间变化图像的分析，完成化学平衡状态的建立，使学生形成变化观和平衡观。
【环节3】师生共同梳理与提炼化学平衡状态的特点：①v（正）= v（逆）≠ 0，即任何一种物质的生成速率等于其消耗速率；②各组分的质量或浓度保持不变；③动态平衡，即当达到平衡时正、逆反应仍在进行；④联系影响化学反应速率的因素（如浓度、压强、温度等），推断改变这些因素就有可能改变化学平衡。
设计意图：使学生理解和掌握化学平衡状态的特征。
【环节4】化学平衡状态的本质特征是正反应速率和逆反应速率相等，这是判断化学平衡状态的根本标志。由于v（正）=v（逆），平衡体系中各组分的质量分数保持不变，所以一般情况下平衡体系的压强、气体密度、浓度等多种宏观特征也保持不变，这些宏观特征有时也可作为判断化学平衡状态的标志。练习如何判断一个可逆反应是否达到了化学平衡状态：一定温度下，在容积不变的密闭容器中进行合成氨反应，以下哪些选项可以判断为反应已达到化学平衡状态？A.单位时间内消耗a mol N2，同时生成2a mol NH3； B.H2消耗速率等于N2生成速率的3倍； C.容器内的压强不再变化； D.混合气体的总质量不再变化；E.混合气体的密度不再变化；F.混合气体的平均相对分子质量不再变化。引导学生构建化学平衡状态判断的方法模型：①“等”：正、逆反应速率相等——同种物质v正（A）=v逆（A）、不同种物质v正（A）∶v逆（B）=a∶b（化学计量数之比）；②“定”：变量不变，关键是判断某参数是不是变量。
设计意图：通过加强练习，使学生掌握化学平衡状态的本质特征和定性分析达到化学平衡状态的判断方法。
（二）化学平衡常数及其应用（课时2）
有了第1课时的定性分析，如何让学生从定量的角度认识化学平衡状态呢？为此，引入了化学平衡常数的内容。
【环节1】提出问题引发思考：化学平衡的改变有规律可循吗？不同的化学平衡状态，反应物和生成物的浓度之间有什么关系呢？接着，依次以表格形式（见表2至表4）提供在容积不变的密闭容器中，CO（g）+ H2O（g）?CO2（g）+ H2（g），H2（g）+ I2（g）?2HI（g），N2（g）+ 3H2（g）?2NH3（g）三个反应的多组起始浓度、平衡浓度数据，探究这些反应达到平衡状态时，反应物和生成物的浓度之间的关系。
学生通过计算得出CO（g）+ H2O（g）?CO2（g）+ H2（g）反应中[c（CO2）·c（H2）c（CO）·c（H2O）]是定值。H2（g）+ I2（g）?2HI（g）反应中[c（HI）c（H2）·c（I2）]不是定值；带入了计量数后，[2c（HI）c（H2）·c（I2）]也不是定值；改变书写形式得[c（HI）·c（HI）c（H2）·c（I2）]，即[c2（HI）c（H2）·c（I2）]，是定值。以此类推计算N2 + 3H2 ?2NH3达到平衡时[c2（NH3）c（N2）·c3（H2）]的数值，体验科学家发现规律的过程，得出化学平衡常数[K]的表达式。
设计意图：通过对多个平衡体系，多组不同起始浓度、平衡浓度数据的计算，提炼体系反应物与生成物浓度之间的关系，体验科学家发现规律的过程，培养学生的对比分析和数据处理能力。
【环节2】写出可逆反应N2（g）+ 3H2（g）?2NH3 （g），2NH3（g）?N2（g）+ 3H2（g），[12]N2（g）+ [32]H2（g）?NH3 （g）的平衡常数[K1]、[K2]、[K3]的表达式，并分析它们之间的关系；再写出可逆反应Fe3O4（s） + 4H2（g）?3Fe（s） + 4 H2O（g）的平衡常数的表达式，提炼书写平衡常数表达式的注意事项。
以表格形式（见表5）给出在不同温度下H2（g）+ I2（g）?2HI（g）的起始浓度、平衡常数数据，经分析与思考后得出平衡常数不受浓度的影响，受温度影响。接着提出疑问：体系压强改变会影响平衡常数吗？由前面分析可知，压强改变可能会影响体系中的浓度，而浓度的改变不影响平衡常数，因此，压强不影响平衡常数。
以表格形式（见表6）给出在相同温度下生成不同卤化氢反应的平衡常数，经分析与思考得出平衡常数的大小与反应中物质的性质有关，[K]越大，说明平衡体系中生成物所占的比例越大，正反应进行的程度越大，即反应进行得越完全，平衡时反应物的转化率越大。提醒学生注意：化学平衡常数的大小反映的是反应进行程度的大小，并不涉及反应时间和反应速率。例如，合成氨的反应常温下[K=5×108]，但化学反应速率却很小。
设计意图：通过练习，使学生掌握书写平衡常数表达式的注意事项；通过数据分析，使学生理解平衡常数与体系浓度、压强、反应物的性质、温度等的关系，明确影响化学平衡常数的因素。
【环节3】给出如下情境素材：工业上用一氧化碳与水蒸气反应制取H2的主要反应为CO（g）+ H2O（g）?CO2（g）+ H2（g） ΔH < 0 。830 ℃时，0.2 mol/L的CO和0.3 mol/L的H2O发生上述反应，达到平衡时[K=1.0]。围绕这个情境，让学生思考以下问题：①在830 ℃达到平衡时，H2和CO2的浓度分别是多少？CO的转化率是多少？ ②其他条件不变，改变水蒸气的浓度为3.00 mol/L，达到平衡时CO的转化率是多少？③在830 ℃达到平衡时，其他条件不变，向体系中充入一定量的CO，平衡状态是否发生变化？如果变化，平衡向哪个方向移动？此时[K]是否发生变化？④为提高该反应的产率，可以采取哪些措施？如果采用改变温度的方法，[K]是否发生变化？如何变化？引导学生列出三段式计算平衡时反应物的转化率和各物质的浓度，并归纳出利用[K]分析问题的基本思路：判断反应是否达到平衡或平衡移动的方向，可通过比较该时刻浓度商[Q]与平衡常数[K]的大小来判断。在同一温度下，[Q=K]，处于平衡状态；[Q
设计意图：引入工业制氢的真实情境，通过练习运用三段式方法，计算平衡时反应物的转化率，使学生初步掌握定量判断反应是否达到平衡及平衡移动方向的方法，培养学生的证据推理意识和模型认知能力。
（三）化学平衡的影响因素（课时3）
反应N2（g）+ 3H2（g）?2NH3 （g）看起来十分简单，合成氨的工业化生产却经历了漫长的发展过程，如今即使是在500 ℃和300 MPa条件下合成氨，平衡时混合物中氨的体积分数也只有26.4%，转化率仍不够大。如何使化学平衡向人们需要的、有利的方向移动？影响化学平衡移动的因素有哪些？
【环节1】回顾上节课的内容：化学平衡1（[Q=K]）→改变反应条件 →不平衡（[Q≠K]）→一段时间后达到化学平衡2。由原有的平衡状态达到新的平衡状态的过程，叫作化学平衡的移动。提问：改变哪些反应条件可使[Q≠K]，从而改变平衡状态呢？浓度商只与浓度有关，改变浓度，使[Q]发生改变；平衡常数只与温度有关，改变温度，使[K]发生改变。引导学生书写可逆反应mA（g） + nB（g）?pC（g） + qD（g）任意时刻浓度商的表达式[Q=cp（C）·cq（D）cm（A）·cn（B）]。
设计意图：巩固理解化学平衡移动的概念，熟悉影响化学平衡移动的因素，培养学生的演绎推理能力。
【环节2】（1）探究浓度对化学平衡的影响
从任意时刻浓度商的表达式可以得出：若其他条件不变，在平衡体系中增大反应物的浓度，[Q]值变小，[Q
采用分组实验的方式（见表7），引导学生对实验现象进行观察和分析，得出结论。
对于K2Cr2O7的溶液中存在的平衡体系Cr2O[2-7]（橙色）+ H2O?2 CrO[2-4]（黄色）+ 2 H+，采取同样的方法（见表8），探究当其他条件不变时，增大或减小生成物的浓度，平衡移动的方向。
（2）探究压强对化学平衡的影响
在用注射器收集的平衡体系 2NO2（g，红棕色）?N2O4（g，无色 ）中，通过压缩或拉伸针筒会造成气体体积的改变。体积改变时，体系中各物质的浓度会发生怎样的变化？浓度商会如何变化？化学平衡会如何移动？师生共同分析和计算的过程如表9所示。
通过计算，[Q2=K/2]，即[Q2
开展分组实验，引导学生对实验现象进行观察和分析。由于混合气体颜色变化快、时间短，不便于观察，教师采用数字化实验方式加以改进，借助压强传感器采集实验数据并转化成图像直观呈现压强对平衡体系的影响，便于学生理解。操作如下：将针筒中的气体由50 mL瞬间压缩到25 mL，体系压强瞬间增大，随之减小，说明增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动；平衡后再将针筒瞬间拉回到50 mL，体系压强瞬间减小，随之增大，说明减小压强，平衡向气体体积增大的方向移动，直至建立新平衡。
图5
依据浓度商与平衡常数的大小关系推理可知，对于体系H2（g）+ I2（g）?2HI（g），由于反应前后气体物质的总体积没有变化（即反应前后气体计量数之和不变），改变压强不能使化学平衡发生移动。
固态或液态物质的体积受压强影响很小，可以忽略不计，因此当平衡混合物中都是固态或液态物质时，改变压强，化学平衡一般不发生移动。
（3）探究温度对化学平衡的影响
在 2NO2（g，红棕色）?N2O4（g，无色 ） ΔH=-56.9 kJ/mol体系中，正反应为放热反应，逆反应为吸热反应，用NO2和N2O4混合气体平衡球设计实验，预测实验现象，得出温度对化学平衡影响的结论（见表10）。
（4）探究催化剂对化学平衡的影响
催化剂可以同等程度地改变正、逆反应速率，因此对化学平衡移动没有影响，但可以改变反应达到平衡所需要的时间。
设计意图：先利用Q和K的关系进行分析，后通过设计实验分别探究浓度、温度、压强、催化剂对化学平衡的影响，使学生在实验中掌握控制变量法，培养学生的科学探究与创新意识。
【环节3】利用任意时刻浓度商的表达式以及Q与K的大小比较，师生共同整理归纳影响化学平衡移动的因素和规律（见表11）。
如果改变影响平衡的一个因素（如温度、压强及参加反应的物质的浓度），平衡向减弱这种改变的方向移动，这就是勒夏特列原理，也称化学平衡移动原理。通过以上实验探究不难发现，原理中只能“减弱”这种改变而不能“消除”这种改变。
利用化学平衡移动原理，可以更加科学有效地调控和利用化学反应，尽可能地让化学反应按照人们的需要进行。请思考：对于合成氨的反应N2（g）+ 3H2（g）?2NH3（g） ΔH=-92 kJ/mol，选择哪些反应条件可以增大氨气的含量？
设计意图：通过归纳、总结得出影响化学平衡移动的因素和规律，理解勒夏特列原理，进一步培养学生的证据推理意识和模型认知能力，让学生体会到理论对实践的指导作用。
四、教学反思
1.核心素养是学生能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。作为课程的实施者，教师要从学科核心素养的培养出发，全面、整体地分析教材内容，基于学生学习进阶、学科知识结构的特点，把教材中从属于同一个学习主题的教学内容，依照知识的逻辑结构分层递进，相互渗透，组成完整的结构单元。
2.化学是和生活密切相关的自然科学，课堂教学应将化学知识置于真实的情境中，将化学知识与生活实际紧密联系起来，强调化学在生产、生活和社会可持续发展中的重要作用，培养学生学以致用的意识和能力，使学生养成关心社会和生活实际的积极态度，增强学生的社会责任感。
3.在教学过程中，教师要充分调动学生的视觉、听觉和嗅觉等多种感官，使其积极参与课堂活动。通过设置结构性的学习任务和问题链，让学生得到思考，学会推理、论证和建构模型，并能够质疑创新，实现知识向素养的转化［4］。
4.设计实验方案可以培养学生的创新思维和科学探究能力，能够多方面提升学生的核心素养。教师要引导学生选择现象明显的反应，设计方案时注意控制单一变量，做好对照实验，以确保结果的可靠性。对于常规实验解决不了的探究性问题，可借助现代化传感器技术，利用电脑自动绘制的数据曲线，进行比较、归纳和总结，进而得到证据并得出结论。
［ 参 考 文 献 ］
［1］［3］ 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社， 2020.
［2］ 刘焕亮.基于学科核心素养的单元整体教学设计：以“物质结构 元素周期律”为例［J］.中学化学教学参考，2019（19）：36-37.
［4］ 黄剑锋，汤希雁.“素养为本”的化学教学设计 ［M］.南宁：广西人民出版社，2022.
（责任编辑 罗 艳）
