化学平衡常数对促进学生认识发展的功能价值分析及其教学实现.pdf

教学研究 化学平衡常数对促进学生认识发展的 功能价值分析及其教学实现 3 支 瑶 王 磊33 张绪姝 (北京师范大学化学学院化学教育研究所 100875) 摘要 在分析化学反应的限度教学内容在高中化学新课程中的变化及其已有研究的基础上, 分析了学生对化学反应的限度的认识发展,阐述了化学平衡常数对学生认识发展的作用,并在此 基础上进行了教学设计及实施研究,取得了良好的教学效果。 关键词 化学平衡常数 认识发展 教学设计 化学反应的限度 教学效果 化学反应的限度属于化学热力学研究的范畴, 是中学化学的重要理论之一。化学反应的限度相关 内容也是中学化学中所涉及的溶解平衡、电离平 衡、水解平衡等知识的核心,对学生研究物质在水 溶液中的行为起着极其重要的指导作用。因此,与 化学反应的限度相关的教学论问题和学习论问题研 究一直备受研究者和一线教师的关注。 1 研究背景 111 化学反应的限度在高中化学新课程中的变化 由于高中化学新课程课程结构的变化,化学反 应的限度相关内容在学段分布、内容选取与组织方 面发生了许多变化。首先,在学段分布方面,新课 程化学反应的限度相关内容分布在必修、选修2个 学段,深广度发展呈螺旋上升。在必修阶段,相关 内容主要分布在化学2“化学反应与能量”主题中; 在选修阶段,相关内容主要出现在化学反应原理模 块“化学反应速率和平衡主题”中,具体如图1所 示。在内容选取方面,新课程在化学反应原理模块 增加了“化学平衡常数”,课标明确提出“知道化学 平衡常数的含义,能利用化学平衡常数计算反应的 转化率” 。在内容组织方面, 3个版本(“人教版” 、 “鲁科版” 、“苏教版”)教材存在一定差异。例如, “人教版”教材将化学平衡常数放在“平衡移动规 律”之后,涉及平衡常数的概念及相关计算等内容; 而“鲁科版”教材将化学平衡常数放在“平衡移动 规律”之前,不仅用平衡常数定量表征化学反应的 限度,还以化学平衡常数为核心,利用Qc与Kc (或Qp与Kp)的关系,定量分析反应条件对化学平 衡的影响,并得出平衡移动的一般规律。 上述差异引发了人们对“在化学反应的限度相 关内容的学习和研究中,化学平衡常数的功能和价 图1 化学反应的限度在不同学段的认识要求 值是什么” 、 “怎样组织教学内容更加有利于学生突 破学习难点”等问题的思考。 112 对化学反应的限度教学设计的已有研究 化学反应的限度教学设计的已有研究主要包括 化学平衡状态的教学方法与策略研究、化学平衡移 动规律的教学方法与策略研究2个方面。在化学反 应的原理模块中,化学反应限度的核心教学内容是 化学平衡移动规律。因此,关于化学平衡状态教学 方法与策略的已有研究不在此赘述。 在化学平衡移动规律教学设计的已有研究中, 研究者关注的核心问题都是“如何突破教学难点, 促进学生对平衡移动规律的理解”,其教学设计思 路可以分为3类。第一类教学设计的基本定位是 “仅要求学生知道是什么,不要求知道为什么” 。在 这类教学设计中,通常先利用实验、数据、图像等 直观、形象的例证直接归纳出平衡移动规律,然后 直接应用平衡移动规律解决问题。可见,这类教学 设计是通过回避理性分析来降低难度的,并没有从 根本上解决学生学习难点。学生在对规律本质及不 同影响因素间关系缺少认识的情况下,必然会在问 题解决过程中遇到不可逾越的障碍。第二类教学设 计的基本定位是“不仅要知道是什么,还要知道为 922010年第6期 化 学 教 育 3 33 北京师范大学化学教育研究所“高端备课”项目研究成果 通讯联系人 什么” 。在这类教学设计中,通常先利用实验、数 据等例证归纳出平衡移动规律,再利用外界条件对 正、逆反应速率的影响来解释平衡移动规律,并在 此基础上转入应用规律解决问题。这类教学设计看 似关注学生对规律本质的理解,但存在以下2方面 的问题,一是很难利用正、逆反应速率的变化解释 温度、压强对化学平衡状态的影响,即其适用范围 有限;二是这种解释实质上是在用动力学的思考方 式解决热力学问题,与化学的学科思想方法不符, 必然会引起学生的思维混乱。例如,学生在分析平 衡移动情况时,经常会纠结于“平衡状态移动过程 中外界条件(如浓度、压强)是否发生了变化?是 否会影响新的平衡状态的建立?”等过程性问题。 第三类教学设计的基本定位与第二类类似,但进行 平衡移动规律解释的路径不同。在这类教学设计 中,通常利用化学平衡常数来解释平衡移动规律。 与前两类教学设计相比,这类教学设计有着明显的 优势,既关注了学生对规律本质的理解,又符合化 学分析平衡问题的思路方法。但是,这类教学设计 在对具体问题进行分析时,经常会混淆因果关系, 造成科学性错误。例如,有的教学设计在讨论温度 对化学平衡状态的影响时,分析结论是“平衡移动 导致化学平衡常数改变” 。 可见,“如何促进学生对平衡移动规律的理解” 依然是化学反应限度教学研究的核心问题之一,而 “教学中该如何发挥化学平衡常数的功能”是新课 程为广大研究者和实践者提出的新问题。 113 对中学生关于化学平衡移动规律错误概念 的已有研究 一直以来,化学平衡移动规律始终是高中化学 学习的难点之一。 “学生在学习化学平衡移动规律 时,会形成哪些错误概念?造成学生学习困难的原 因是什么?”等问题,引起了国内外科学教育工作 者的关注。 国内刘瑞东(2006)、彭贤春(2006)等研究者 通过测查发现,学生在化学平衡移动规律的学习中 主要存在以下错误概念:将物质浓度的变化等同于 物质的量的变化,导致当反应容器容积改变时,对 物质浓度变化的判断出现错误;(2)不清楚平衡体 系中的“物质”的浓度、压强所致的对象是可逆反 应方程式中相关的反应物或生成物,并不包括与反 应无关的惰性气体,导致错误理解充入惰性气体对 化学平衡状态的影响;(3)错误理解勒夏特列原理 中的“削弱”一词的含义,导致类似“加入反应物 后,平衡会向减少加入反应物的方向移动,该反应 物的平衡浓度减小”的错误。研究者认为,学生产 生这些错误概念的原因在于无法定义影响平衡状态 相关与不相关因素,常误用勒夏特列原理判断平衡。 国外研究者也通过测查研究发现了学生在平衡 移动规律学习中常持有的一些错误观念,例如:有 些学生总是错误地应用动力学的观点来解释平衡状 态的变化;有的学生认为平衡的温度改变时,不需 要知道反应吸热或放热就可以判断平衡如何移动; 有的学生认为,当外界施加影响比如改变温度和压 强时会引起平衡方程式中仅仅某一方的物质的量的 变化,即只引起反应物或生成物的变化。研究者认 为,造成这些错误观念的原因在于学生不用定量的 方法来解决平衡问题。因此,研究建议应运用平衡 常数来判断平衡的移动方向。 可见,国内外科学教育研究者的已有研究比较 全面地概括了学生在化学平衡移动规律学习过程中 可能持有的错误观念,并对其成因进行了初步分 析,但缺少对解决问题的方法与策略的研究。 2 学生对化学反应的限度的认识发展分析 211 学生对化学反应的限度的认识发展层级分析 在不同学段,学生对化学反应的限度的认识处 于不同的水平。 在初中阶段,学生对化学反应的认识仅局限于 物质种类的变化和物质变化中的定量关系,还没有 建立“反应限度”这一认识化学反应的角度。 在必修阶段,由于可逆反应的出现,学生初步 建立了“化学反应限度”这一认识角度,但仅局限 于“可逆反应是有限度的,在一定条件下可逆反应 达反应限度时即达化学平衡状态”这一定性认识阶 段;尚未建立起体系的性质(即可逆反应的限度、 化学平衡状态)与环境(含温度、压强等要素)的 关系,对化学反应限度的认识处于孤立认识阶段。 由于必修阶段并未讨论外界条件对化学平衡状态的 影响,因此,学生此时仅能分析达平衡状态的化学 反应的特征,对化学反应的限度的认识处于静态认 识的阶段。 在选修阶段,特别是通过化学反应原理模块的 学习,学生能借助化学平衡常数认识到“不同的化 学反应限度不同,可以利用平衡常数进行定量表征 和比较”,对化学反应的限度的认识由定性水平上 升到定量水平。学生还要讨论温度、压强等外界条 件对化学平衡状态的影响,从而能够关注到体系和 环境中的多个要素之间的关系(如,温度改变对平 衡状态、反应物浓度、转化率、平衡常数等的影 响 ) , 对化学反应的限度的认识由孤立认识发展到 系统认识。在选修阶段对化学平衡移动规律的讨 论,还促使学生形成调控化学反应的限度或化学平 衡状态的思路,对化学反应的限度的认识从静态认 识上升到动态认识。具体如图2所示。 03化 学 教 育 2010年第6期 图2 学生对化学反应的限度的认识发展层级 212 学生认识发展障碍点分析 虽然已有研究提炼概括了学生在平衡移动规律 学习中的错误概念,并进行了一定的归因分析,但 多为实然性描述,缺少基于问题本质的概括和提 炼。本研究通过长期的课堂观察、课后跟踪观察和 访谈发现,学生在平衡移动规律学习中认识发展障 碍点在于缺少对相关问题进行理性分析的“支架” 。 例如,“哪些条件会影响化学平衡状态?”这一问题 的答案是教师直接给出的,“外界条件如何影响化 学平衡状态?”这一问题的答案是通过实验、数据 等直观、感性的信息归纳得出的,对于结论的解释 也缺少能够一而贯之的思路。上述情况必然会导致 学生抓不住温度、压强、浓度对化学平衡状态影响 的本质、区别与联系,必然会出现“无法定义影响 平衡状态相关与不相关因素,误用勒沙特列原理判 断平衡”的现象。 3 化学平衡常数促进学生对化学反应的限 度认识发展的功能分析 311 增进学生对化学反应的限度的理解 首先,化学平衡常数能增进学生对化学反应限 度的认识。学生会认识到不同的化学反应的限度不 同,平衡常数越大,反应限度越大;温度不变时, 化学反应限度不变。其次,化学平衡常数能增进学 生对化学反应的限度和化学平衡状态的关系的理 解。平衡常数是各物质浓度幂次方的组合值,当保 证平衡常数不变时,可以有多种浓度组合,每种组 合都处于化学平衡状态。即,同一反应的限度可以 对应很多不同的平衡状态,平衡状态改变,化学反 应限度不一定改变。 312 增进学生对平衡移动规律的理解 借助化学平衡常数,一方面可以使学生认识到 促使平衡状态移动的直接原因 平衡常数K与 浓度商Q不相等,进而找到引发平衡移动两条路 径。一条路径是改变K,有效措施是改变温度; 另一条路径是改变Q,具体措施可以是改变某种单 一组份的浓度,也可以是等倍数改变所有组分浓度 (即改变压强)。另一方面,也有利于学生判定影响 平衡状态的相关因素。例如,在判定是浓度影响平 衡移动还是压强影响平衡移动时,只需判定采取的 措施是改变单一组份浓度,还是等倍数改变所有组 份浓度。可见,化学平衡常数即为学生理解、操纵 化学平衡状态的理性分析支架。 313 为学生提供分析平衡移动问题的思路和方法 借助化学平衡常数可以帮助学生建立一个基于 状态分析及其状态改变的思考程序,特别是对于浓 度和压强对化学平衡状态的影响的分析。即,面对 一个平衡体系,首先认识到此时Q=K,其次分析 外部条件(浓度、温度、压强)的改变会对K或Q 产生怎样的影响,再想Q中各组分的浓度要怎样改 变才能使Q重新等于K,而平衡体系中各组分浓度 的变化即表明了化学平衡的移动方向。如,增加反 应物浓度时,K不变,而浓度商Q变小了,这时反 应会向生成物浓度增大、反应物浓度减小(分子增 大,分母减小,分数值增大)的方向进行,使Q重 新等于K,也就平衡向正反应方向移动。这一逻辑 推理过程体现了热力学讨论问题的基本方法。 综上所述,化学平衡常数促进学生对化学反应 的限度认识发展的功能与价值的实现,即为学生找 到了进行理性分析的思维“支架”,对于突破学生 认识发展障碍点、发展学生对化学反应限度的认 识、实现认识方式转变具有重要意义。 4 化学反应的限度教学设计 本研究在对化学平衡常数的功能与价值及学生 认识发展的障碍点和发展层级分析的基础上,根据 “以促进学生认识发展为本”教学的基本理念,进 行“平衡移动规律”课时教学设计。为了证明“化 学平衡常数的功能与价值”的发挥更加有利于发展 学生对化学反应的限度的认识、突破认识发展障碍 点,本研究分别采用了2种不同的教学设计方案进 行实践研究。 本研究选取了北京市重点中学高中二年级2个 初始水平相同的教学班级为被试对象,由同一教师 授课,在2个教学班分别采取2种不同的教学设计 方案进行平衡移动规律教学。在研究中,实验班的 核心教学思路是“利用平衡常数理解平衡移动规 律”,对比班的核心教学思路是“利用正、逆反应 132010年第6期 化 学 教 育 速率的变化理解平衡移动规律” 。2种教学处理方式的具体教学设计如表1所示。 表1 “化学平衡移动规律”案例研究对比班与实验班的教学设计 教学内容 教学设计 1 ( 对比班)教学设计 2 ( 实验班) 教学思路设计意图教学思路设计意图 引入直接引入课题直接引入课题 浓度对化学平衡 状态的影响 环节1 :教师演示实验,浓度 改 变 对 化 学 平 衡 的 影 响 (FeCl3与KSCN反应) 环节2 :师生共同根据实验现 象归纳得出结论 环节3 :教师通过浓度对正、 逆反应的速率的影响对结论 进行解释 压强对化学平衡 的影响 环节1 :根据不同压强下合成 氨反应转化率数据分析压强 对化学平衡状态的影响,获 取初步结论 环节2 :演示实验 压强对 NO2N2O4平 衡 体 系 的 影 响,验证结论 环节3 :与浓度对正、逆反应 速率的影响进行对比,演绎 得出压强对正、逆反应速率 的影响,解释结论 温度对化学平衡 的影响 环节1 :学生实验 温度对 NO2N2O4平衡体系的影响 环节2 :获得结论 环节3 :教师利用温度对正、 逆反应速率的影响解释结论 通过直观、感性的例证认 识平衡移动规律,并利用 学生已有知识进行解释 环节1 :教师演示实验:浓度 改 变 对 化 学 平 衡 的 影 响 (FeCl3与KSCN反应) 环节2 :师生共同根据实验现 象归纳得出结论 环节3 :教师通过浓度商(Q) 与平衡常数(K)的关系对结 论进行解释,并进一步利用 KQ关系推知其他结论 通过直观、感性认识 获得初步结论,同时 帮助学生建立进行理 性分析的思维路径。 环节1 :以不同特点(反应前 后化学计量数变化不同)的 化学反应为例,利用KQ关 系讨论压强改变后,化学平 衡如何移动。 环节2 :将上述讨论结果进行 推演,由特殊到一般,获得 结论。 11 利用KQ关系, 通过理性分析获得平 衡移动规律 21 形成利用KQ关 系分析平衡移动问题 的思路:条件改变 平衡体系中各组分浓 度是否 改变 K、Q 的大小关系 平衡移 动方向。 环节1 :提供不同温度下,一 些可逆反应的化学平衡常数 数据,初步获得结论 环节2 :设计实验,验证结论 环节3 :教师解释(温度改变 K改变 平衡发生移动) 利用平衡常数的性质 对温度对化学平衡的 影响进行分析,获得 平衡移动规律;并使 学生认识到温度对化 学平衡状态的影响是 由于改变了反应限度 总结 提升 勒夏特列原理对平衡移动规律进行概括 11 平衡移动规律(定性判据) 21 平衡移动规律(基于KQ 关系的定量判据) 从定性、定量2个水 平概括平衡移动规律 5 教学效果的测查与结果分析 511 测查方法 为了调查教学效果,在“化学反应的限度”新 授课结束后,采用问卷测查法对2个教学班进行了 测查。调查问卷为自编测试题,测查内容包括以下 4个方面:对化学平衡状态和反应限度的理解、对 化学平衡移动规律的理解、解决实际问题的能力和 分析其他平衡体系(如水溶液中的离子平衡)的水 平。 本研究采用克隆巴赫系数来检验测量问卷的 信度。使用SPSS1310对调查问卷中的题目试测结 果进行统计分析,问卷的系数为01846 ,表明本 研究开发的测查工具具有较高信度。 512 测查结果及分析讨论 51211 对化学平衡状态和反应限度的理解 本研究通过“一定温度下,反应2A (g) B (g)的平衡常数 K= 1 4 ,则平衡状态时A、B的 物质的量浓度各是多少?” 、 “写出你头脑中与化 学平衡常数有关的内容。 ”2个问题测查学生对 化学平衡状态和反应限度的理解。测查结果表明, 实验班学生对化学平衡状态和反应限度的理解明显 优于对比班(见图 3) 。在以“化学平衡常数”为 核心词的知识结构的梳理上,实验班和对比班学生 的差异表现尤为明显。大多数对比班学生想到化学 平衡常数的表达式、化学平衡常数与温度有关等具 23化 学 教 育 2010年第6期 体知识,只能想到化学平衡常数在化学计算中的应 用。而实验班学生不仅能关注到具体知识,还能把 化学平衡常数与化学平衡状态建立联系,意识到化 学平衡常数是分析、讨论平衡移动问题的工具。本 研究对实验班和对比班的得分作配对样本T检验, 结果表明, 2者在0105水平上具有显著性的差异。 由此可见,化学平衡常数具有促进学生对化学平衡 状态和反应限度的理解的功能。 图3 对“化学平衡状态和反应限度的理解”测查结果 51212 对化学平衡移动规律的理解 本研究通过“N2+ 3H22NH3,H 0 , 当改变如下条件时,化学平衡将如何移动?” 、 “外界 条件对化学平衡的影响的本质原因是什么?”2个问 题测查学生对平衡移动规律的理解。测查结果表明, 实验班和对比班学生对简单平衡移动问题的分析都 达到了较高水平,实验班略优于对比班(见图 4) 。 而2者在对“外界条件对化学平衡的影响”的本质 原因的分析方面存在较大差异。大多数对比班学生 不知道造成平衡移动的本质原因是什么,有些同学 试图从正、逆反应速率变化的角度去分析,但均只 能提出分析角度,不能进行完整的剖析。部分实验 班学生能够意识到“平衡常数和浓度商不相等”是 促使平衡移动的本质原因,但在Q、K不等的情况 下不能进一步分析出是哪些因素使得什么改变而造 成Q、K不等。本研究对实验班和对比班的得分作 配对样本T检验,结果表明,二者在0105水平上具 有显著性的差异。由此可见,化学平衡常数具有促 进学生对化学平衡移动规律理解的功能,而实验班 教学设计中采用的利用平衡常数与浓度商关系讨论 平衡移动问题是实现化学平衡常数的功能价值的有 效途径。 51213 解决实际问题的能力 本研究通过问题“某温度下,在容积不变的容 器中,反应A (g)+ B (g)2C (g) ,达到化 学平衡时, A、B、C的物质的量分别为4 mol、 2 mol、4 mol。保持温度不变, A、B、C的物质的 图4 对平衡移动规律的理解的测查结果 量各增加1 mol ,则化学平衡如何移动?”和“某同 学欲用10 mLNa2CO3溶液除去1 L粗食盐水中的 Mg2 + (Mg 2 + 浓度约为10 - 3 mol/ L) ,他认为使用任 意浓度的Na2CO3溶液都能将Mg2 +除去,你是否同 意他的观点?说明理由。如果不同意,你认为对 Na2CO3溶液的浓度有哪些要求?”测查学生应用平 衡移动规律解决实际问题的能力。测查结果表明, 实验班学生对两个问题的分析均明显优于对比班 (见图 5) 。通过对学生的解题过程的分析可见,实 验班学生能够自主地在定量水平上利用平衡常数对 浓度商的关系分析问题,能够自主地运用数据信息 操控化学反应 通过选择Na2CO3溶液浓度使 Mg2 +沉淀。本研究对实验班和对比班的得分作配对 样本T检验,结果表明, 2者在0105水平上具有显 著性的差异。在访谈中,对比班学生认为“平衡的 移动问题很难,比如恒温下充入反应气或者惰性气 体,恒压下充入反应气或惰性气体,简单的组合可 以理解,但不同组合多了就会觉得乱,抓不住本 质” 、 “规律太多就觉得不知道用哪个,就等于没规 律了”,而实验班学生则认为“平衡有很多不同的情 况,出题也有很多不同的方式,但要抓住本质的东 西,形成一种解题思路,比如说恒容的条件下,充 入惰性气体,它的浓度其实是不变的,那么根据K、 Q的关系就可以判定平衡到底有没有移动” 、 “关于 平衡的内容很多,但最根本的就是K、Q的关系” 。 以上测查与访谈结果说明,化学平衡常数与浓度商 的关系是学生理性分析平衡移动问题的“支架”,能 有效地帮助学生形成分析平衡移动问题的思路。 51214 分析其他平衡体系的水平 本研究通过学生对弱电解质电离平衡移动的分 析来测查学生应用平衡移动规律分析其他平衡体系 的水平。测查结果表明(见图6) ,实验班学生能 够对改变温度、改变离子浓度或加入水时,弱电解 质电离平衡的移动方向做出正确判断,对于某些复 杂问题(如加入水对弱电解质电离平衡的影响)能 332010年第6期 化 学 教 育 图5 学生问题解决能力的测查结果 够自主运用平衡常数与浓度商的关系进行定量分 析;而对比班学生对分析水对弱电解质电离平衡的 影响时则显得束手无策,错误率极高。本研究对实 验班和对比班的得分作配对样本T检验,结果表 明, 2者在0105水平上具有显著性的差异。由此 可见,平衡常数与浓度商的关系是分析平衡移动问 题的核心所在,具有广泛的迁移应用价值。 图6 学生分析其他平衡体系的水平的测查结果 6 研究结论及进一步讨论 上述研究结果表明: (1)化学平衡常数在促进学生对化平衡状态、 反应的限度及平衡移动规律的理解、提升学生应用 平衡移动规律分析问题的能力方面具有重要价值。 因此,教学中应该充分发挥化学平衡常数的功能与 价值,使化学平衡常数成为表征反应限度的工具、 分析平衡移动问题的“支架“,而不应将化学平衡 常数与平衡移动规律的讨论割裂开来,不应将化学 平衡常数教学的重点仅仅锁定在其表达与计算上。 (2)在平衡移动规律的教学中,抓住“平衡常 数与浓度商”的关系对通过实验、数据归纳得出的 结论进行解释或论证,是实现化学平衡常数功能价 值的有效途径。 (3)通过对测查结果的分析可见,实验班学生 对化学平衡状态、反应限度和平衡移动规律的理解 仍有可以进一步提高的空间,特别是对平衡移动规 律的本质的理解,实验班学生的得分率不足50 % , 说明实现化学平衡常数功能价值的教学设计仍有待 进一步完善。在后续研究中,我们对教学设计进行