化學平衡概念教學中的要素記憶

化學平衡概念教學中的要素記憶

科學非常重視理性。理性思維和實驗是科學的兩種基本方法。沒有理性就沒有科學。由此可以說,沒有理性就沒有科學素養(yǎng),不重視理性就不能搞好科學教育。然而,在化學教學中不重視理性的現(xiàn)象并不罕見。例如,在化學平衡概念教學中常見的“要素記憶法”:先引導學生閱讀化學平衡的定義,從中找出具有核心作用的“逆、等、動、定、變”五大特征,然后就用習題來鞏固、強化。筆者認為,這是一種基于死記硬背的機械學習,是一種低效學習,學生得到的是孤立的知識,這種知識難以被內(nèi)化,是一些學者所謂的“假知”。怎樣才能讓學生通過理性思維了解、把握概念的本質(zhì)并且學會理性思維?怎樣才是化學概念的有效教學方法?本文就以化學平衡概念教學為例,對基于理性思維的概念教學做一些初步討論。1理性思維是科學概念形成的基礎,是具有吸象性的理概念是反映事物本質(zhì)屬性的思維產(chǎn)物,是人腦在感覺、知覺和表象的基礎上,對感性材料進行去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里的理性思維加工和改造,即進行科學抽象的產(chǎn)物。人們只有在形成某事物的概念后,才能形成對該事物的判斷,才能進一步深化對該事物的認識。理性思維是人類的一種思維方式,包括抽象思維、邏輯思維和辯證思維等等,是人們把握客觀事物因果聯(lián)系、本質(zhì)和規(guī)律的能動活動。它敢于懷疑和批判,注重應用概念和遵守邏輯規(guī)則,比較全面、規(guī)范和嚴密。理性思維的成果具有抽象性、概括性,適用范圍較廣。但它需要以廣泛的經(jīng)驗為基礎,并且要接受經(jīng)驗的檢驗和修正。說得簡單些,理性思維就是運用科學抽象形成概念,運用概念進行判斷、推理等邏輯推理或者建構(gòu)模型、辯證思維活動的思維方式。任何科學概念都是理性思維的結(jié)果,而科學概念的應用也離不開理性思維活動。因此,概念的學習與理性思維有著必然的聯(lián)系,關(guān)于概念的教學應該是以理性思維為核心的理解性學習,教學內(nèi)容的組織也一定要有內(nèi)在的邏輯關(guān)系。2引導學生正確處理4個問題“化學平衡”這節(jié)課到底要學生學會什么?如何組織教學內(nèi)容,使其體現(xiàn)內(nèi)在邏輯關(guān)系?如何展開教學,使其成為以理性思維為核心的有意義學習和高效學習呢?筆者認為,一是要引導學生明確需要解決“為什么要研究可逆反應”、“可逆反應為什么有限度”、“化學平衡的定義和特征是什么”、“為什么要判斷以及如何判斷平衡狀態(tài)”等問題,這些問題構(gòu)成了有其內(nèi)在邏輯的課題問題系統(tǒng);二是要依次解決好這些問題。但是,這4個問題的明確不能采用由教師直接告訴學生的方法,只能通過引導學生理性思維來使他們發(fā)現(xiàn)、意識到需要解決這些問題。因此,這4個問題宜于逐步生成,其明確和解決都應該通過理性思維來實現(xiàn)。下面介紹筆者在教學實踐中的具體做法和思考。2.1模擬氨氣自然生成nh3的物質(zhì)在引入課題時筆者說:今天,我與同學們一起討論的問題,曾經(jīng)是一個世界級的難題,從19世紀初英國普遍用焦炭取代木炭煉鐵,使鐵的產(chǎn)量激增算起,到19世紀80年代末大約80多年時間內(nèi),許多化學家都沒有能夠解決這一難題。這是什么樣的問題呢?讓我們先來看兩個簡單的例子。問題1在一定條件下,使含1molH2O2的溶液分解,可以制取O2的物質(zhì)的量是多少?問題2在一定條件下,1molN2與3molH2充分反應,可以生成NH3的物質(zhì)的量是多少?學生很快計算出結(jié)果分別是O20.5mol,NH32mol。筆者指出:實驗結(jié)果也是這樣嗎?真實的實驗結(jié)果告訴我們:題1的正確答案是O20.5mol,而題2的NH3只能生成0.4mol,遠遠不是我們預計的2mol!為什么雙氧水能按化學計量數(shù)的計算結(jié)果完全反應,而合成氨不能按化學計量數(shù)的計算結(jié)果完全反應呢?題2中完全轉(zhuǎn)化應該生成2mol氨氣,為什么只生成0.4mol呢?類似這樣的問題,不僅困擾過煉鐵工程師,也困擾過一些化學家。19世紀80年代,法國化學家勒夏特列在研究高爐尾氣問題時提出:碳和二氧化碳之間發(fā)生的反應是一個可逆反應,氧化鐵恰恰是這個反應的催化劑,因而高爐尾氣中存在一定比例的一氧化碳是不可避免的。人們通過長時間的觀察研究發(fā)現(xiàn),化學反應分為兩種,一種可以進行到底,即反應物可以100%轉(zhuǎn)化為生成物;還有一種反應是不能進行到底的,即反應物不能100%轉(zhuǎn)化為生成物,反應最終得到的是既有反應物又有生成物的混合物。那什么是可逆反應?為什么可逆反應就不能進行到底呢?因為學生在高一上學期已經(jīng)學過可逆反應的定義,筆者在課上就讓學生回憶可逆反應的定義,并嘗試思考可逆反應為什么不能進行到底。2.2反應是否可逆反應可逆反應定義中最核心的要素是“同一條件下,正、逆反應同時進行”。為什么正、逆反應同時進行,反應就不能進行到底,就一定有限度了呢?筆者提醒學生用剛學過的反應速率隨時間變化圖來研究,同時繪制正反應速率和逆反應速率隨時間變化的曲線。隨著圖像的繪制,學生發(fā)現(xiàn),當其他條件不變時,隨著反應的進行,反應物的濃度會逐漸減小,生成物的濃度會逐漸增大,正反應速率逐漸減小,逆反應速率不斷增大,學生自己得出結(jié)論:最終正、逆反應速率相等,反應物、生成物的濃度不再變化,即反應物濃度不再減少,生成物濃度不再增大,反應達到了最大限度。此時從宏觀上看,反應好像停止了,盡管這時反應體系中還有反應物,但是它已不能有效地轉(zhuǎn)化為生成物了,反應物沒有100%轉(zhuǎn)化為生成物,所以反應不能進行到底,可逆反應一定有限度。這里必須強調(diào)的是,看上去,可逆反應的定義以及有部分反應不能進行到底的事實(如Cl2與水反應)學生原來就知道;同時,不能進行到底的反應是可逆反應,學生也知道。那么,我們在教學時是不是只要以復習鞏固的方式帶一下就可以呢?實際上,不少教師就是以讓學生回憶“什么叫可逆反應”引入本節(jié)課的。但筆者認為這樣是不妥當?shù)?因為原來學生頭腦中的可逆反應與反應限度并沒有經(jīng)過深入的理性思維建立起邏輯的關(guān)系、實質(zhì)的聯(lián)系。美國認知教育心理學家奧蘇伯爾把有意義學習的實質(zhì)概括為:“語言文字符號所代表的新知識與學習者認知結(jié)構(gòu)中已有的適當觀念,建立非人為性和實質(zhì)性的聯(lián)系?！边@里就是要注意使可逆反應與反應限度兩者建立起非人為性的、實質(zhì)性的聯(lián)系。筆者通過網(wǎng)絡收集并比較了本節(jié)課的許多教學設計,發(fā)現(xiàn)多數(shù)設計的知識目標定位是:(1)理解化學平衡狀態(tài)的涵義;(2)明確化學平衡狀態(tài)的特征;(3)判斷化學平衡狀態(tài)。一些教師教學時直奔主題,將本節(jié)課教學的重點定位在直接講解化學平衡的定義、特征以及判斷化學平衡狀態(tài)上。實際上,如果學生清楚了為什么可逆反應是有限度的,化學平衡也就基本懂了。所以,在學習化學平衡定義和特征之前,筆者總是先重點引導學生研究“為什么要引入可逆反應的概念?”“可逆反應為什么有限度?”,之后還要講清“為什么要判斷平衡狀態(tài)”。當這些問題都清楚以后,判斷平衡狀態(tài)的標志就事半功倍了。2.3反應速率相似學生明白了可逆反應是有限度的,是不能進行到底的,讓他們描繪反應到達最大限度時的狀態(tài)就會比較容易了:一是正反應速率等于逆反應速率,二是反應物、生成物的濃度不再隨時間變化。這時給出化學平衡的定義就水到渠成了,教師及時地說明:化學家給這個狀態(tài)起了個化學名稱叫化學平衡狀態(tài),簡稱化學平衡。在一定條件下,對可逆反應而言,當正反應速率等于逆反應速率,反應物、生成物的濃度不再隨時間而變化時的狀態(tài)就是化學平衡狀態(tài)。為了使學生深刻地了解化學平衡狀態(tài),筆者用下面的問題引導學生思考:我們可用下面比較直觀的方式從宏觀上來觀察反應過程,觀察是否到達平衡狀態(tài)。如在500℃,鐵催化劑存在時的合成氨反應:筆者先讓學生用自己的語言表達他們理解的上述表格的意義,因為只有學生看懂了表格,教學才能有效進行下去。比如,若學生能夠說出,反應開始的10分鐘內(nèi),N2的濃度從1mol/L下降為0.9mol/L,說明N2反應掉0.1mol/L等等,表明學生明白表格的意義了。然后再引導學生察看,從反應開始到40分鐘時,反應物濃度逐漸減小,生成物濃度逐漸增大,反應在正常進行,還沒有到達化學平衡;40分鐘后,反應物濃度不再減小,生成物濃度不再增大,即各組分濃度保持不變,從宏觀上看,反應已經(jīng)“停止”,這就到達化學平衡狀態(tài)了。再讓學生舉例將自己理解的微觀上ν正=ν逆的意思敘述出來。如:對上述合成氨反應,在40分鐘以后,若10分鐘內(nèi)有0.1mol/L的N2與0.3mol/L的H2轉(zhuǎn)化為0.2mol/L的氨氣,即ν(N2)正=0.01mol/(L·min),ν(H2)正=0.03mol/(L·min),ν(NH3)正=0.02mol/(L·min)時,同時就有0.2mol/L的氨氣分解為0.1mol/L的N2和0.3mol/L的H2,即ν(NH3)逆=0.02mol/(L·min),ν(N2)逆=0.01mol/(L·min),ν(H2)逆=0.03mol/(L·min),此時,ν(NH3)正=ν(NH3)逆=0.02mol/(L·min),ν(N2)正=ν(N2)逆=0.01mol/(L·min),ν(H2)正=ν(H2)逆=0.03mol/(L·min)。由此可以引導學生清楚地看出,所謂正逆反應速率相等,是指同一種物質(zhì)的生成速率等于消耗速率。這時,讓學生自己總結(jié)平衡狀態(tài)有什么特征,他們很容易總結(jié)出“逆、等、定”這3個特征。教師只要提醒一下“ν正=ν逆≠0,說明正反應、逆反應都在進行,微觀上看,反應并沒有停止,所以是動態(tài)平衡”,學生也很容易理解“動”這個特征。至于特征五“變”,筆者認為本節(jié)課可以交代一下:濃度、溫度、壓強對反應速率有影響,對化學平衡也有影響,所以在條件變化時化學平衡也會變化,詳細內(nèi)容下節(jié)課再學習;也可以根本不講,因為學生并不知道外界條件如何影響化學平衡,只有在學習了外界條件對化學平衡的影響之后,學生才能理解特征五“變”,即隨著外界條件的變化,化學平衡會發(fā)生變化。如果本節(jié)課強調(diào)特征五“變”,學生也只能是機械接受,不可能真正理解。這樣做的依據(jù)是:美國心理學家奧蘇伯爾認為,有意義學習的心理機制是同化,其認知結(jié)構(gòu)中應有可以用來同化新知識的原有觀念,這樣新舊知識才能建立起非人為性和實質(zhì)性的聯(lián)系。2.4判斷是否到達平衡狀態(tài)的意義對于這個問題,筆者這樣引導學生:到達平衡狀態(tài)后,從宏觀上看,反應停止了,如果是工業(yè)生產(chǎn)(如合成氨),下面的操作就是要從反應混合物中分離出NH3了,因為已經(jīng)到達化學平衡狀態(tài)了,再等多長時間,NH3也不會增加了。這就是我們?yōu)楹我芯糠磻欠竦竭_化學平衡狀態(tài)的原因。對任何可逆反應而言,到達平衡狀態(tài)就意味著該條件下,反應物已經(jīng)最大限度轉(zhuǎn)化為生成物了,下一步就要進行目標產(chǎn)物的分離了。那么,怎么判斷是否到達平衡狀態(tài)了呢?通過前面的學習,學生對在一定條件下可逆反應最終會到達平衡,且在到達平衡時“微觀上ν正=ν逆≠0;宏觀上各反應物、生成物濃度保持不變”已經(jīng)印象深刻。教師進一步引導學生認識:這兩點是判斷到達平衡狀態(tài)的根本依據(jù);在具體條件下從體積、壓強、密度、平均相對分子質(zhì)量等角度分析判斷,只是派生的判斷依據(jù),是宏觀表現(xiàn)形式的不同。在課的小結(jié)階段,筆者注意讓學生回憶這節(jié)課主要解決了哪些問題,以及它們的邏輯順序,來強化學