高中化学远程研修化学反应原理模块5.docx

高中化学远程研修化学反应原理模块专题三 化学反应方向、限度和速率教学研讨基于问题解决的备课研讨专题简介：化学反应方向、限度和速率的教学是化学反应原理模块学习的重要内容，此内容的备课、教学中老师们常常会遇到一些问题。本专题将对教学中遇到的问题进行分析、提炼，找出此内容教学的基本问题，即对具体知识的学科本体的理解、对概念原理知识的功能与价值的剖析、对学生认识发展层级及认识发展障碍点的关注，并通过对具体课例的剖析（化学反应方向、化学反应限度、化学反应速率）解决对具体知识的认识，同时逐步形成化学反应原理模块教学设计的思路以促进学生认识发展为本、实现概念原理知识的功能与价值的教学。主持人：北京师范大学化学教育研究所在读博士 北京市35中学高级教师 支 瑶嘉宾：教育部高中化学课程标准研制组组长 北京师范大学化学教育研究所所长 王 磊 教授北京市第十五中学高级教师 徐 敏山东省实验中学高级教师 王卫平上 部一、在化学反应方向、限度及速率的教师教学与学生学习过程中遇到的主要问题有哪些？1 学生学习与教师教学的困难点有哪些？徐敏：我的学生在学这部分内容时遇到了这样一些困难：首先在化学反应方向这一节，学生对几个概念本身存在疑问，如什么是化学反应方向、什么是自发反应、什么是熵，等都是模糊不清的。并且教师自身对化学反应方向及自发反应的关系理解的也不是很透彻，在课堂教学时不知道是用化学反应方向这个概念，还是用自发反应这个概念？熵的概念如此复杂，如何用通俗易懂的语言让学生理解？同时这一节课的价值是什么？难道仅仅是为了能够判断一个反应能自发就行了吗？其次在化学反应限度这一节，学生对化学平衡常数所代表的含义，与平衡转化率间的关系及与化学反应限度、化学平衡状态之间的关系理解不到位，相互牵扯，混淆不清。教师在解释化学平衡常数与平衡状态间的关系时也感到很棘手，不能用通俗的语言让学生理解K和平衡态之间的关系。最后在习题解答的过程中，学生还面临着这样的困难：当遇到复杂体系的时候，有多个变量存在，学生在判断化学平衡移动方向的过程中就会存在比较大的障碍。王卫平：新课程实施6年以来，我们在这方面遇到的问题是比较具有代表性的。在化学反应方向的教学和学习中，我们遇到了这样的问题：教师在教的过程中对于焓和焓变、熵和熵变、以及自发反应和化学反应方向的教学，经过这几年的磨练和相互交流，对深浅尺度及把握的程度都比较的合理，知道在教学中要浅显易懂，举生活中的实例，尽量简单，将化学反应方向的判断方法向学生解释清楚。虽然教师在教的过程中把握好了尺度，教学策略也没有问题，但是在学生反馈知识的理解及落实的过程中，教师发现仍然是有问题的。所以我认为教师的教和学生的学之间出现了问题。再一个具有代表性的地方是在化学反应速率的教学中。在当时的教学过程中，我们发现课本的主体内容与原来的教学习惯没有差异，因而教师在教学过程中也没有遇到什么难点，可是教材在后续出现了活化能、阿伦尼乌斯公式以及速率常数这些物理量，教师在教的时候不能把握这些内容的深浅，主要是因为不能理解这些量及概念的引入的原因，所以教师在教的过程中显得很生涩，因此学生在理解上也会出现问题。场外讨论：教师1：我们在教学设计中应该充分利用学生原有的认识。既然我们学生当中已经具备这样抽象的认识，那我们在教学设计中就要充分利用，让学生进行推理，泛化。教师2：对化学反应速率，选修4第二节影响因素的教学，在必修中已经提到了影响因素，所以我们同样可以采用提问的方式引入教学，而把时间用在理论的解释，就是为什么这些因素会影响化学反应速率，用碰撞理论、活化能理论去解释，把理论解释作为一个重点。还有一个实际的应用方面，就是把重点放在影响因素在实际中的应用这些地方。对于化学平衡这部分，在必修中提的非常简单，只提出化学反应中有限度，反应不能进行到底。所以在选修中重点是平衡的建立，刚才有很多老师也提到了，就是平衡的关联，平衡时候的特征有哪些，我认为在选修4中这部分是真正知识的衍生，拓展，难点也是在这个地方，所以我们在化学平衡的平衡观的建立，还有平衡状态的的特征，平衡常数、转化率及计算，就是定量方面在这体现的比较多。对最后一节，对中学阶段化学反应进行的方向只要点到为止，不要太拓展。王磊：总体来看，关于这部分内容的教与学主要有两个层面的问题：一是具体性的难点。这类问题有很多，因为这部分内容的知识点很多，如何落实具体的教学要求，学生在这儿也会遇到一些问题，有些教师自身也不能很好的把握。如刚才徐老师谈的关于平衡常数、转化率、平衡态、限度等概念之间的关系，我们在培训中也经常听见老师反映这方面的问题，我们访谈学生的时候学生就更不明白了。二是观念性的难点问题。就是说这章教材我们到底要发展学生什么，要为学生对化学反应的整体发展贡献什么，承担什么样的责任，具有什么样的功能价值。也就是说这些具体知识点背后的认识发展的功能价值及其实现。我认为老师们在这方面也有难点。其中最典型的就是平衡常数和速率的教学。虽然平衡常数是新增内容，但是这个知识及考点都太典型了，因而它除了具有计算的价值之外，那么它还有什么意义。还有一个就是速率，没有太明显的新增知识，但是必修和选修都要讲它，这时就有一个挑战，就是教师在选修阶段教速率又该教什么，为什么而教。我想这里都反映出来了观念性建构的难点。2 如何理解化学反应方向、限度及速率的学科本体问题?主持人：通过现场嘉宾的讨论及场外采访，发现这一部分内容从教师的角度来看存在的问题主要是两个大的方面：一是关于学科本体的理解。通过调查与梳理，我们认为主要存在这样一些问题：对一些概念的理解，如如何理解熵、如何理解自发反应；还有就是一些关系，如刚才徐老师谈到自发反应与反应方向的关系、化学反应限度、化学平衡状态、平衡常数与平衡转化率之间的关系。在速率这部分主要是对活化能这一概念的科学理解。面对这些问题我们也请教了北京大学的高盘良教授和北京师范大学的王明召博士。高盘良教授专访（场外）高盘良：熵一般的理解就认为是乱七八糟，一个房间中衣服也不洗，被子也不叠，乱七八糟就是熵增加了；一副扑克牌往桌子上一扔，就说熵增加了。我认为这些都是对熵概念的错误理解。熵的概念建立在两个基础上：一是要有大量粒子才能谈熵，少量粒子谈不上熵；二是混乱度即为“均匀度”，越混乱就越均匀，事物存在的概率就越大。说道概率大家可能不陌生，如八个硬币，一扔出去，概率最大的状态是四个正面，四个反面。我们所谓的熵增加就是朝着概率增加的方向发展。所以我觉得对熵的概念的话，要有一个正确的理解，但是对于这个问题我仍然坚持这样的观点：先不熟悉，能够简单的把熵说一说；到将来逐渐熟悉，最后到熵的概念能在中学阶段讲好。我觉得这是对我们中学教学，对人才培养的贡献。主持人：那在化学反应方向这一部分，还有一个很重要的概念就是自发反应，老师们不太清楚应该怎样向学生介绍这个概念，而且很多老师本身对自发反应这个概念也存在着一些误解，能把这个概念再给我们解释解释吗？高盘良：任何一个变化都有一个方向问题，都有限度问题，包括化学反应。如水从高处向低处流，这是一个方向。我们说一个反应也有向哪个方向进行的问题。如氢加氧变成水，就是氢氧反应的方向。假如这个方向不能发生，可是我们又要得到这个产物，我们就要研究另一个条件让其变成自发进行的反应。所以方向问题不是一个可有可无的问题，而是实实在在的我们要研究化学问题的时候必须解决的一个问题。方向问题没有解决其他问题都没有研究的必要，因此我们要研究这个方向在这个条件下能不能发生，在另外一个条件下能不能自发，所以方向问题是第一位的问题。那么什么叫自发反应呢？就是说在温度、压力一定条件下，不进行任何干预，能够自动进行的反应。如氢加氧可以自动的变成水，水就不能自动的变成氢和氧，因此氢加氧变成水是自发的，水变成氢和氧是非自发的。这是一个很重要的问题。如水电解变成氢和氧行不行？但是经过了干预了，给了电功了。如太空中的水汽在日关照射下，在雷电的作用下，可以变成氢原子和氢氧自由基，这就不叫自发反应，因为有日光、雷电的作用。主持人：原来我们从来不提反应限度，现在提反应限度，那化学反应限度和化学平衡状态是什么关系？是不是就是全等的关系，完全可以相互替代的？还有就是平衡常数和平衡转化率又是什么关系？是不是它们都可以既描述限度，又描述平衡状态，又都是完全一一对应的？目前看来，很多了老师都是把这些完全等同起来，高老师您怎么看这个问题？高盘良：反应限度的问题是一个普遍存在的问题，这里要分两个层次来说：一是有的反应的反应物能够全部彻底的变成产物，压根就没有平衡就谈不上化学反应限度，化学反应限度就为1。二是有的反应就不是这样，如氮加氢变成氨，这个反应并不能氮加氢全部变成氨，到了一定的时候就停住了，既有氮加氢，又有氨，这个反应就到了某一个程度就不能往下进行，这时就有一个反应限度的问题。反应方向问题完了之后，如果存在化学平衡，接下来就是反应限度在什么地方。所以我认为化学反应限度是化学反应的另一方面问题。关于反应限度与化学平衡状态的关系，首先我要说一个反应限度就存在一个反应平衡常数，但是对应着平衡常数的反应限度有千千万万个平衡状态，所以不要把反应限度与反应平衡状态联系在一起，与反应平衡常数联系在一起是可以的。转化率虽然受反应平衡常数的制约，但是它又不完全决定于平衡常数，如反应物的比例。所以平衡转化率从反应物的角度来反映限度，是从局部反映的反应限度。而平衡常数是严格的、确定的限度的一个定量表现。二是化学平衡常数与平衡转化率，平衡转化率只要改变如浓度比例关系就行。还有这么一个说法：“反应平衡常数越大，反应限度就越大”，这并不正确。一个反应就只有一个限度，但是平衡常数随反应书写的方式不同而不相同。如二分之一氮加二分之三氢变成一个氨，与一个氮加三个氢边变成二个氨，这两个反应的平衡常数显然不同，但它们的反应限度就只有一个，在温度、压力一定的条件下反应限度就是有一个。所以不要说平衡常数越大反应越完全，完全就是彻底，只有我刚才所说的是完全的，其他的都不完全，只是有的反应程度大一点，还是小一点；离1近一点，还是离1远一点。王明召博士专访王明召：如果没有反应历程的概念，学生很难理解活化能的含义，因为只有基元反应的活化能才有明确的含义，总反应的活化能的含义至今仍不清楚。因此，基元反应、反应历程等概念是整个反应速率理论的基础。3 如何理解化学反应方向、限度及速率的教学问题？主持人：刚才两位老师已经比较系统的就具体问题进行了解释，应该说老师们在教学中遇到的第一方面问题基本上得以解决了。下面我们来看第二个大方面，就是关于教学的问题：一是整个内容的定位；二是具体策略的选择。王磊：我们实际在进行一节具体内容的教学时，一定要先确定整体思路，所以这部分内容的教学研讨首先应该讨论整体思路的确立问题，如果没有整体思路的确立，一下就进入到具体知识点的拆解很容易迷失方向。如何确立整体思路？我觉得首先要关注到这几个部分内容教学的大体顺序，本章内容的各节教材的基本顺序的问题。可以按照人教版教材，它实际上是先讲速率再讲平衡然后再讲反应方向，这种设计思路可能是考虑到：一，原来用速率讨论平衡问题，用速率解释平衡移动为什么会发生，所以要先讲速率；二，它认为速率没有什么新增知识内容，比较简单，所以要用速率过渡一下，然后再讲平衡。它认为平衡是重点，反应方向是上位的主要因素的建立，并不需要落实到能力和方法上面，就不是这么重要，而且学生反正也说不清楚，所以就可以放在后面带一下。也就是说除了讨论速率及其影响因素之外，我们还应该关注化学反应也存在着方向，但是具体是什么情况，在高中阶段就不作过多要求了。我们认为人教版这样的一个设计就是这样的一个想法。另外我们以鲁科版教材的顺序为例，它反映出了另一种核心内容关系的想法。它先讲反应方向再讲平衡再讲速率最后到合成氨的综合讨论，体现了学科讨论化学反应相关问题的思路。就是说先要讨论能不能发生这个反应；然后讨论发生反应的限度；其次再讨论现实问题，就是在某种情况下是不是马上就发生了，也就是速率动力学问题；最后综合方向和热力学指标，加上动力学指标，看一个真实的问题。我想这就是鲁科版主张的教学顺序，代表了学科的思想和学科的思路。当然，老师可以综合两个版本的教材及两个顺序设计背后的意图，选定自己的教学总顺序和总思路。但是我想不管怎么样，无论是按鲁科版顺序展开，还是按人教版顺序教学，最后都要回到学科在讨论化学反应的时候顺序，教学的时候可以按照由简单到复杂，但是最终要让学生体会到真正面对一个化学反应的时候应该要先讨论可能性问题，再讨论限度问题，最后讨论动力学问题，不然会对学生产生一些认识上的误导，甚至是学生不能形成正确的思维路径，学生看到反应之后都盲目的关注现实性，或者是只关注可能性而不考虑现实性的差别，这是属于宏观整体的思路定位问题。进到每一个核心概念之后，依然还有一个整体思路的确立和定位问题。如反应方向，这就要看所走的脉络。如果指向不仅让学生知道确立反应方向的角度，而且还要让学生知道影响反应方向的因素，还想让学生知道影响因素之间的关系，甚至还想让学生了解知道了关系之后的用途：不仅能够判断和理解一个反应的发生，还能预测或设计、控制或调控反应。如果是这样的话，那么教学思路肯定应该包括在开始的环节要让学生建立这个思路，还要在最后的环节加进去用合适的教学素材引导学生思考如何利用判据去分析、调控及设计反应。平衡也是这个问题。如果仅仅是为了知道平衡常数，那是一种教学设计。如果是为了用平衡常数，那肯定在第一课时的教学设计中要加环节。我们在设计平衡移动教学的时候，如果仅仅是为了通过实验证明平衡移动的基本规律，那是一种设计。如果不仅仅是要证明，我们还用运用平衡移动的一般规律去设计反应，主动的调控平衡的移动和变化，那么又是另一种设计思路。我认为这是很不一样的。然后可能才是具体策略和具体问题的设计。王卫平：王磊教授从整体的思路上说了这章的整体定位和设计的问题。从这方面来说，如果把方向、限度和速率能够这样做一个整体化的构想的话，我想学生在整个这一章学完之后，应该有这样几个层次的过渡：首先增加了对化学反应的认识视角。视角一下子就丰富为反应还有方向性问题、反应还有限度的问题、反应还有速率的问题。也就是说学生在原有的知识水平上，是不知道化学反应方向的。可以这样说学生在原来仅仅学了物质及物质之间的关系之后，可能根据一些反应规律，大体能判断有些物质放在一起是可以反应的，有些物质放在一起是不能反应的，并不知道里面所包含的原因。通过这一部分的学习，让学生知道有这样一个可能性的视角。之后学生就会觉得是否有了可能性的反应就真能发生？我们随着进一步的学习又发现不行了。有了方向，如果限度不合适，这个反应也没有意义。再进一步如果方向性也存在了，限度也还行，发现速率不行了，这个反应可能就又不可以了。所以学生在这一方面的认识就过渡到第二个阶段，也就是说体会到理论的研究与现实的应用是有差距的。学生不断的收集、整理这些差距，等整个这一章学完之后，学生就会发现原来理论的研究与现实的应用的差距是可以经过人为控制去干预的。所以我认为如果这一章的整体构想存在的话，学生的认知思维如果发生这样的变化，那么我开始说的那个问题就不存在了。也就是说老师如果觉得自己教的化学反应方向的尺度把握的是合理的，而仅是学生理解不到位，那么可能就存在教师在教的过程中有关方向性背后的价值没有给学生点破，或老师知道，但是不愿意给学生点破，不点破学生就是不知道。所以我建议教师可以把概念原理背后的价值功能就很直截了当的告诉学生。主持人：两位王老师结合具体的课例，从不同的角度具体分析了老师们在教学中遇到的问题的背后原因。我们发现最关键的问题就是整体思路的确立，既包括三个内容之间的关系，也包括每一个核心内容内部各要素之间的关系。通过王卫平老师的介绍，我们发现三个内容整体之间的关系老师们还是比较容易把握的，因为从学科上就应该是这样认识反应的，是很容易梳理清晰的。但是具体内容内部的关系相对来讲更加细腻，所以就会更加复杂一些。接下来我们就围绕一些具体内容和老师们展开讨论。二、化学反应限度的教学现状新课程中化学反应限度的教学是如何实施的？与原来有什么变化？徐敏：我们还是按照教材的顺序，还是先讲K，然后是K与转化率之间的计算关系，再进入到勒沙特列原理的教学。一般的设计也是为了去探寻浓度、温度及压强这三个因素，通过学生设计实验发现平衡移动的方向，得出勒沙特列原理。王磊：在平衡移动的教学中，人教版主要是勒沙特列原理的水平，教学就与原来的平衡移动教学差不多，而且主要目标是放在归纳得出勒沙特列原理。徐敏：对于平衡常数，教师在教学的时候关注的点是很少的。如给出一个具体的案例，统一温度下不同的投料方式，发现有这么一个定量关系就结束了。王磊：也是先概念形成，把平衡常数的关系先建立起来。然后是不是就会介绍一些注意事项，如书写的方式，等。我印象中教师在这一块处理的还是很精致的。然后还会讲平衡常数和转化率的关系，怎么由平衡常数算出转化率，转化率怎么算出平衡常数。基本这就是一课时。王卫平：我对化学平衡状态的教学也经历了这样几个过程：在04年及05年教学的时候，我也是这样教的。就是先出化学平衡的概念，然后出影响因素，完了之后出勒沙特列原理，然后将规律用于很多问题之中，最后顶多出平衡常数，仅用于计算，即表达式正确，计算合理。后来随着课程的推进及交流，我们慢慢开始觉得平衡常数教学过程中应该是由它带出平衡状态，所以我们后来的教学就完全改变，改成一上来就先把平衡常数告诉学生，也就是说先让学生感性的认识有一个化学平衡状态存在，也就是说可逆反应什么时候到“头”了，并不像我们想像的反应物都没有了就结束了，有的时候是反应物和产物都在的时候在表象上是已经结束了。所以让学生先建立了平衡状态。然后这样一个平衡状态可以用什么来标定呢？就出平衡常数。因为它显然就是一个实验数据，所以完全可以给学生。平衡常数的概念建立以及平衡常数与平衡状态对应关系建立之后，我们就可以引出浓度商，让K和Q之间有比较关系，来确立后面影响因素的影响规律。这样我们就能够用K解释一些影响因素的问题，以及用它来看有关化学平衡状态的问题。王磊：08年山东优质课评比，当时全省各个地市都是围绕着化学反应限度这一节教材来进行的课程展示和设计。一共3课时，当时是这么安排的：第一课时是平衡常数，第二课时是温度对平衡移动的影响，第三课时是浓度和压强对平衡移动的影响，这3课时中分别都有6-7个地市来展示课。听完这些课之后，我们就感觉到老师们对平衡常数教学的不同水平，对平衡移动教学的不同设计思路。我关注到他们讲平衡常数，很多老师都把注意力放在了平衡常数的注意事项上，严格说是把注意力放在平衡常数表达的教学上，他们会在这里精致，举一些例子，如为什么要注意T，为什么要注意角标，等等，老师们在这上面有很多具体的策略，应该说也达到了很好的效果。平衡常数和转化率的关系老师也会说，但是他说转化率的时候，都是强调转化率是一个组分的。下课之后我们问了学生这样一个主要的问题：必修也学可逆反应与平衡，现在学了平衡常数再看平衡你觉得有什么发展？学生居然把选修和必修割裂开来，这是一个值得反思的问题。我们还发现学生对于平衡常数与转化率的关系的认识都停留在老师所强调的角度上，与平衡状态割裂开来。也就是刚才徐老师谈到了我们对这几组概念关系的学科本体的认识方面暴露了很多问题，包括课下访谈讲课的老师，我们发现老师们实际上对反应限度到底对着谁，就是这一组定量的表征里面，谁是反应限度的标度搞不清，谁跟着平衡状态走，平衡移动的本质是什么，等这些老师们都搞不清楚。虽然平衡移动的词老师老说，这些概念名称也老提，但是没有把平衡状态与平衡常数之间的关系弄明白。这就反映出教师在教学的过程中不考虑左边表达式的意义，要么就只关注右边，要么只关注左边如何去表示，没有把左边和右边的认识功能给建立起来。还有一个，我们发现很多老师就是讲右边数值的时候，也没有让学生体会右边数值的意义，不同反应的平衡常数的意义，以后再看到这些平衡常数的时候应该关注什么。我觉得这是平衡常数教学中表现的最明显的问题，必修与选修没有联起来，左边与右边没有联起来，数值本身该怎么看、怎么用也没有打开。在第一课时中教师还要讲浓度商，绝大部分老师在讲浓度商的时候就跟贴膏药似的，浓度商与K的关系、浓度商与可逆反应的关系都没有，就是把浓度商当成一个知识点引了出来，非常生硬的把K、Q关系念了出来。到了第二节课开始讲平衡移动规律了，就会出现截然的分化。三分之一不到的老师K、Q没有了，就剩下勒沙特列原理了。我们访谈的时候老师的理论就是说K、Q很复杂，勒沙特列原理简单、好用，为什么要讲K、Q呢？这个判据并不好用，还要算。还有一部分老师半信半疑的讲，K、Q作为一条线，勒沙特列原理作一条线，两条线都有，总结的时候也是两边都总结。我们访谈的时候老师说：教材中有，所以不能不讲，但是我们也不知道这两个之间要怎么整合，所以就都讲了，讲的方法还是按照证明它存在，就像证明勒沙特列原理一样。有少部分老师开始心甘情愿的在用K、Q判据，把勒沙特列原理甩到后面，而主线是用K、Q判据来推的，这时候又会出现两种情况：一种情况就是还是为了得出K、Q关系，还是实验在先，K、Q在后。另一种情况就是用K、Q做分析和预测，先让学生预测平衡移动的方向，然后用实验事实去证明。甚至有一个老师在讲压强对平衡移动影响的时候，让学生先理论分析压强的影响，然后让学生设计实验证明猜测，最精致的是教师在教学过程中做了这样过渡语言的设计：我现在要改变压强，压强要增大一倍，在实验中要如何操作？然后告诉学生具体的操作方法。因此我在点评的时候夸奖了这位老师，我认为这位老师已经体会到了一些比较精髓的东西。主持人：通过刚才几位老师的分析，我们会发现平衡常数的功能已经非常的丰满了，不仅仅局限在计算这个方面，如王老师刚才提到的平衡常数可以帮助学生区分一些基本概念，例如反应限度、平衡状态，等等。另外平衡常数和K、Q的关系也可以来表征这个平衡状态，深化学生本身对平衡状态的理解。关于平衡移动规律，很多老师是在用平衡常数和浓度商的关系来解释平衡移动规律，这比过去有了很大的改进，原来是在用正逆反应速率的变化来解释平衡移动规律的，没有任何的事实依据，因为任何一个反应是不可能测出正逆反应速率的，所以所有的都是非常抽象的理性推导，而这些理性的推导对浓度对化学平衡的影响还比较容易理解，到了温度和压强就显得特别困难。所以有一些老师尝试这走K、Q线索，用它去解释，能走下来说明还是找到了一个解释平衡移动规律的途径的。但是要想在教学中进行实践，还是需要具体的教学活动进行支撑。而且看来是一个系统性的问题，不是说到了第二节讲平衡移动规律的时候，想拿出来用就可以用的，可能这时候就会连带着引起化学平衡常数的教学设计的变化。下 部三、化学反应限度教学设计改进及研讨1. 化学反应限度第一课时的教学设计改进及研讨徐敏：我们认为第一课时是第二课时的基础，第一课时可以这样来设计：首先让学生弄明白什么是化学反应的限度，与平衡常数之间的关系。鲁科版教材中有一个交流研讨活动，有一个碘和氢气反应生成碘化氢的实验数据，就是相同温度下不同投料方式，当各组分浓度不再变化，就是反应达到限度了，怎么让学生感受到限度的标度是什么。教材的意图就是让学生通过数据分析发现，达到平衡的时候生成物浓度的次方比上反应物浓度的次方是一个定值了，由此就引出了化学平衡常数。如果这个活动就此结束的话，实际上功能还是不够的，还要继续引申，让学生理解平衡常数K是化学反应限度的标度，与平衡态之间的关系。通过数据观察，发现原来温度不变的时候，K对应着多个平衡态。学生依然会认为这个很抽象，在具体教学策略上就可以选用溶解度这个概念。学生对溶解度的概念还是相对清楚的，就是在一定温度下物质溶解达平衡之后对应的溶解度是一个固定的值，但是在实验过程中可能选用的溶剂、溶质的量并不相同，而比值是一样的。通过这样一个类比的方式，学生对K与平衡态之间的关系理解相对比较到位。还可以再加一个活动，可以给学生提供一个很抽象的反应，如A和B间的转化，给学生一个平衡常数的数据，让学生进行具体的赋值，感受一下在一个温度下一个K可以对应无数多个平衡态。我们先把化学反应限度、平衡常数、平衡态三者之间的关系弄清楚之后，还要把功能体现出来，教材在这方面实际上是有所提示的。教材中提到了这样一句话：“同类型的反应，平衡常数的大小反映了化学反应可能进行的程度，平衡常数数值越大，反应进行的就越完全。”这实际上就体现了平衡常数K的功能，但需要将其转化为思考性的问题，所以在前面基础之上我们还要问平衡常数的大小意味着什么？让学生分析。然后接着问学生平衡常数有了之后它有什么价值？在课堂上我们可以把这个问题抛给学生，学生实际上是可以做到的。有学生就说可以判断一个反应是否达到平衡态，老师追问如何判断？学生就回答可以测任意时刻三个浓度之间的比值，如果与K 相等了就达平衡了，这样一来浓度商的概念就引出来了，同时K的功能也体现出来了。这样自然而然就可以让学生判断当K、Q不等的时候，化学反应正朝着什么方向进行，相等的时候又是什么情况。专家点评及教学建议王磊：这是一个非常典型的概念教学，但是徐老师教平衡常数的概念教学与其他老师教平衡常数的概念教学的味道是不一样的，境界也是不同的。很多老师是为了把这个公式得出来，这一部分可能还差不多，完了之后基本上就停住了，就放在注意事项的解读上，然后就开始小题目训练，没有功能与意义，也没有理解，更没有变式。而徐老师的教学则先建立了K和反应限度的关系，这个确实很重要，这就是引入K最直接的一个功能，是对反应限度的一个定量标度。必修的时候，我们对反应限度是一个模糊认识，到了选修因为有了K，我们就可以有一个准确的认识，在一定温度下反应达到了一个极限值。怎么理解极限值，与必修学的平衡状态是什么关系？徐老师在教学中将其作为了一个重点，而不是简单的放在括号中什么能写，什么不能写，解决了一定温度下对应到着多个平衡态。我也认为这个非常关键，如果没有这个观点，就没有所谓的平衡移动的建立，因为平衡移动就是在限度一定的情况下，不同平衡状态的转移。当然还有一种移动，是由限度引起的。在这儿徐老师还用了一个类比的策略，就更成功了，一举两得：一方面把平衡态与限度的关系弄清楚了，另一方面也为Q的引出埋下了伏笔，对溶解度的理解做了提升。还有一个就是她把K值本身打开了，告诉学生面对K值我们应该怎样思考。徐老师挖掘了教材中的陈述性语言，并将其转化为教学问题，同时引出了一个很重要的问题：学了K还能有什么用？这就相当于我们必修讨论氧化还原，氧化还原是一个核心概念，它的教学大家都特别轻车熟路，但是大部分的氧化还原教学都停留在概念的建立和概念的基本理解，而没有引申到概念功能的实现上。而老师成功的案例其实改造的也就是最后一个部分，立刻氧化还原的教学就不一样了。刚才徐老师平衡常数这节课的这个案例也告诉我们，最后这个环节太有价值了，这一下就超出了具体知识，平衡常数的建立可以帮助我们分析是否达到平衡态了、怎么达到，这就有方法论功能，就是强调了左边。平衡常数的意义可以帮助我们看到程度和趋势，Q就可以自然而然的引出和应用。2 化学反应限度其他课时教学设计及研讨主持人：通过这样的教学，学生对平衡常数的认识应该会有非常大的变化。后面的课时又是怎么设计的呢？徐敏：后面的课时主要围绕两个核心问题来进行设计的：一是探究温度对平衡移动规律的影响；二是探究浓度对平衡移动的影响。进行温度对平衡移动规律的影响的教学时，首先给学生选定了一个探究体系，就是二氧化氮和四氧化二氮的平衡，让学生先分析K随温度的变化，这是作为一种数据给出的，让学生认识到在放热反应中的K随温度的升高而降低。然后在这个基础之上让学生设计实验，探讨温度如何影响平衡。学生会想到将其放到冷水浴与热水浴中看有什么不同，通过实验现象让学生用K、Q关系解释和分析平衡移动的原因，最后得出平衡移动的规律。浓度对平衡移动的影响也是类似的，也是让学生设计实验，学生就会想到增大或减少反应物浓度，学生操作具体的方案，看到现象之后用K、Q关系进行解释，最终归纳得出平衡移动的规律。第三个环节将规律做一个具体的应用，让学生具体分析二氧化硫和氧气反应生成三氧化硫及工业合成氨这两个体系，体会在工业生产中的应用。王磊：在这样的教学中我也很关心学生接受K、Q关系的分析过程中，是自己将K、Q关系与实验事实关联起来的，还是都是老师在做解释呢？徐敏：这个学生还是可以做到的。可以实现把实验事实与K、Q关系对起来，形成一个自洽性的解释。学生自己做出解释没有太大的障碍。主持人：这一部分我也见到过这样一个课例，它实际上是源于学生的认识障碍，因为一般老师讲到平衡移动规律时，上来就直接给出三个影响因素：浓度、温度和压强，有些老师会说这些会影响速率，会不会影响平衡呢？我在听课的过程中发现有些学生会在底下嘀咕：为什么就会想到这三个？这就促动了我们形成这样一个想法。后来就在第一课时与徐老师设计类似的情况下，在第二课时稍微做了一点调整，因为第一课时已经总结出了用K、Q的关系判断平衡移动的方法，学生已经知道K、Q相等的时候达到平衡，小于的时候什么样，大于的时候什么样了。所以在这一节课设计了一个衔接性问题，就是给学生一个反应，提供各组分的浓度，让学生判断这个时候有没有达到平衡状态？如果没有达到平衡态，这个反应在向哪个方向进行？这个问题回答清楚之后，马上就提出来一个问题，就是对于一个已经达到平衡态的反应，那么想让它不平衡，要让其发生移动，可以怎么办？因为通过第一个问题的分析，K、Q的关系就放在那，这是学生判定的依据，所以学生印象很深，通过讨论，学生很容易迁移出来只要让K、Q不相等。老师追问怎样可以让K、Q不相等？可以通过什么手段让它两不相等？学生首先想到温度改变K值，因为在第一课时中已经说了温度变了K值就变了，所以改变温度让限度整个都变了。也有学生想到改变浓度，老师追问改变浓度有几种方式？学生说可以就改变一个物质的浓度，K、Q就不相等。因为老师给了一个前后计量数不相等的反应，所以就有学生想同时等倍数的改变所有物质的浓度，那么这个比值与原来也发生变化了。老师就引导学生思考这两种改变浓度的途径，如果做到实验条件的控制上，怎么实现？学生就是想到改变浓度，或者改变压强，特别是对于气体的反应，通过缩小容器的体积。这样就差不多用了十来分钟的时间就把这三个因素是怎么来的讨论清楚了，接下来就来看一看改变这三个因素的时候平衡是怎么移动的？首先还是从比较低点入，因为温度变了，K值大小如何变对学生来讲很困难，只能给事实，不能让学生有特强烈的成就感。所以老师先讨论的是浓度，让学生预测增大或减小反应物浓度平衡如何移动？这时候学生就先预测得出结论然后让学生设计实验。到了压强，就很容易的一脉相承下来了。而且讨论完了浓度、压强对平衡移动的影响之后，老师让学生反思浓度和压强的改变会对化学平衡产生影响在本质上的相同点和不同点是什么？这其实就解决了这样一个问题：学生弄不清楚一些复杂平衡移动体系，如充惰性气体，到底浓度变不变？压强变不变？或氢气和碘蒸气化合生成碘化氢，充氢气的时候什么样？充碘化氢的时候什么样？通过这个问题的讨论，学生就明白了其实本质上都是改变的Q值，只不过一个是改变单一组分，一个是等倍数的改变所有物质的浓度。然后就进入温度，温度这部分的处理就跟徐老师的类似。专家点评及教学建议王卫平：我觉得支老师刚才说的教学设计让人感到非常的舒服，因为整个过程教师不断的提出驱动性问题，在最关键的地方提最关键的问题，然后一直带着学生走下去。从第一课时到第二课时的过渡时，让学生先验证，也就是说之前第一课时已经先理解K了，也建立了K、Q之间的关系了，也知道K对应的平衡状态，那么给学生提供任意时刻各组分的浓度关系，让学生先看看它是否在平衡状态，然后学生就开始验证。现在我们知道不平衡，知道往哪个方向走是到平衡，如果给出的是一个平衡状态，应该怎么改?这个问题实际上是学生由先前的知识领悟去验证，到现在开始主动的用其所学的知识来去干预和设计平衡移动的方向。也就是我们刚才说的一直在带动着学生，学生自然而然就是会被老师牵着去找K和Q的变化。还有整个问题的驱动解决了教学中的一贯难点，因为在这一部分无论是落实知识还是落实学生的思维判断能力、方法意识的时候，学生一般理解不了压强的改变事实是浓度的改变而导致的，因为学生在这建立不起合适的模型，不能很直接的接受压强的改变是通过浓度的改变而造成的这种事实，老师只能说，让学生去想象。如果能用这样的一些问题驱动，让学生自己感受到浓度改变和压强改变的相同点都是改变反应物和生成物的浓度，不同之处只在于是一起变还是单独变。所以我认为这样的话，就可以将浓度和压强放在一起讨论其对化学平衡移动的影响，而不是割裂开来讨论。王磊：大家可以看到这几个处理，围绕着K的不同的层次，其实也是学生培养能力的几个空间层次的定位。最简单的层次就是接受K，这就是常规教学，不用说了。但是这样的话，核心知识的价值就没有展开。第二个层次就是理解K，就像徐敏老师对第一课时的改造，就是要把数值的含义和功能体现出来。同时要能理解数值含义的体系要素构成，通常认为平衡常数就是一个数，这个没有意义。但是这个数背后是有物理意义的，就是这个可逆反应体系的浓度组合，是一个关系变量。还拿初中的溶解度来理解，溶解度是个概念，通常老师也认为它是一个数值，但是这是不对的。如果把它当做一个数值，那么影响数值大小的因素是什么，这么去进行教学的话是打不开的。老师们应该想象到溶解度的概念和平衡常数的概念都是一类概念，都叫关系概念。这个数值的含义表达了一个体系中的不同组分的数量关系，溶解度表达的是溶质、溶剂的数量关系，K表达的是反应体系中各组分浓度的关系，到此为止。但是这个关系实际上是可以往里面赋予具体的数值的，最后都要等于这个K，这就是限度。这就叫理解，但是还不够，还应该展现出深度理解的功能，就是K的功能。K的功能也有三个层次：一是用K判断是否达到了平衡态，这就是深度理解的结果，这就是支老师课例的第一个环节。二是预测条件改变时平衡移动的方向，就是当施加某种条件改变的时候，让学生预测平衡移动的方向。这也是通常我们平衡移动教学应该达到的能力水平。这时给学生提供移动的条件，让学生利用K、Q判据去预测移动的结果。三是不告诉学生施加的移动条件，而告诉学生移动的方向，让学生自行设计，或者连平衡移动的方向也不告诉学生，让学生设计各种可能的情况。这比刚才预测移动方向能力施展的空间和挑战更大，也说明要求学生对K的含义和功能理解的更深刻。最高层次就是实施，其实是与设计在一起的，只不过有的设计是理论性设计，更高水平的设计就是将设计用实验表现出来，这更具有实践能力的培养，就和理论设计到工程实践一样。在这个方面现有的平衡常数、平衡移动教学还是比较缺乏的。支老师刚才展现的案例最主要的突破就在这个地方，如果支老师刚才的案例在判断平衡移动完了之后，在加一级预测平衡移动方向，然后再是设计，然后实施，恐怕就特别完整的展现了平衡常数教学应用的各种形态和要求了，也是对平衡移动规律教学的不同层次。基于设计的教学还有一个很重要的学科思想，就是控制变量，将其变成一种思路，就是如何改变平衡状态，两大路径：可以改变右半边，也可以改变左半边。这个大的思维路径的建立，其实就把T、压强和浓度改变区分开来，这也是很重要的。主持人：这样的话就实现了对平衡移动的控制。刚才通过几位老师的讨论，实际上给我们展现了围绕着平衡常数来进行平衡移动及反应限度相关内容教学的不同范式、不同水平。那么老师们可以根据讨论，首先来诊断您现在的教学处于什么样的情况，然后您一定有可以进一步发展的空间。四、化学反应速率的教学现状及教学案例研讨主持人：关于化学反应速率，老师们在教学中遇到的问题就像刚才王卫平老师谈到的，它实际上是由内容而带来的，因为从课标上来看，必修和选修关于化学反应速率的内容没有特别明显的层级性差异。从教材来看，不同版本的教材又有不太一样的地方，所以老师们在进行化学反应速率教学时候，发现教材的内容与必修差不多，该如何设计呢？于是一般情况下的着力点就放在了两个点上：一是利用碰撞理论或活化能理论对影响反应速率的因素进行微观解释；二是在必修水平上的重复，换情景，就是在实验探究上下功夫，如必修探究影响化学反应的因素用的是过氧化氢的反应，到了选修就换成硫代硫酸钠与酸的反应，或高锰酸钾与草酸的反应。而高锰酸钾与草酸的反应又有一个特点：是一个自催化的反应，刚开始反应的时候反应速率很慢，但瞬间反应速率就提高了，是因为这个反应生成了二价锰离子，对反应有催化作用。于是老师就让学生先设计实验，大目的是探究浓度、温度对化学反应速率的影响，然后让学生实施实验，学生实施实验的过程中，硫代硫酸钠的反应就很顺利的完成了，而高锰酸钾这个反应则发现了这样一个特殊现象，于是对这个现象进行分析，提出新的假设，再进行新一轮的实验验证。还有一种情况就是像鲁科版教材，因为关于反应速率在选修模块实际上是在定量的水平上来讨论影响反应速率的因素，以及影响反应速率因素之间的关系。所以在这一部分老师们在设计的时候就把着力点放在了定量关系的讨论上，我们可以看一下这样一个具体的设计：教学案例：化学反应速率师：上一节课我们学习了化学反应速率的定量表示方法，以及浓度对反应速率的影响。我们知道反应物浓度和反应速率之间存在着一种定量关系，如工业合成氯化氢，由实验测得的反应速率为v=kH2Cl21/2,有了这个表达式我们就可以通过改变某些条件来调控它的反应速率。如当k不变时，我们可以增大反应物浓度来加快反应速率，是不是？那同学们想一想我增大哪种反应物的浓度能更有效的加快反应速率？生：氢气。师：为什么？生：一次方。师：很好。那反过来，如果我们固定浓度，我们也可以通过改变k来改变反应速率。非常好。上节课我们还学过，对于气体反应，压强对反应速率的影响实际上就是浓度对反应速率的影响，是吧？好，那请同学们再回忆一下，除了浓度和压强之外，影响化学反应速率的外界条件还有哪些？大家一块说说。生：温度、催化剂。师：还有固体表面性质等等，对不对？好，从这个表达式上来看，这些因素并没有呈现出来，是不是？那我们可以断定它们是通过k来影响反应速率的。好，这节课我们就继续来探究温度和催化剂是如何通过k来影响反应速率的。下面我们首先来探究温度对化学反应速率的影响。师：大家仔细观察表中的数据，然后讨论温度对反应速率常数又怎样的影响？生：第一方面，随着温度的升高，化学反应速率常数有增高的趋势。第二方面就是对于不同的反应，升高相同的温度时，化学反应速率常数的增高幅度是不一样的。主要是这两方面。师：其他小组还有不同的意见吗？好，这位同学答得非常好。通过讨论我们可以得到如下的结论：第一，对于同一个反应如果升高温度，反应速率常数增大，因此反应速率就增大。而对于不同的反应如果升高相同的温度，对k的影响程度是不一样的，因此对反应速率的影响程度也不一样。这个同学的回答非常全面。通过讨论不难看出，反应速率常数应该和温度有关，应该是温度的函数，我们可以这样来表示k=f(T)，那么k和T之间的这种定量关系到底是怎样的呢？科学家们经过不懈的努力，已经为我们找到了答案，这位科学家就是阿伦尼乌斯。他经过大量的实验探究，总结出一条经验公式，我们把它叫做阿伦尼乌斯公式。那我们来看一看这个公式，T、e还有R都是大于零的常数，其中这个e是自然对数的底，所以它是大于1的。T就是温度，也是大于零的。Ea是一个新的物理量，既然A、e、R都是常数，那么k是不是只与T和Ea这两个变量有关？好，那么首先让我们从数学的角度来分析一下这个公式，请大家完成下面的表格，小组内同学讨论一下。师：当Ea不变，升高温度，反应速率常数增大，反应速率增大，下面两个温度减小。大家看我们分析的结果，当Ea不变，升高温度，反应速率增大，是不是与我们刚才表格中得到了第一个结论一致？这样我们就用阿伦尼乌斯公式解释了第一个结论。那么对于第二个结论，为什么对于不同的反应，升高相同的温度，而对反应速率常数的影响程度不同呢？那我们观察到这里还有一个新的物理量Ea，对不对？那这肯定和Ea有关。Ea叫什么呢？Ea叫活化能。那么什么叫活化能呢？我们先来看看什么叫活化分子。研究证明普通的反应物分子能量比较低，很难发生反应，而当它们吸收了能量，达到了反应所需的最低能量要求的时候才有可能发生反应，那么这种吸收了能量达到反应所需最低能量要求的分子我们就把它叫做活化分子。而活化能就是从普通反应分子到活化分子所需要吸收的能量。那为了更直观的表示它们的关系，我们来看一张图，因为每一个分子具有的能量可能不同，所以在这里我们取平均值。那么这个就是普通反应物的平均能量，这个就是活化分子的平均能量，那么它们的差就是活化能。因此就有下面的公式Ea=活化分子的平均能量-普通反应物分子的平均能量。好，那我们了解了什么是活化能，下面我们来看一些反应的活化能数据。师：那我们可以看到，不同的反应具有不同的活化能，根据阿伦尼乌斯公式，对于不同的反应，即使升高相同的温度，也就是T的变化值相同时，由于不同反应具有不同的Ea，因此这个式子的变化值也不相同。也就是对K的影响程度就不一样。那这样我们又用阿伦尼乌斯公式解释了第二个结论，那就是对于不同的反应，如果升高相同的温度，那对K的影响程度不同，因此对反应速率的影响曾度也不同。好，利用阿伦尼乌斯公式，我们还可以进一步讨论，可以得到下面的结论：就是活化能越大的时候，改变相同的温度，对反应速率的影响程度越大。师：那刚才我们分析，当Ea不变时，升高温度，反应速率常数增大，因此反应速率加快。而第二行，如果Ea增大，那么反应速率是减小的。很明显，如果我们能够让Ea的数值减小，那么就是说k怎么变？生：增大。师：反应速率呢？生：增大。师：这样就可以增大反应速率，是不是？但是哪种影响因素可以使Ea的数值减小呢？实验证明，催化剂可以减小反应的活化能，所以下面我们在来接着探究催化剂对反应速率的影响。师：大家仔细观察数据，然后讨论催化剂对反应速率常数有怎样的影响。师：我们来看看，加入催化剂以后，反应的活化能降低了，是不是？因此反应速率常数增大。从数据上我们可以看到，第一组生成酶和催化剂，无催化剂时，Ea的数值是107，但是加了催化剂之后就是36了，同学们说这个降低的幅度怎样？非常大，是不是？好，我们可以得到下面的结论：加入催化剂之后，Ea大幅度降低，所以k大幅增大，反应速率也大幅增大。刚才同学还回答了一点，那就是跟第一个讨论温度对反应速率常数的影响相比，催化剂对反应速率常数的影响程度非常大，那我们来看看这来那个组数据，大家看你的学案，交流研讨1和交流研讨2，观察一下这几组数据中k的变化。是不是确实是催化剂对反应速率的影响程度非常的大呀？好，因此跟其他的因素相比，催化剂是加快反应速率的最有效途径，所以很多反应都要用到催化剂。师：那么同学们能不能列举一些使用催化剂的反应？专家点评及教学建议徐敏：正如主持人刚才所说的，必修与选修并没有太大的区别，老师们也很纳闷既然反应速率放在选修中，除了实验变了变之外，就没有太大的变化。所以我们就把