化学平衡概念教学中的要素记忆

化学平衡概念教学中的要素记忆

科学非常重视理性。理性思维和实验是科学的两种基本方法。没有理性就没有科学。由此可以说,没有理性就没有科学素养,不重视理性就不能搞好科学教育。然而,在化学教学中不重视理性的现象并不罕见。例如,在化学平衡概念教学中常见的“要素记忆法”:先引导学生阅读化学平衡的定义,从中找出具有核心作用的“逆、等、动、定、变”五大特征,然后就用习题来巩固、强化。笔者认为,这是一种基于死记硬背的机械学习,是一种低效学习,学生得到的是孤立的知识,这种知识难以被内化,是一些学者所谓的“假知”。怎样才能让学生通过理性思维了解、把握概念的本质并且学会理性思维?怎样才是化学概念的有效教学方法?本文就以化学平衡概念教学为例,对基于理性思维的概念教学做一些初步讨论。1理性思维是科学概念形成的基础,是具有吸象性的理概念是反映事物本质属性的思维产物,是人脑在感觉、知觉和表象的基础上,对感性材料进行去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里的理性思维加工和改造,即进行科学抽象的产物。人们只有在形成某事物的概念后,才能形成对该事物的判断,才能进一步深化对该事物的认识。理性思维是人类的一种思维方式,包括抽象思维、逻辑思维和辩证思维等等,是人们把握客观事物因果联系、本质和规律的能动活动。它敢于怀疑和批判,注重应用概念和遵守逻辑规则,比较全面、规范和严密。理性思维的成果具有抽象性、概括性,适用范围较广。但它需要以广泛的经验为基础,并且要接受经验的检验和修正。说得简单些,理性思维就是运用科学抽象形成概念,运用概念进行判断、推理等逻辑推理或者建构模型、辩证思维活动的思维方式。任何科学概念都是理性思维的结果,而科学概念的应用也离不开理性思维活动。因此,概念的学习与理性思维有着必然的联系,关于概念的教学应该是以理性思维为核心的理解性学习,教学内容的组织也一定要有内在的逻辑关系。2引导学生正确处理4个问题“化学平衡”这节课到底要学生学会什么?如何组织教学内容,使其体现内在逻辑关系?如何展开教学,使其成为以理性思维为核心的有意义学习和高效学习呢?笔者认为,一是要引导学生明确需要解决“为什么要研究可逆反应”、“可逆反应为什么有限度”、“化学平衡的定义和特征是什么”、“为什么要判断以及如何判断平衡状态”等问题,这些问题构成了有其内在逻辑的课题问题系统;二是要依次解决好这些问题。但是,这4个问题的明确不能采用由教师直接告诉学生的方法,只能通过引导学生理性思维来使他们发现、意识到需要解决这些问题。因此,这4个问题宜于逐步生成,其明确和解决都应该通过理性思维来实现。下面介绍笔者在教学实践中的具体做法和思考。2.1模拟氨气自然生成nh3的物质在引入课题时笔者说:今天,我与同学们一起讨论的问题,曾经是一个世界级的难题,从19世纪初英国普遍用焦炭取代木炭炼铁,使铁的产量激增算起,到19世纪80年代末大约80多年时间内,许多化学家都没有能够解决这一难题。这是什么样的问题呢?让我们先来看两个简单的例子。问题1在一定条件下,使含1molH2O2的溶液分解,可以制取O2的物质的量是多少?问题2在一定条件下,1molN2与3molH2充分反应,可以生成NH3的物质的量是多少?学生很快计算出结果分别是O20.5mol,NH32mol。笔者指出:实验结果也是这样吗?真实的实验结果告诉我们:题1的正确答案是O20.5mol,而题2的NH3只能生成0.4mol,远远不是我们预计的2mol!为什么双氧水能按化学计量数的计算结果完全反应,而合成氨不能按化学计量数的计算结果完全反应呢?题2中完全转化应该生成2mol氨气,为什么只生成0.4mol呢?类似这样的问题,不仅困扰过炼铁工程师,也困扰过一些化学家。19世纪80年代,法国化学家勒夏特列在研究高炉尾气问题时提出:碳和二氧化碳之间发生的反应是一个可逆反应,氧化铁恰恰是这个反应的催化剂,因而高炉尾气中存在一定比例的一氧化碳是不可避免的。人们通过长时间的观察研究发现,化学反应分为两种,一种可以进行到底,即反应物可以100%转化为生成物;还有一种反应是不能进行到底的,即反应物不能100%转化为生成物,反应最终得到的是既有反应物又有生成物的混合物。那什么是可逆反应?为什么可逆反应就不能进行到底呢?因为学生在高一上学期已经学过可逆反应的定义,笔者在课上就让学生回忆可逆反应的定义,并尝试思考可逆反应为什么不能进行到底。2.2反应是否可逆反应可逆反应定义中最核心的要素是“同一条件下,正、逆反应同时进行”。为什么正、逆反应同时进行,反应就不能进行到底,就一定有限度了呢?笔者提醒学生用刚学过的反应速率随时间变化图来研究,同时绘制正反应速率和逆反应速率随时间变化的曲线。随着图像的绘制,学生发现,当其他条件不变时,随着反应的进行,反应物的浓度会逐渐减小,生成物的浓度会逐渐增大,正反应速率逐渐减小,逆反应速率不断增大,学生自己得出结论:最终正、逆反应速率相等,反应物、生成物的浓度不再变化,即反应物浓度不再减少,生成物浓度不再增大,反应达到了最大限度。此时从宏观上看,反应好像停止了,尽管这时反应体系中还有反应物,但是它已不能有效地转化为生成物了,反应物没有100%转化为生成物,所以反应不能进行到底,可逆反应一定有限度。这里必须强调的是,看上去,可逆反应的定义以及有部分反应不能进行到底的事实(如Cl2与水反应)学生原来就知道;同时,不能进行到底的反应是可逆反应,学生也知道。那么,我们在教学时是不是只要以复习巩固的方式带一下就可以呢?实际上,不少教师就是以让学生回忆“什么叫可逆反应”引入本节课的。但笔者认为这样是不妥当的,因为原来学生头脑中的可逆反应与反应限度并没有经过深入的理性思维建立起逻辑的关系、实质的联系。美国认知教育心理学家奥苏伯尔把有意义学习的实质概括为:“语言文字符号所代表的新知识与学习者认知结构中已有的适当观念,建立非人为性和实质性的联系。”这里就是要注意使可逆反应与反应限度两者建立起非人为性的、实质性的联系。笔者通过网络收集并比较了本节课的许多教学设计,发现多数设计的知识目标定位是:(1)理解化学平衡状态的涵义;(2)明确化学平衡状态的特征;(3)判断化学平衡状态。一些教师教学时直奔主题,将本节课教学的重点定位在直接讲解化学平衡的定义、特征以及判断化学平衡状态上。实际上,如果学生清楚了为什么可逆反应是有限度的,化学平衡也就基本懂了。所以,在学习化学平衡定义和特征之前,笔者总是先重点引导学生研究“为什么要引入可逆反应的概念?”“可逆反应为什么有限度?”,之后还要讲清“为什么要判断平衡状态”。当这些问题都清楚以后,判断平衡状态的标志就事半功倍了。2.3反应速率相似学生明白了可逆反应是有限度的,是不能进行到底的,让他们描绘反应到达最大限度时的状态就会比较容易了:一是正反应速率等于逆反应速率,二是反应物、生成物的浓度不再随时间变化。这时给出化学平衡的定义就水到渠成了,教师及时地说明:化学家给这个状态起了个化学名称叫化学平衡状态,简称化学平衡。在一定条件下,对可逆反应而言,当正反应速率等于逆反应速率,反应物、生成物的浓度不再随时间而变化时的状态就是化学平衡状态。为了使学生深刻地了解化学平衡状态,笔者用下面的问题引导学生思考:我们可用下面比较直观的方式从宏观上来观察反应过程,观察是否到达平衡状态。如在500℃,铁催化剂存在时的合成氨反应:笔者先让学生用自己的语言表达他们理解的上述表格的意义,因为只有学生看懂了表格,教学才能有效进行下去。比如,若学生能够说出,反应开始的10分钟内,N2的浓度从1mol/L下降为0.9mol/L,说明N2反应掉0.1mol/L等等,表明学生明白表格的意义了。然后再引导学生察看,从反应开始到40分钟时,反应物浓度逐渐减小,生成物浓度逐渐增大,反应在正常进行,还没有到达化学平衡;40分钟后,反应物浓度不再减小,生成物浓度不再增大,即各组分浓度保持不变,从宏观上看,反应已经“停止”,这就到达化学平衡状态了。再让学生举例将自己理解的微观上ν正=ν逆的意思叙述出来。如:对上述合成氨反应,在40分钟以后,若10分钟内有0.1mol/L的N2与0.3mol/L的H2转化为0.2mol/L的氨气,即ν(N2)正=0.01mol/(L·min),ν(H2)正=0.03mol/(L·min),ν(NH3)正=0.02mol/(L·min)时,同时就有0.2mol/L的氨气分解为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),此时,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)。由此可以引导学生清楚地看出,所谓正逆反应速率相等,是指同一种物质的生成速率等于消耗速率。这时,让学生自己总结平衡状态有什么特征,他们很容易总结出“逆、等、定”这3个特征。教师只要提醒一下“ν正=ν逆≠0,说明正反应、逆反应都在进行,微观上看,反应并没有停止,所以是动态平衡”,学生也很容易理解“动”这个特征。至于特征五“变”,笔者认为本节课可以交代一下:浓度、温度、压强对反应速率有影响,对化学平衡也有影响,所以在条件变化时化学平衡也会变化,详细内容下节课再学习;也可以根本不讲,因为学生并不知道外界条件如何影响化学平衡,只有在学习了外界条件对化学平衡的影响之后,学生才能理解特征五“变”,即随着外界条件的变化,化学平衡会发生变化。如果本节课强调特征五“变”,学生也只能是机械接受,不可能真正理解。这样做的依据是:美国心理学家奥苏伯尔认为,有意义学习的心理机制是同化,其认知结构中应有可以用来同化新知识的原有观念,这样新旧知识才能建立起非人为性和实质性的联系。2.4判断是否到达平衡状态的意义对于这个问题,笔者这样引导学生:到达平衡状态后,从宏观上看,反应停止了,如果是工业生产(如合成氨),下面的操作就是要从反应混合物中分离出NH3了,因为已经到达化学平衡状态了,再等多长时间,NH3也不会增加了。这就是我们为何要研究反应是否到达化学平衡状态的原因。对任何可逆反应而言,到达平衡状态就意味着该条件下,反应物已经最大限度转化为生成物了,下一步就要进行目标产物的分离了。那么,怎么判断是否到达平衡状态了呢?通过前面的学习,学生对在一定条件下可逆反应最终会到达平衡,且在到达平衡时“微观上ν正=ν逆≠0;宏观上各反应物、生成物浓度保持不变”已经印象深刻。教师进一步引导学生认识:这两点是判断到达平衡状态的根本依据;在具体条件下从体积、压强、密度、平均相对分子质量等角度分析判断,只是派生的判断依据,是宏观表现形式的不同。在课的小结阶段,笔者注意让学生回忆这节课主要解决了哪些问题,以及它们的逻辑顺序,来强化学