化學(xué)平衡概念教學(xué)中的要素記憶

化學(xué)平衡概念教學(xué)中的要素記憶

科學(xué)非常重視理性。理性思維和實(shí)驗(yàn)是科學(xué)的兩種基本方法。沒(méi)有理性就沒(méi)有科學(xué)。由此可以說(shuō),沒(méi)有理性就沒(méi)有科學(xué)素養(yǎng),不重視理性就不能搞好科學(xué)教育。然而,在化學(xué)教學(xué)中不重視理性的現(xiàn)象并不罕見(jiàn)。例如,在化學(xué)平衡概念教學(xué)中常見(jiàn)的“要素記憶法”:先引導(dǎo)學(xué)生閱讀化學(xué)平衡的定義,從中找出具有核心作用的“逆、等、動(dòng)、定、變”五大特征,然后就用習(xí)題來(lái)鞏固、強(qiáng)化。筆者認(rèn)為,這是一種基于死記硬背的機(jī)械學(xué)習(xí),是一種低效學(xué)習(xí),學(xué)生得到的是孤立的知識(shí),這種知識(shí)難以被內(nèi)化,是一些學(xué)者所謂的“假知”。怎樣才能讓學(xué)生通過(guò)理性思維了解、把握概念的本質(zhì)并且學(xué)會(huì)理性思維?怎樣才是化學(xué)概念的有效教學(xué)方法?本文就以化學(xué)平衡概念教學(xué)為例,對(duì)基于理性思維的概念教學(xué)做一些初步討論。1理性思維是科學(xué)概念形成的基礎(chǔ),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(jué)、知覺(jué)和表象的基礎(chǔ)上,對(duì)感性材料進(jìn)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(jìn)行科學(xué)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(duì)該事物的判斷,才能進(jìn)一步深化對(duì)該事物的認(rèn)識(shí)。理性思維是人類(lèi)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(dòng)活動(dòng)。它敢于懷疑和批判,注重應(yīng)用概念和遵守邏輯規(guī)則,比較全面、規(guī)范和嚴(yán)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(yàn)為基礎(chǔ),并且要接受經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)和修正。說(shuō)得簡(jiǎn)單些,理性思維就是運(yùn)用科學(xué)抽象形成概念,運(yùn)用概念進(jìn)行判斷、推理等邏輯推理或者建構(gòu)模型、辯證思維活動(dòng)的思維方式。任何科學(xué)概念都是理性思維的結(jié)果,而科學(xué)概念的應(yīng)用也離不開(kāi)理性思維活動(dòng)。因此,概念的學(xué)習(xí)與理性思維有著必然的聯(lián)系,關(guān)于概念的教學(xué)應(yīng)該是以理性思維為核心的理解性學(xué)習(xí),教學(xué)內(nèi)容的組織也一定要有內(nèi)在的邏輯關(guān)系。2引導(dǎo)學(xué)生正確處理4個(gè)問(wèn)題“化學(xué)平衡”這節(jié)課到底要學(xué)生學(xué)會(huì)什么?如何組織教學(xué)內(nèi)容,使其體現(xiàn)內(nèi)在邏輯關(guān)系?如何展開(kāi)教學(xué),使其成為以理性思維為核心的有意義學(xué)習(xí)和高效學(xué)習(xí)呢?筆者認(rèn)為,一是要引導(dǎo)學(xué)生明確需要解決“為什么要研究可逆反應(yīng)”、“可逆反應(yīng)為什么有限度”、“化學(xué)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(wèn)題,這些問(wèn)題構(gòu)成了有其內(nèi)在邏輯的課題問(wèn)題系統(tǒng);二是要依次解決好這些問(wèn)題。但是,這4個(gè)問(wèn)題的明確不能采用由教師直接告訴學(xué)生的方法,只能通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生理性思維來(lái)使他們發(fā)現(xiàn)、意識(shí)到需要解決這些問(wèn)題。因此,這4個(gè)問(wèn)題宜于逐步生成,其明確和解決都應(yīng)該通過(guò)理性思維來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面介紹筆者在教學(xué)實(shí)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(shí)筆者說(shuō):今天,我與同學(xué)們一起討論的問(wèn)題,曾經(jīng)是一個(gè)世界級(jí)的難題,從19世紀(jì)初英國(guó)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(jì)80年代末大約80多年時(shí)間內(nèi),許多化學(xué)家都沒(méi)有能夠解決這一難題。這是什么樣的問(wèn)題呢?讓我們先來(lái)看兩個(gè)簡(jiǎn)單的例子。問(wèn)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(wèn)題2在一定條件下,1molN2與3molH2充分反應(yīng),可以生成NH3的物質(zhì)的量是多少?學(xué)生很快計(jì)算出結(jié)果分別是O20.5mol,NH32mol。筆者指出:實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是這樣嗎?真實(shí)的實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)不是我們預(yù)計(jì)的2mol!為什么雙氧水能按化學(xué)計(jì)量數(shù)的計(jì)算結(jié)果完全反應(yīng),而合成氨不能按化學(xué)計(jì)量數(shù)的計(jì)算結(jié)果完全反應(yīng)呢?題2中完全轉(zhuǎn)化應(yīng)該生成2mol氨氣,為什么只生成0.4mol呢?類(lèi)似這樣的問(wèn)題,不僅困擾過(guò)煉鐵工程師,也困擾過(guò)一些化學(xué)家。19世紀(jì)80年代,法國(guó)化學(xué)家勒夏特列在研究高爐尾氣問(wèn)題時(shí)提出:碳和二氧化碳之間發(fā)生的反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng),氧化鐵恰恰是這個(gè)反應(yīng)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀察研究發(fā)現(xiàn),化學(xué)反應(yīng)分為兩種,一種可以進(jìn)行到底,即反應(yīng)物可以100%轉(zhuǎn)化為生成物;還有一種反應(yīng)是不能進(jìn)行到底的,即反應(yīng)物不能100%轉(zhuǎn)化為生成物,反應(yīng)最終得到的是既有反應(yīng)物又有生成物的混合物。那什么是可逆反應(yīng)?為什么可逆反應(yīng)就不能進(jìn)行到底呢?因?yàn)閷W(xué)生在高一上學(xué)期已經(jīng)學(xué)過(guò)可逆反應(yīng)的定義,筆者在課上就讓學(xué)生回憶可逆反應(yīng)的定義,并嘗試思考可逆反應(yīng)為什么不能進(jìn)行到底。2.2反應(yīng)是否可逆反應(yīng)可逆反應(yīng)定義中最核心的要素是“同一條件下,正、逆反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行”。為什么正、逆反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行,反應(yīng)就不能進(jìn)行到底,就一定有限度了呢?筆者提醒學(xué)生用剛學(xué)過(guò)的反應(yīng)速率隨時(shí)間變化圖來(lái)研究,同時(shí)繪制正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率隨時(shí)間變化的曲線。隨著圖像的繪制,學(xué)生發(fā)現(xiàn),當(dāng)其他條件不變時(shí),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,反應(yīng)物的濃度會(huì)逐漸減小,生成物的濃度會(huì)逐漸增大,正反應(yīng)速率逐漸減小,逆反應(yīng)速率不斷增大,學(xué)生自己得出結(jié)論:最終正、逆反應(yīng)速率相等,反應(yīng)物、生成物的濃度不再變化,即反應(yīng)物濃度不再減少,生成物濃度不再增大,反應(yīng)達(dá)到了最大限度。此時(shí)從宏觀上看,反應(yīng)好像停止了,盡管這時(shí)反應(yīng)體系中還有反應(yīng)物,但是它已不能有效地轉(zhuǎn)化為生成物了,反應(yīng)物沒(méi)有100%轉(zhuǎn)化為生成物,所以反應(yīng)不能進(jìn)行到底,可逆反應(yīng)一定有限度。這里必須強(qiáng)調(diào)的是,看上去,可逆反應(yīng)的定義以及有部分反應(yīng)不能進(jìn)行到底的事實(shí)(如Cl2與水反應(yīng))學(xué)生原來(lái)就知道;同時(shí),不能進(jìn)行到底的反應(yīng)是可逆反應(yīng),學(xué)生也知道。那么,我們?cè)诮虒W(xué)時(shí)是不是只要以復(fù)習(xí)鞏固的方式帶一下就可以呢?實(shí)際上,不少教師就是以讓學(xué)生回憶“什么叫可逆反應(yīng)”引入本節(jié)課的。但筆者認(rèn)為這樣是不妥當(dāng)?shù)?因?yàn)樵瓉?lái)學(xué)生頭腦中的可逆反應(yīng)與反應(yīng)限度并沒(méi)有經(jīng)過(guò)深入的理性思維建立起邏輯的關(guān)系、實(shí)質(zhì)的聯(lián)系。美國(guó)認(rèn)知教育心理學(xué)家?jiàn)W蘇伯爾把有意義學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)概括為:“語(yǔ)言文字符號(hào)所代表的新知識(shí)與學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的適當(dāng)觀念,建立非人為性和實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系?！边@里就是要注意使可逆反應(yīng)與反應(yīng)限度兩者建立起非人為性的、實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系。筆者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)收集并比較了本節(jié)課的許多教學(xué)設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)多數(shù)設(shè)計(jì)的知識(shí)目標(biāo)定位是:(1)理解化學(xué)平衡狀態(tài)的涵義;(2)明確化學(xué)平衡狀態(tài)的特征;(3)判斷化學(xué)平衡狀態(tài)。一些教師教學(xué)時(shí)直奔主題,將本節(jié)課教學(xué)的重點(diǎn)定位在直接講解化學(xué)平衡的定義、特征以及判斷化學(xué)平衡狀態(tài)上。實(shí)際上,如果學(xué)生清楚了為什么可逆反應(yīng)是有限度的,化學(xué)平衡也就基本懂了。所以,在學(xué)習(xí)化學(xué)平衡定義和特征之前,筆者總是先重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生研究“為什么要引入可逆反應(yīng)的概念?”“可逆反應(yīng)為什么有限度?”,之后還要講清“為什么要判斷平衡狀態(tài)”。當(dāng)這些問(wèn)題都清楚以后,判斷平衡狀態(tài)的標(biāo)志就事半功倍了。2.3反應(yīng)速率相似學(xué)生明白了可逆反應(yīng)是有限度的,是不能進(jìn)行到底的,讓他們描繪反應(yīng)到達(dá)最大限度時(shí)的狀態(tài)就會(huì)比較容易了:一是正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率,二是反應(yīng)物、生成物的濃度不再隨時(shí)間變化。這時(shí)給出化學(xué)平衡的定義就水到渠成了,教師及時(shí)地說(shuō)明:化學(xué)家給這個(gè)狀態(tài)起了個(gè)化學(xué)名稱叫化學(xué)平衡狀態(tài),簡(jiǎn)稱化學(xué)平衡。在一定條件下,對(duì)可逆反應(yīng)而言,當(dāng)正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率,反應(yīng)物、生成物的濃度不再隨時(shí)間而變化時(shí)的狀態(tài)就是化學(xué)平衡狀態(tài)。為了使學(xué)生深刻地了解化學(xué)平衡狀態(tài),筆者用下面的問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考:我們可用下面比較直觀的方式從宏觀上來(lái)觀察反應(yīng)過(guò)程,觀察是否到達(dá)平衡狀態(tài)。如在500℃,鐵催化劑存在時(shí)的合成氨反應(yīng):筆者先讓學(xué)生用自己的語(yǔ)言表達(dá)他們理解的上述表格的意義,因?yàn)橹挥袑W(xué)生看懂了表格,教學(xué)才能有效進(jìn)行下去。比如,若學(xué)生能夠說(shuō)出,反應(yīng)開(kāi)始的10分鐘內(nèi),N2的濃度從1mol/L下降為0.9mol/L,說(shuō)明N2反應(yīng)掉0.1mol/L等等,表明學(xué)生明白表格的意義了。然后再引導(dǎo)學(xué)生察看,從反應(yīng)開(kāi)始到40分鐘時(shí),反應(yīng)物濃度逐漸減小,生成物濃度逐漸增大,反應(yīng)在正常進(jìn)行,還沒(méi)有到達(dá)化學(xué)平衡;40分鐘后,反應(yīng)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(yīng)已經(jīng)“停止”,這就到達(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)了。再讓學(xué)生舉例將自己理解的微觀上ν正=ν逆的意思敘述出來(lái)。如:對(duì)上述合成氨反應(yīng),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(shí),同時(shí)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(shí),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(dǎo)學(xué)生清楚地看出,所謂正逆反應(yīng)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(shí),讓學(xué)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(gè)特征。教師只要提醒一下“ν正=ν逆≠0,說(shuō)明正反應(yīng)、逆反應(yīng)都在進(jìn)行,微觀上看,反應(yīng)并沒(méi)有停止,所以是動(dòng)態(tài)平衡”,學(xué)生也很容易理解“動(dòng)”這個(gè)特征。至于特征五“變”,筆者認(rèn)為本節(jié)課可以交代一下:濃度、溫度、壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率有影響,對(duì)化學(xué)平衡也有影響,所以在條件變化時(shí)化學(xué)平衡也會(huì)變化,詳細(xì)內(nèi)容下節(jié)課再學(xué)習(xí);也可以根本不講,因?yàn)閷W(xué)生并不知道外界條件如何影響化學(xué)平衡,只有在學(xué)習(xí)了外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響之后,學(xué)生才能理解特征五“變”,即隨著外界條件的變化,化學(xué)平衡會(huì)發(fā)生變化。如果本節(jié)課強(qiáng)調(diào)特征五“變”,學(xué)生也只能是機(jī)械接受,不可能真正理解。這樣做的依據(jù)是:美國(guó)心理學(xué)家?jiàn)W蘇伯爾認(rèn)為,有意義學(xué)習(xí)的心理機(jī)制是同化,其認(rèn)知結(jié)構(gòu)中應(yīng)有可以用來(lái)同化新知識(shí)的原有觀念,這樣新舊知識(shí)才能建立起非人為性和實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系。2.4判斷是否到達(dá)平衡狀態(tài)的意義對(duì)于這個(gè)問(wèn)題,筆者這樣引導(dǎo)學(xué)生:到達(dá)平衡狀態(tài)后,從宏觀上看,反應(yīng)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(yīng)混合物中分離出NH3了,因?yàn)橐呀?jīng)到達(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)了,再等多長(zhǎng)時(shí)間,NH3也不會(huì)增加了。這就是我們?yōu)楹我芯糠磻?yīng)是否到達(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)的原因。對(duì)任何可逆反應(yīng)而言,到達(dá)平衡狀態(tài)就意味著該條件下,反應(yīng)物已經(jīng)最大限度轉(zhuǎn)化為生成物了,下一步就要進(jìn)行目標(biāo)產(chǎn)物的分離了。那么,怎么判斷是否到達(dá)平衡狀態(tài)了呢?通過(guò)前面的學(xué)習(xí),學(xué)生對(duì)在一定條件下可逆反應(yīng)最終會(huì)到達(dá)平衡,且在到達(dá)平衡時(shí)“微觀上ν正=ν逆≠0;宏觀上各反應(yīng)物、生成物濃度保持不變”已經(jīng)印象深刻。教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí):這兩點(diǎn)是判斷到達(dá)平衡狀態(tài)的根本依據(jù);在具體條件下從體積、壓強(qiáng)、密度、平均相對(duì)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(xué)生回憶這節(jié)課主要解決了哪些問(wèn)題,以及它們的邏輯順序,來(lái)強(qiáng)化學(xué)