在化学平衡图像教学中如何提高学生化学逻辑思维素养

刘奕欣

（广州市第九十七中学，广东 广州）

一、在化学平衡图像教学中遇到的实际问题及产生的原因

课程标准要求“能描述化学平衡建立的过程”，平衡图像是最简洁凝练的描述手段，反映着学生的理解方式、理解深度和表述能力。高考非常重视学生的分析能力，“化学反应速率与化学平衡图像”更是其中一类常考点。例如近四年全国各地的高考题中，2018年全国III28（1）、2018年北京卷27（2）、2018年天津卷10（2）、2018 年江苏 16（2）、2017 年全国 I27（1）、2017 年全国 II卷27（1）（2）（3）、2017 年全国 III卷 28（4）、2017 年北京卷 26（1）（2）、2016 国甲 27 题（2）（3）、2016 国乙 27（2）、2016 国丙 27（3）、2015 国甲 27 题（2）、2015 国乙 28（4）③、2015 北京 26（3）、2015安徽 11、2015 重庆 09、2015 四川 07、2015 广东 31（2）、2015 江苏15、2015江苏16（1）都是考查学生对“化学反应速率与化学平衡图像”的分析。这个考点对学生来说恰恰是一个难点，每年高考这类题目的得分率都非常低。

认知心理学研究表明，很多学生在分析化学平衡图像时存在逻辑思维的障碍。所以研究学生如何在化学平衡图像学习中突破思维障碍并且提高化学逻辑思维素养非常重要。逻辑思维的形成需要学生在对知识点进行系统的学习之后，构建自己的知识网络，对于难度大、思考跨度大的知识点，需要从本质出发，对知识点深入学习，环环相扣，梯度性地进行吸收消化，从而形成对该类知识点的逻辑思维。

化学函数图象中，有关“化学反应速率与化学平衡图像”在人教版中只简单出现在必修2第51页图2-20，而综合教辅资料、网络资料和实际教学，会发现当前的主要教学大多针对“速率-时间”“浓度-时间”等类型。学生大多通过练习获得对各类相关图像的解题技能，而缺乏对图像本质、意义的深刻理解，没有真正提高对该类图像的分析能力，所以无法在分析过程构建起自己的逻辑思维，从而产生分析图像的思维障碍。一旦产生思维障碍，学生对于图像分析就会有畏难情绪，影响学习。培养学生形成科学的化学逻辑思维素养显得尤为重要。

二、培养学生化学逻辑素养的重要性

化学科学素养是指人认识和处理物质的组成、结构、性质、变化规律及抽象与化学相关的事物本质的悟性和潜能，是化学观念、化学知识、化学技能、化学思维、化学思想、化学能力、化学品质的和谐统一。它包括化学意识、创造能力、思维品质、化学语言四个层面。培养学生形成科学的化学逻辑思维素养显得尤为重要。以往传统的化学教学只是片面地强调知识和技能目标，忽视了全面提高学生的科学素养。

本课题的切入点就是在化学平衡图像教学中如何提高学生化学逻辑思维素养。

三、在化学平衡图像教学中如何提高学生化学逻辑思维素养的措施策略

思维过程包括分析、综合、比较、抽象、概括、判断和推理等基本过程，通过联想和逻辑过程来实现。教学要让学生构建起自己的逻辑思维，由浅入深，环环相扣，让学生深刻理解图像本质、意义。

1．要看图先画图，在画图过程中认识图像的本质。

例如：对于浓度-时间图，通过学生画图，逐步由浅入深进行了解。

学生活动1：373K时，将0.10mol无色N2O4气态放入100mL抽空的密闭容器中，发生如下反应：N2O4⇌2NO2，隔一定时间对体系进行分析，得到以下数据：

时间/s 0 20 40 60 80 100 n（N2O4）/mol 1.0 0.7 0.5 0.4 0.4 0.4 n（NO2）/mol 0 0.6 1.0 1.2 1.2 1.2

请画出坐标图：作出N2O4和NO2的浓度随时间变化的曲线。

学生作品

3.学生已经能掌握同一反应在改变条件的情况下，浓度-时间的变化图像，那么就要及时让学生完成练习巩固。

挑战练习（2012国标改编）

COCl2的分解反应为COCl2（g）⇌Cl2（g）+CO（g） ΔH=+108 kJ·mol-1。

目的：学生在画图中就可以掌握起点、拐点的意义和平衡时的浓度状态。

这样比直接拿题目让学生记住解题技巧“看清起点、拐点、终点，看清曲线的变化趋势；先拐先平……”更能让学生理解图像的本质、意义。

2．由浅入深，环环相扣，让学生对知识点梯度性地进行吸收消化，从而形成对该类知识点的逻辑思维。

前面学生通过画图已经掌握了从反应开始到平衡时反应物和生成物的图像特点，那假如同一反应在平衡后，经过改变条件使平衡移动，再次平衡的图像又有什么特点呢？

学生活动2：

完成实验观察并记录实验现象在K2Cr2O7的溶液中存在着如下平衡

实验编号 现象 结论（离子浓度变化） 平衡移动方向①滴加 3～10滴浓H2SO4溶液从黄色向橙色转变C（H+）增大；C（Cr2O72-）增大；C（CrO42-）减小；C（H2O）不变 逆向② 滴 加 10～20滴6mol/LNaOH溶液从橙色向黄色转变C（H+）减小；C（Cr2O72-）减小；C（CrO42-）增大；C（H2O）不变 正向

请画出实验①②的 C（Cr2O72-）、C（CrO42-）、C（H+）随时间变化的C-t图像（多种答案）。

学生作品

目的：遵循学生的逻辑思维，不难理解这里的关键是①增加C（H+），所以画图的时候C（H+）纵坐标要显示出明显的增加（改变条件后的原点和原状态的平衡点有距离），而引起平衡逆向移动，所以增大减小，它们的纵坐标直接在原点画趋势就行，同理②滴加NaOH，C（H+）减少。

所以分析图像的时候，学生就懂得了要观察每个阶段的起点和拐点变化，从而判断是改变了什么条件使平衡产生移动；同时通过浓度的趋势变化可以判断平衡的移动方向。

反应体系平衡后，各物质的浓度在不同条件下的变化状况如下图所示。（第10min到14min的COCl2浓度变化曲线未示出）

（1）第10min时改变的条件是_____________。

（2）第14min时改变的条件是_____________。

这道题学生解答得非常顺利，马上会第一时间观察10min各物质的浓度变化，COCl2浓度变化曲线未表示出，但是CO的浓度突然减少，而Cl2的浓度趋势说明平衡右移。所以（1）答案：移动了CO。

同样道理，观察到14min时CO的浓度和Cl2的浓度都突然减少，趋势变化说明平衡右移。所以答案（2）扩大了容器体积。

大量研究结果表明，学生对于平衡图像的学习中出现的思维障碍属于非知识和技能被遗忘所形成，如果只是简单地通过知觉和回忆去解题，学生会对这类题产生恐惧。而通过前面尊重学生的认知策略，让学生画图分析、综合、概括，能形成对该类题的逻辑思维。

4.逻辑思维还要通过比较来实现，我们要引导学生将不同的图像对应整合与融合，了解图像之间的联系，理解各种类型图像的特征。

当学生掌握了同一反应在改变条件的变化图像，教师再问：假如只选用用同一物质（反应物或者生成物），而表达不同条件（温度、压强、催化剂）下的平衡移动呢？

学生活动3：固定和利用CO2能有效地利用资源，并减少空气中的温室气体。工业上有一种用CO2来生产甲醇燃料的方法：

CO2（g）＋3H2（g）⇌CH32OH（g）＋H2O（g）ΔH＝－49.0 kJ·mol－1

某科学实验将6molCO2和8molH2充入2L的密闭容器中，测得H2的物质的量随时间变化如图所示（实线）。

（1）a点正反应速率____（填大于、等于或小于）逆反应速率。

（2）下列时间段平均反应速率最大的是____，最小的是____。

A.0～1min B.1～3min C.3～8min D.8～11min

（3）求平衡时氢气的转化率和该条件下反应的平衡常数K。（写出计算过程）

（4）仅改变某一实验条件再进行两次实验，测得H2的物质的量随时间变化如图中虚线所示，曲线I对应的实验条件改变是_____________，曲线II对应的实验条件改变是_____________。

（5）请在上图画出如加入催化剂时H2的物质的量随时间变化的曲线。

学生可以发现I、II两条曲线和实线一样，都是H2在不同条件（温度、压强、催化剂）下的平衡移动下的变化情况。通过对比，更加理解一样是“浓度-时间”图及不同图像之间的联系和区别。

5.教师要让学生进行系统的学习，形成对该类知识点的逻辑思维。学生从一幅图得到一组图，既领悟了平衡的内涵，又收获了学习的方法。

学生活动4：请从下面两个图像中分析两图的异同？

学生可以很快看出原来经常见到的右边的图是左边的简化图，都是当只表达其中一种物质，且在不同条件（温度、压强、催化剂）下的平衡移动，再归纳这些图的相同之处：都有明显的拐点表示平衡。这样学生在做题的时候思路就非常清晰，不会再对这类图产生恐惧。

练习：

已知某可逆反应在密闭容器中进行：

A（g）+2B（g）⇌3C（g）+D（g）（正反应为放热反应），图中曲线b代表一定条件下该反应的过程，若使曲线b变为曲线a，可采取的措施是（ ）

A.增大A的浓度

B.缩小容器的容积

C.加入催化剂

D.升高温度

所以其实浓度-时间图、物质的百分含量-时间-温度（压强）图，有的资料分成了四、五种不同的类型进行解题技巧分析。但是按照这些教学策略，一幅图得到一组图，会发现这些其实是同一类图，而且看图难点也迎刃而解。

四、小结

平衡图像的产生是展示理解过程和理解深度的最佳手段，借助这种最简洁最突出地揭示变量间关系的方式，集中彰显了不同物理量的变化趋势、数量及相互关系。在教学中需要运用对应的教学策略培养学生的逻辑思维，让学生能真正理解和运用平衡图像，提高化学逻辑思维素养。