促进学生认识思路结构化的单元教学研究

时间：2024-05-08

荣蓉　廖伟梁　韦新平　熊梅

［摘要］促进学生认识思路结构化是发展学生化学学科核心素养的重要手段。文章以日常生产生活类真实问题情境为背景，设计“化学平衡的移动”的单元教学，以帮助学生建立认知模型，并通过问卷调查、学科能力表现测评等方式探查教学效果，最后从问题情境的关联性设计、认识思路的结构化设计和学习活动的进阶性设计三个方面归纳总结出可促进学生认识思路结构化的单元教学策略。

［关键词］认识思路；结构化；单元教学；化学平衡的移动

［中图分类号］ G633.8 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-6058（2023）23-0055-06

一、教学内容分析

化学平衡是化学热力学研究的重要内容，也是中学化学概念和原理教学的重难点［1］。“化学平衡的移动”是化学平衡的分支概念，是化学反应速率、化学平衡状态、化学平衡常数知识的延续，是“水溶液中的离子平衡”内容的基础，是发展学生“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”核心素养的重要载体。它涉及定性研究和定量研究的方法和思路，体现了由现象到本质、由一般到特殊、由具体到抽象的思维进阶过程，具有高度的抽象性。通过对“化学平衡的移动”单元内容的学习，学生不仅可以掌握外界条件对化学平衡产生影响的一般规律，还可以促进认识思路的结构化，形成分析化学平衡移动的一般思路。

二、教学现状分析

针对“化学平衡的移动”的教学案例研究有很多，如王树志［2］、汤芹［3］、经志俊［4］、毕晓昀［5］、周继敏［6］等人进行了本主题的实验改进研究；宋玥［7］等人进行了促进学生认识发展的教学设计研究；赵利新［8］等人进行了支架式教学研究；齐玉和［9］进行了指向证据推理与模型认知的教学设计研究。可见，针对“化学平衡的移动”的教学研究主要集中在实验方案及装置的创新设计、问题情境的创设以及教学设计研究等方面，多为聚焦某一影响因素的单课时教学研究，而少见旨在促进学生认识思路结构化的单元教学研究。

三、单元教学思路

基于以上教学内容及教学现状分析，我们引导学生从“化学平衡的移动”的概念出发，通过“浓度商Q与平衡常数K的关系”揭示平衡移动的本质，分析打破化学平衡的路径，最终帮助学生从本质上理解“外界条件的改变是如何影响化学平衡的移动的”。在此过程中，“浓度”和“压强”两种外界条件对化学平衡的影响统一归类为“浓度对化学平衡的影响”。“浓度对化学平衡的影响”是学生建构“化学平衡的移动”概念的关键，也是分析其他影响化学平衡的因素的基础。“浓度对化学平衡的影响”认知模型如图1所示。该模型构建了外界条件改变化学平衡的内在原因的推理路径和认识思路，充分发挥了利用浓度商Q与平衡常数K的数据分析平衡移动的功能和价值，将化学学科对客观事实的本质原因分析与数学学科的“分类讨论”思想相融合，为促进学生认识思路结构化的教学设计指明了方向。

四、单元教学目标

（1）通过浓度影响化学平衡的探究活动，建立基于控制变量法研究化学平衡影响因素的一般思路，建构“化学平衡的移动”概念，发展学生“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。

（2）通过对浓度影响化学平衡的数据分析与曲线表征活动，形成对化学平衡移动的定量认识思路，建立化学平衡移动的认知模型，加深对化学平衡移动本质的认识，发展“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

（3）通过对压强影响化学平衡的讨论活动，强化化学平衡移动的认知模型，提升认知模型的迁移应用水平，发展“变化观念与平衡思想”的化学学科核心素养。

五、单元教学流程

“化学平衡的移动”单元教学流程如图2所示。

六、单元教学实录

我们对广东省肇庆市某重点中学高二年级某个班级进行了3个课时的单元教学实践，现选取该教学案例的部分核心教学活动做如下呈现。

（一）第1课时——“化学平衡的移动”概念的建构

［学生活动］用矿泉水冲泡黑枸杞：在若干个透明小杯中分别放入5颗黑枸杞，往杯子中倒入等量的不同品牌的矿泉水，观察溶液颜色。用不同品牌的矿泉水冲泡出的黑枸杞水颜色不同。

教师：下面让我们一起研究用不同品牌的矿泉水泡出的黑枸杞水颜色不同背后的原因。

［資料］黑枸杞富含花青素，其显色过程可简单表示为：A（蓝色）+ H+⇌HA+（红色）。

［学生活动］向黑枸杞水中分别加入少量白醋、食用碱。加入白醋后水溶液呈红色，加入食用碱后呈深蓝色。

教师：在上述过程中，黑枸杞水中的化学平衡状态是否发生了变化？你的判断依据是什么？

学生：通过溶液颜色的变化可以判断出溶液中的化学平衡状态发生了变化。

［小结］师生共同构建“化学平衡的移动”概念模型（如图3）。

达到化学平衡状态时，浓度商与化学平衡常数相等（Q = K）；化学平衡状态的特征之一是v正 = v逆。化学平衡发生移动，说明条件的改变使得Q不再与K相等，v正不再与v逆相等。我们可以从浓度商与反应速率两个维度进行分析。

（二）第2课时——浓度影响化学平衡的曲线表征

［课堂活动1］讨论改变浓度时黑枸杞水平衡体系中正、逆反应速率的变化。

教师：向黑枸杞水中滴加酸的瞬间，氢离子浓度有何变化？正、逆反应速率有何变化？

学生1：滴加酸的瞬间氢离子浓度增大，v正增大，v逆不变。

学生2：我认为那一瞬间v正增大，v逆是减小的。

教师：请分别简述一下理由。

学生1：加入酸的瞬间，反应物浓度增大，生成物浓度不变。

学生2：加入酸的瞬间，反应物浓度增大，v正增大，但由于加入了酸导致溶液体积增大，生成物浓度减小，v逆减小。

教师：你们的回答都很有道理，说明大家都掌握了从影响因素的角度分析化学反应速率的思路。由于原溶液体积较大，这里我们可做一个近似处理，即忽略1滴溶液造成的体积变化。故我们认同学生1的推测。

［课堂活动2］用速率-时间图像中的曲线表征浓度对化学平衡的影响并交流讨论。

［投影展示］教师展示三位学生绘制的图像，如图4所示。

教师：我们先来关注一下[t1]时刻，通过刚才的讨论，我们认为[t1]时刻[v逆]是不变的，故可先排除学生4的答案。再来关注从[t1]时刻到[t2]时刻两条曲线的走势，这里涉及一个数学问题。请数学科代表来解释一下学生3和学生5的曲线从数学角度来看有什么不同。

数学科代表：曲线的斜率不同，即变化的快慢不同。在学生3的曲线中，正、逆反应速率变化得越来越慢，直至相等；而学生5的曲线就显得不合理，因为从斜率来看，正、逆反应速率变化得越来越快，不可能突然相等后就不再变化。

教师：在[t1]时刻，浓度的改变使得浓度商Q发生了变化，随着平衡的移动，Q逐渐接近K，且单位时间内变化量越来越小。基于此，我们就不难理解速率-时间图像中的曲线了。

（三）第3课时——压强对化学平衡的影响

［思考题］一定温度下，工业合成氨在t时刻达到平衡，各物质浓度如表1所示，请判断“情况①”和“情况②”的平衡移动方向。

学生1：均为正向移动。

学生2：情况①为正向移动，情况②需要分别计算出K和Q的值并进行比较，才能判断。

［学生活动］进行数学演算，并得出“对于合成氨反应，同时增大反应物和生成物的浓度，平衡正向移动”的结论。

［追问1］应该采取何种操作实现“情况②”的条件改变？

学生3：压缩体积，实际就是增大压强。

［追问2］对于反应2NH3⇌N2 + 3H2，压强增大时，平衡如何移动？

学生4：逆向移动。

［初步结论］增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动。

［追问3］是不是所有反应通过改变压强都可以使平衡发生移动？

学生5：不是。压强的改变只能使有气体参与的反应的速率发生改变。

学生6：对于反应前后等体积的反应，同等程度增大或减小反应物和生成物的浓度时，Q不发生改变，故这种情况下平衡不发生移动。

［追问4］对于反应前后等体积的反应，增大压强平衡不发生移动，反应速率是否发生变化？

学生7：对于反应前后等体积的反应，增大压强时v正和v逆会同等程度增大。

［小结］压强的改变可以理解为同等程度增大或减小了反应物和生成物的浓度。对于反应前后非等体积的反应，会使得[Q≠K]，从而使平衡发生移动。

七、教学效果测评

教学实施后，可通过问卷调查和教学后测测查教学效果。我们用该校另一个相同层次的班级作为对照班，并同步进行了教学后测。测查样本数如表2所示。

对照班主要依照新人教版选择性必修1教材的内容呈现顺序进行教学，学生通过观察教材演示实验的现象，总结外界条件影响化学平衡的一般规律。在此次教学中，压强和浓度对化学平衡的影响的学习相对比较独立。在学生完成了浓度对化学平衡的影响的学习后，教师首先展示教材P38实验2-2的视频，并让学生思考：在有气体参加的反应中，压强的增大或减小是如何影响化学平衡的？然后引导学生对反应后气体体积增大、减小、不变三种情况进行讨论，得出压强影响化学平衡的一般规律，并展示三种情况下的速率-时间图像。最后通过习题进行反馈和巩固。

（一）问卷调查

调查问卷按照“五点量表”的形式从学科必备知识、学科思维方法和情感态度三个维度设置了15道自查题，相关内容和数据如表3所示。采用 SPSS 23.0 软件对调查问卷进行信效度分析：内部一致性信度（Cronbach’s α系数）为0.771，各小题得分与调查问卷总平均分的相关系数介于0.570与0.710之间，p<0.05。数据分析结果显示，调查问卷具有较好的信效度，可以进行后续测试。

通过分析问卷调查数据可知，实验班学生中大部分学生对单元教学总体满意［除3个反向提问（3.3～3.5题）外，其余各小題得分均值为4.76］。通过3个课时的课程学习，学生能形成分析化学平衡移动的一般思路和思维模型，基本掌握化学平衡移动的概念、浓度商和平衡常数大小与反应方向之间的关系、浓度影响化学平衡的一般规律及其本质原因等核心知识点。

（二）学科能力表现测评

基于王磊［10］等人提出的化学反应规律主题的学科能力表现具体指标，我们分别对实施基于认识思路结构化的单元教学的实验班学生和实施常规教学的对照班学生的能力表现进行课后测验评价，共设置9道测验题（第1～6题为单项选择题，第7～9题为填空题，其中第9题考查学生根据新情境下可逆反应的浓度-时间图像分析化学平衡的移动状态和移动方向，并进行平衡常数等的判断与相关计算）。具体指标如表4所示。

通过对实验班和对照班的学生在后测中的表现进行数据分析（见图4），发现实验班在能力要素上的表现均好于对照班，特别是对于能力要求比较高的任务，实验班的得分率均高出对照班10%以上。

八、教学策略探讨

本单元教学围绕“化学平衡的移动”这一主题，引导学生在解决问题的过程中建立认知模型，逐渐形成结构化的认识思路，提升学科能力和素养。问卷调查和教学后测的结果显示，本单元教学取得了预期的教学效果。我们结合教学实践及教学效果总结出以下3点教学策略。

（一）通过问题情境的关联性设计，增强课程实施的整体性

对于具有高度抽象性的概念，通过创设真实的问题情境帮助学生有效建构和理解概念是一种非常有效的教学策略［11］。本单元教学对问题情境进行了关联性设计，增强了课程实施的整体性。第1课时中，我们通过用不同品牌的矿泉水冲泡黑枸杞的趣味性体验活动，帮助学生建立宏观现象与微观本质之间的联系。第2课时中，我们先将第1课时的情境进行再现，以探究外界条件影响化学平衡的本质原因，建立完整的认知模型；再以“工业合成氨”的情境为载体，进一步探讨化学平衡移动过程中K与Q的变化。第3课中，我们则承接了第2课时“工业合成氨”的情境，引导学生理解压强、浓度与化学平衡之间的关联性，并通过设置真实情境中的实际生产问题，如“水煤气的制备为什么不宜压强过大？”等，诊断和提高学生对核心概念和认知模型的掌握水平。

（二）通过认识思路的结构化设计，提升认知模型的可迁移性

可迁移的认知模型可以帮助学生建立起解决真实复杂问题的视角和思路［12］。在本单元教学中，我们在学生已有的认知基础上，帮助学生建立了“快慢”和“程度”两种认识视角和思路，即通过速率与平衡常数两个层面建立化学平衡移动的分析模型。在第1课时的教学中，我们帮助学生建立起“程度”这一认识视角。在第2课时的教学中，我们通过曲线表征活动，帮助学生从速率的角度理解化学平衡移动的内涵。在第3课时的教学中，我们在第2课时的基础上通过真实情境下的问题解决过程，引导学生不断重现和应用结构化的认识思路，从而达到对认知模型的灵活迁移应用的目的，同时让学生理解浓度、压强与化学平衡之间的关联性。基于认识思路建构的“化学平衡的移动”认知模型对学生后续学习水溶液中的离子平衡起到很好的指导作用。

（三）通过学习活动的进阶性设计，促进学科能力的多维发展

本单元教学的活动设计将速率和平衡常数这两个研究化学平衡的物理量与外界条件影响化学平衡的教学进行整合，通过体现推论预测、科学探究、分析解釋等不同学科能力表现层次的学习活动，逐步建立起结构化的认识思路。这些学习活动的实施，不同程度地发展了学生多方面的关键能力。如在第1课时的简单设计类学习活动中，学生通过设计实验探究化学平衡移动的规律，发展了“控制变量”的学科思维和“探究与创新”的关键能力。在第2课时的推论预测类学习活动中，让学生通过对核心问题的深入交流与探讨，促进了对化学平衡移动本质的理解，发展了理解与辨析、分析与推测的关键能力。在第3课时的复杂推理类学习活动中，教师引导学生应用数学方法进行运算，再应用认知模型进行说明论证从而得出结论，很好地发展了学生的归纳与论证能力。

［参考文献］

［1］徐聪，胡久华.从科学概念本体和发展史视角对化学平衡相关问题的分析［J］.化学教育，2013（12）：81-85.

［2］王树志.深度探究浓度对化学平衡的影响［J］.化学教育，2015（9）：62-64.

［3］汤芹，李娟.“压强对化学平衡的影响”定量实验的探讨与商榷［J］.化学教育，2017（3）：78-81.

［4］经志俊.基于学生发展核心素养的“化学平衡的移动”单元教学创新设计［J］.化学教学，2017（1）：35-37，92.

［5］毕晓昀，杨砚宁.利用黑枸杞的“化学平衡移动”创新实验设计及教学［J］.化学教学，2017（7）：48-52.

［6］周继敏，李银涛，王涛，等.通过实验探究建构科学规律的教学：以 “温度、压强对化学平衡的影响”为例［J］.化学教育，2019（9）：37-40.

［7］宋玥，王磊.促进学生认识发展的化学平衡教学设计研究［J］.化学教育，2016（15）：23-32.

［8］赵利新，杨宏伟.“浓度对化学平衡的影响”的支架式教学［J］.中学化学教学参考，2021（6）：50-52.

［9］齐玉和.指向证据推理与模型认知的教学设计探析：以鲁科版“反应条件对化学平衡的影响”内容为例［J］.中学化学，2021（3）：1-4.

［10］王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究［M］.北京：北京师范大学出版社，2018.

［11］周业虹.学科核心素养下的化学概念教学设计［J］.化学教学，2018（9）：37-41.