化学教学中基于看图说话的合作探究

邱绍方 王辉 王吕伊颖 朱素娟

摘 要：文章阐述了合作探究的概念和化学教学中看图说话的含义，论述了化学课堂教学中基于坐标图、实验装置图、工艺流程图和物质结构示意图等的合作探究。

关键词：化学教学；看图说话；合作探究

作者简介：邱绍方，广东省广州市第三中学教师（广东 广州 510120）；王辉、王吕伊颖、朱素娟，华南师范大学化学与环境学院。（广东 广州 510631）

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2018）07-0077-06

看图说话是一个经久不衰的话题，学生放眼看世界时，就在父母的指导下看图说话。现在各科学习都离不开看图说话，化学学习更是如此。高考考试说明明确要求，在化学教学中，学生应习得如下能力：①通过对图形、图像的观察，获取有关感性知识并进行初步加工的能力；②准确地提取实质性内容，重组为新知识块的能力；③用图像、模型、图形等展示问题解决的过程，并做出解释的能力。2017年高考全国Ⅰ卷理综化学试题中，通过看图说话体现的共有9道题，涉及坐标图、实验装置图、工艺流程图和物质结构图，等等。看图说话是学生将来学习、工作和生活终生应具备的基础能力，也是现在学习中遇到的障碍。化学教学中如何通过合作探究，引导学生解决学习中的困难，正确看图说话呢？笔者结合教学实践，谈谈个人的认识。

一、合作探究

合作学习是以学习小组为基本组织形式，系统利用教学动态因素之间的互动来促进学习，以小组团体成绩为评价标准，共同达成教学目标的活动。探究性学习是指学生围绕一定的问题、文本或材料，在教师的帮助和支持下，自主寻求或自主建构答案、意义、理解和信息的活动或过程。合作探究将合作学习和探究学习有机融合，是当今教育的发展需要。笔者在教学实践中将学生分成4人小组，先由学生进行自由组合，然后教师适当进行调配。小组成员合作时间为一学年。基本教学环节是教师设计探究问题；学生围绕问题进行探究，小组成员之间互动；教师组织小组之间的交流互动；教师评价。

二、化学教学中的看图说话

化学教学中的看图说话是指学生根据教师给定的文本图示材料，按照教师设计的探究问题，把图示的化学含义运用基本概念和基础理论，结合数学规律、化工实际情况或实验现象和数据通过口头或文字表达出来。主要图形包括坐标图、实验装置图、工艺流程图和物质结构示意图，等等。学生解答这类问题时，往往存在耗时较多，信息理解不透彻，知识迁移能力较差，对图形的本质挖掘不足等情况。对此，笔者通过学生合作探究，提升学生提取图中信息的能力，化解教学中的难点。

三、化学教学中基于看图说话的合作探究

1. 基于坐标图的合作探究。化学教学中的坐标图有二维坐标图和三维坐标图（如电子云图），二维坐标图有一个因变量，一个自变量或两个自变量，若只有一个自变量，则只有一条曲线或直线，若有两个自变量，则有多条曲线，此时需要控制一个变量不变，只有其中的一个量作为自变量。自变量与因变量需要依据化学变化的含义来确定是纵坐标还是横坐标，并非纵坐标就是因变量。解答此类题的基本方法是弄清因变量怎样随自变量变化而变化，这些变化规律可通过学生合作探究自主寻找。

案例1：常温下将NaOH溶液添加到己二酸（H2X）溶液中，混合溶液的pH值与离子浓度变化的关系如图1所示。请探究下列问题：

（1）图中的因变量是什么，自变量是什么？

（2）M、N哪一条代表H2X与NaOH反应，哪一条代表HX-与NaOH反应？如何判断？

（3）己二酸的Ka1、Ka2分别是多少？

（4）当溶质只有NaHX时，溶液中c（H+）与

c（OH-）大小关系是什么？

（5）当溶液的pH=7时，溶液中的溶质是什么？

溶液中各离子浓度的大小关系是什么？

各小组完成互动探究后，小组内同学经过充分讨论、质疑，统一认识后，教师再组织小组间同学互动。

教师：下面进行问题（1）的互动。

第1小组：pH是因变量，lg 或

lg 是自变量，因为pH是纵坐标，

lg 或lg 是横坐标。

第2小组：pH是自变量，lg 或

lg 是因变量，因为在己二酸中加入NaOH溶液，是c（OH-）增大，才引起己二酸與NaOH反应，导致c（H2X）、c（HX-）及c（X2-）的变化。

教师：第2小组同学探究的结果正确，化学坐标图中自变量与因变量的确定，需要理解化学变化的含义，根据实际来确定。继续进行问题（2）的互动。

第3小组：M代表H2X与NaOH反应，N代表HX-与NaOH反应，因为H2X先与NaOH反应，当H2X全部变成HX-后，HX-才与NaOH反应。

第4小组：N代表H2X与NaOH反应的直线，M代表HX-与NaOH反应的直线。根据H2X的第一级电离常数和第二级电离常数，分别得出

= 和 = ，因Ka1>Ka2，当pH相同时，得出 > ，即lg >lg .

教师：第4小组探究结果正确，对于一条直线或者曲线，一定要结合化学变化的实质进行判断。继续进行问题（3）的互动。

第5小组：据图，当pH=4.8时，lg =lg =0.4，解得，Ka1=10-4.4，lg =

lg =-0.6，解得Ka2=10-5.4.

教师：第5小组探究结果正确，有了第4组的正确探究结论，问题（3）不难解答，下面进行问题（4）的互动。

第6小组：当溶质只有NaHX时，溶液中c（H+）小于c（OH-），因为HX-要水解，溶液显碱性。

第7小组：应该c（H+）大于c（OH-），因为HX-+H2O？葑H2X+OH-，Kh2= = =10-9.6，所以，Ka2>Kh2，HX-的电离程度大于其水解程度。

教师：第7小组探究正确，凡是酸式盐都要判断其电离程度与水解程度的相对大小。继续问题（5）的互动。

第8小组：当溶液的pH=7时，溶液中的溶质是Na2X，因为NaHX溶液的pH<7。

第9小组：应该是NaHX和Na2X，因为Na2X溶液pH>7，而且由图可知，当pH>7时，lg >0，即 c（X2-）>c（HX-）。

第10小组：如何说明c（Na+）与c（X2-）的关系呢？

第11小组：据电荷守恒：c（Na+）+ c（H+）=

2 c（X2-）+ c（HX-）+ c（OH-），因pH=7，知c（Na+）=2 c（X2-）+ c（HX-），所以，c（Na+） >c（X2-）。

第12小组：怎么知道c（HX-）与c（H+）或c（OH-）的关系呢？

第13小组：因X2-+H2O？葑HX-+OH-、HX-+H2O？葑 H2X+OH-和H2O？葑H++OH-，且X2-、HX-的水解程度和H2O的电离程度都很小，即所产生的OH-浓度很小，且X2-水解生成的HX-离子多于HX-水解消耗的HX-，所以，c（HX-）>c（OH-）= c（H+）。

教师：经过各小组的互动探究，我们得出：当溶液的pH=7时，溶液中的溶质是NaHX和Na2X，且溶液中各离子浓度的关系为：c（Na+）>c（X2-）>

c（HX-）>c（OH-）= c（H+）。

2. 基于实验装置图的合作探究。化学实验装置是由仪器组装起来的，首先要能说清图示装置中各仪器在此实验中的用途及此实验中选用此仪器的原因，其次说清各分装置的用途及各分装置连接的要点，再次说清各分装置发生的反应及现象，最后说清实验操作的要点及注意事项。

案例2：实验室用H2还原WO3制备金属W的装置如图2所示（Zn粒中往往含有硫等杂质，焦性没食子酸溶液用于吸收少量氧气），请各小组探究下列问题：

（1）装置①的名称是什么，什么条件下才能使用它？

（2）从装置①出来的气体含有哪些杂质？为什么？

（3）装置①、②、③、④、⑤和⑥的作用分别是什么？各装置之间的连接要点是什么？

（4）该实验的操作要点是什么？如何实现？

各小组学生完成互动探究后，小组内同学经过充分讨论、质疑，统一了认识，然后教师组织小组间同学互动。

教师：下面进行问题（1）的互动。

第1小组：装置①的名称是启普发生器，当块状不溶于水的固体与液体反应制备气体，且气体不溶于反应液，不需要加热时，可以使用启普发生器。

第2小组：为什么要是块状不溶于水的固体呢？

第3小组：因为粉末状固体可以漏下至葫芦形容器的下半球与酸接触而反应，所以不能是粉末状。

第4小组：启普发生器最大的优点是要用气体时打开活塞，不用气体时关闭活塞。如果固体溶于水，打开活塞，液体浸没固体后，固体就全部溶解了，后面要用气体时就没有了。

教师：大家对启普发生器的应用探究特别透彻，弄清了原来模糊的问题，继续进行问题（2）的互动。

第5小组：Zn粒中含有硫化锌与盐酸反应产生H2S，所以从装置①出来的气体含有H2S和空气等杂质。

教师：这些杂质对实验有什么干扰？如何除去？请进行问题（3）的互动。

第6小组：空气中的O2与H2混合受热会引起爆炸，可以用焦性没食子酸溶液除去，焦性没食子酸溶液可盛装于洗气瓶④中。

第7小组：凡是气体与固体反应，需要加热，气体必须干燥，所以⑤中装有浓硫酸。

第8小组：因为H2S可以与⑤中的浓硫酸反应使浓硫酸变稀，且产生有毒气体SO2，致使尾气不经处理污染环境。所以在气体进入⑤之前必须除去，可以用酸性KMnO4溶液除去，酸性KMnO4溶液可盛装于洗气瓶③中。

第9小组：H2S具有强还原性，能不能还原WO3呢？

第10小组：在CuSO4溶液中通入H2S气体，只产生黑色沉淀，说明H2S在溶液中不能还原Cu2+，H2S在固体时也应该不与WO3反应。

第11小组：但是H2S受热分解产生H2，H2可以还原WO3.

第12小组：洗气瓶③与④中盛装的溶液可以对换。瓶②为安全瓶，目的是防止液體倒吸。

第13小组：安全瓶②应该“短进长出”，其他的洗气瓶都应该“长进短出”。

教师：经过各小组的探究，得出安全瓶应该“短进长出”，洗气瓶都应该“长进短出”。 加热条件下与固体试剂反应需要先干燥，干燥之前需要除杂。下面进行问题（4）的互动。

第5小组：应该先通H2排尽装置中的空气，以防空气中的O2与H2混合受热引起爆炸；要等H2将WO3全部还原再停止加热，要等生成的W冷却后再停止通入H2，以防生成的W再次被进入空气中的O2氧化。

教师：对于给定的实验装置图，首先要弄清这套装置是用来干什么的，然后要弄清各仪器的作用是什么，再理清各仪器连接的先后顺序，最后弄清实验操作的要点。

3. 基于工艺流程图的合作探究

化学工艺流程题是典型的化学模型试题，是从原始的工艺流程中抽象提炼而成的，是难度较大的看图说话试题，是以元素及其化合物为载体考查化学概念、理论的综合性试题。方法是借助题干信息，理清图中各步反应原理及反应产物的分离提纯，并应用化学理论予以解释，看懂图示内在的逻辑联系。

案例3：Li4Ti5O12和LiFePO4都是锂离子电池的电极材料，可利用钛铁矿（主要成分为FeTiO3，还含有少量MgO、SiO2等杂质）来制备，工艺流程如下图3：

请各小组探究下列问题：

（1）酸浸哪些条件利于提高铁的浸出率？酸浸时发生了哪些化学反应（钛主要以TiOCl42-形式存在）？请写出相应的离子方程式。

（2）滤液①中主要含有哪些离子？滤液①水解的目的是什么？控制什么条件可以达到目的？

（3）滤液②中加双氧水、磷酸的目的是什么？若滤液②中c（Mg2+）=0.02mol·L-1，加入双氧水和磷酸（设溶液体积增加1倍），使Fe3+恰好沉淀完全，即溶液中c（Fe3+）=1.0×10-5 mol·L-1，此时是否有

Mg3（PO4）2沉淀生成[FePO4、Mg3（PO4）2的KSP分别为1.3×10-22、1.0×10-24]？

（4）請分别写出高温煅烧①、高温煅烧②的化学方程式。

（5）已知Li2Ti5O15中Ti的化合价为+4，则TiO2·xH2O加双氧水、氨水的目的是什么？Li2Ti5O15中过氧键的数目是多少？

各小组学生完成互动探究后，小组内同学经过充分讨论、质疑，统一认识后，教师组织小组间同学互动。

教师：下面进行问题（1）的互动。

第1小组：加热、搅拌、将矿石粉碎等可以提高铁的浸出率。

第2小组：还有时间，时间越长，浸出率越高。

第3小组：FeTiO3可以与盐酸反应：FeTiO3+ 4H++4Cl- = Fe2++ TiOCl42- + 2H2O；MgO也可以与盐酸反应：MgO+2H+=Mg2++H2O.

教师：我们探究的问题是酸浸哪些条件利于提高铁的浸出率，而不是哪些条件利于提高铁的浸出速率，所以，除了加热、搅拌和将矿石粉碎以外，还与时间有关。下面进行问题（2）的互动。

第4小组：滤液①中主要有H+、Mg2+、Fe2+、TiOCl42-、Cl-等。滤液①水解的目的是使TiOCl42-转变为TiO2·xH2O沉淀与Mg2+、Fe2+分离。

第5小组：从TiOCl42-水解的离子方程式：TiOCl42-+（x+1）H2O=TiO2·xH2O↓+4Cl-+4H+，可知调节溶液的pH可以使TiOCl42-转变为TiO2·xH2O沉淀与Mg2+、Fe2+分离的目的。

教师：第4小组与第5小组的探究很成功，下面进行问题（3）的互动。

第6小组：滤液②中加双氧水、磷酸的目的是制备FePO4，其中双氧水的作用是将Fe2+氧化为Fe3+：2Fe2++H2O2+2H+= 2Fe3++2H2O.

第7小组：滤液②中加双氧水、磷酸的目的是制备FePO4，要写总化学方程式：2Fe2++H2O2+2H3PO4=2FePO4↓+4H++2H2O.

第8小组：Fe3+恰好沉淀完全时，c（PO43-）= mol·L-1=1.3×10-17 mol·L-1，c3（Mg2+）×c2（PO43-）=（0.01）3×（1.3×10-17）2=1.7×10-40

教师：滤液②中加双氧水作用是将Fe2+氧化为Fe3+，加双氧水、磷酸的目的是制备FePO4，所以，要像第7小组那样写总化学方程式。第8小组的探究很正确，请同学们一定要注意，在同一溶液中，不管是针对Fe3+的计算，还是针对Mg2+的计算，PO43-的浓度都是一样的。下面进行问题（4）和（5）的互动。

第9小组：高温煅烧①的化学方程式为：Li2Ti5O15+Li2CO3 Li4Ti5O12+CO2↑+2O2↑， 高温煅烧②的化学方程式为： 2FePO4 + Li2CO3+ H2C2O4 2LiFePO4+ H2O↑+ 3CO2↑。

第10小组：Li2Ti5O15中有两种氧原子，一种是-2价的氧原子，一种是过氧根中的氧，显-1价，设过氧键的数目为x，据化合价代数和为零，有（+1）×2+（+4）×5+（-2）×（15-2x）+（-1）×2x=0，解得x=4。

教师：高温煅烧①是Li2Ti5O15部分氧的化合价降低、部分氧的化合价升高和Li2CO3 部分氧的化合价升高所致，高温煅烧②是FePO4 中铁元素化合价降低，H2C2O4中碳元素化合价升高所致。Li2Ti5O15中含有过氧根（O22-），其中氧元素为-1价，是解答问题的关键。

4. 基于物质结构示意图的合作探究。物质结构示意图包括原子结构、分子结构和晶体结构示意图，其中原子结构图形包括原子结构示意图、电子式、电子排布式和电子排布图等，分子结构图包括电子式、结构式比例模型和球棍模型等，晶体结构图包括投影示意图、晶体结构和晶胞图等，本文仅以晶胞图为例进行合作探究。

案例4：MgO具有NaCl型结构（如图4），其中阴离子采用面心立方最密堆积方式，X射线衍射实验测得MgO的晶胞参数为a=0.420nm，请探究下列问题：

（1）氧离子半径r（O2-）为多少？

（2）与每个O2-距离最近的O2-数目是多少？与每个O2-距离最近的Mg2+数目是多少？

（3）Mg2+采用的堆积方式是什么？

（4）MgO晶体的密度是多少？

（5）MnO也属于NaCl型结构，晶胞参数为a' =0.448 nm，则Mn2+半径r（Mn2+）是多少？

各小组学生完成互动探究后，小组内同学经过充分讨论、质疑，统一认识后，教师组织小组间同学互动。

教师：下面进行问题（1）的互动。

第一小组：因为离子间采用紧密堆积，所以面对角线长是O2-半径的4倍，据勾股定理有[4r（O2-）]2=2a2， r（O2-）= a= ×0.420nm=0.148nm.

教师：第1小组探究正确，下面进行问题（2）的互动。

第2小组：与每个O2-距离最近的O2-数目是3，我们以右下角O2-（如图5中圈圈2的O2-）为例，与之距离最近的O2-应该是面心的O2-（如图5中圈圈1的O2-）。

第3小组：与每个O2-距离最近的O2-数目是12，因为每个顶点为8个晶胞所共有，在圈圈2的O2-的右下方有3个O2-，右上方有3个O2-，左下方有3个O2-，共12个O2-.

第4小组：与每个O2-距离最近的Mg2+数目是6，如图6所示，其中圈圈2圈住的是O2-.

教師：第2小组只考虑了一个晶胞的，要注意每个顶点为8个晶胞所共有，像第3小组的分析才是正确的。下面进行问题（3）的互动。

第5小组：如图7中阿拉伯数字的标注所示，Mg2+采用的堆积方式是立方体心紧密堆积。

教师：第5小组分析正确，下面进行问题（4）的互动。

第6小组：每个晶胞的Mg2+为：12× +1=4，每个晶胞的O2-数为：8× +6× =4，即每个晶胞中有4个MgO，其质量为4mol×56g·mol-1=224g，密度为 = =3.02×103g/nm3.

第7小组：56g是1mol MgO的质量，一个MgO的质量为 =9.3×10-23g，每个晶胞的质量为4×9.3×10-23g=3.72×10-22g.

第8小组：固体密度的单位是g/cm3，计算晶胞的体积时应该进行单位换算，即密度为 =5.02g/cm3.

教师：计算晶体密度时，一定要先计算一个晶胞所含的粒子个数，然后计算一个晶胞的质量，此时要注意把1mol粒子的质量换算成1个粒子的质量，像第7小组一样，而且还要像第8小组一样计算体积时进行单位换算。下面进行问题（5）的互动。

第9小组：晶胞边长是2个Mn2+半径和2个O2-半径之和，即2r（Mn2+）+2r（O2-）=0.448nm，

r（Mn2+）= = =0.076nm.

教师：第9小组解答正确。通过上述计算，我们发现，在晶体结构的相关计算中，不仅要理解化学含义，更需要空间想象力，甚至有时是纯数学计算，如问题（5）。

合作探究要注意将小组学生“捆绑”在一起，用小组整体成绩作为个人评价的依据，并给予个人精神奖励和物质奖励，合作学习才能有效开展。评价的内容有小组成员的合作程度和小组整体参加各种测试所得成绩，合作程度包括小组成员合作贡献度、课堂活动参与度、课外活动参与度、作业态度和小组任一组员是否都理解及解答所有问题等；测试成绩包括课堂回答问题得分、小组之间辩论得分、单元小测得分、帮组其他组解决问题所得加分和参加校外活动（如化学竞赛）所得加分等，教师课前需要精心设计一份评价表，根据统计可以实行周评、月评、期中评和期末评等。

总之，合作探究不仅可以进行实验探究，而且可以进行概念、理论和图示等问题的探究，合作探究过程中学生可以进行正误辩论，去伪存真，是突破化学教学中的难点问题的有效策略。化学教学中的看图说话，通过学生课堂的合作探究，问题迎刃而解，学生在合作中交往，在探究中发现，在辩论中发展。

参考文献：

[1] 刘玉静，高艳.合作学习教学策略[M].北京：北京师范大学出版社，2011：1-144.

[2] 任长松.探究式学习：学生知识的自主建构[M].北京：教育科学出版社，2005：25-32.

[3] 邱绍方.化学教学中有效开展合作学习的策略[J].新课程研究（下旬），2013，（4）：121-123.

责任编辑 朱泽玲