“速率”和“平衡”教學(xué)亟待澄清的誤區(qū)

吳晗清+李丹+趙冬青

摘要：“速率”和“平衡”是化學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，是化學(xué)反應(yīng)原理的重要組成部分，既相互聯(lián)系又存在本質(zhì)區(qū)別，但實(shí)踐中往往被混為一談。對(duì)北京市某普通中學(xué)的194名高二學(xué)生的調(diào)查研究表明，半數(shù)學(xué)生不清楚“平衡只與體系的狀態(tài)有關(guān)，與建立的途徑無(wú)關(guān)”；大部分學(xué)生忽視速率的定量特征；幾乎沒有學(xué)生理解“速率所屬的動(dòng)力學(xué)及平衡所屬的熱力學(xué)，雖然相關(guān)但兩者并不互為因果關(guān)系”?；诖?，教師要從源頭深刻把握熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的本質(zhì)差異；教學(xué)順序可以進(jìn)行調(diào)整，先學(xué)平衡再講速率；要引導(dǎo)學(xué)生厘清平衡和速率，學(xué)會(huì)敏感地從熱力學(xué)的角度解決平衡問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)速率；化學(xué)平衡；調(diào)查研究

文章編號(hào)：1005–6629（2017）3–0021–05 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

化學(xué)反應(yīng)原理是中學(xué)化學(xué)中邏輯性最為縝密的一個(gè)部分，而最令學(xué)生頭痛的則是其中的化學(xué)平衡部分?；瘜W(xué)平衡還包括下位的弱電解質(zhì)的電離平衡、鹽類的水解平衡、沉淀溶解平衡等內(nèi)容。化學(xué)平衡的基本原理是上述所有理論的基礎(chǔ)，學(xué)生只有真正掌握了化學(xué)平衡，才能認(rèn)知其他特殊條件下的各類平衡問(wèn)題。

1 “速率”和“平衡”的教學(xué)誤區(qū)

1.1 盡管課標(biāo)“隔離”了“速率”和“平衡”，但教學(xué)中往往混為一談

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容是高中化學(xué)反應(yīng)原理模塊的重要組成部分。課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生對(duì)動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)主要有：（1）知道化學(xué)反應(yīng)速率的定量表示方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定某些化學(xué)反應(yīng)的速率；（2）知道活化能的涵義及其對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響；（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究溫度、濃度、壓強(qiáng)和催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，認(rèn)識(shí)其一般規(guī)律。而對(duì)熱力學(xué)的要求包括以下兩個(gè)方面：（1）能用焓變和熵變說(shuō)明化學(xué)反應(yīng)的方向；（2）描述化學(xué)平衡建立的過(guò)程，知道化學(xué)平衡常數(shù)的涵義，能利用化學(xué)平衡常數(shù)計(jì)算反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率[1]。

很明顯，課標(biāo)對(duì)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)這兩個(gè)理論作了明確的“隔離”，即內(nèi)容上分開來(lái)闡述，強(qiáng)調(diào)了速率相關(guān)內(nèi)容的過(guò)程性以及平衡相關(guān)內(nèi)容的狀態(tài)性。例如課標(biāo)要求用焓變和熵變兩個(gè)狀態(tài)函數(shù)去判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，要求利用化學(xué)平衡常數(shù)去計(jì)算反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率等等。動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)有著不同的研究對(duì)象，前者關(guān)注的是反應(yīng)的過(guò)程，后者只關(guān)涉體系的狀態(tài)。兩者有著本質(zhì)的差異，而教材往往通過(guò)速率來(lái)建立平衡，且通過(guò)速率的改變來(lái)討論平衡的移動(dòng)，從而教師往往將兩個(gè)理論混為一談，時(shí)而“速率”，時(shí)而“平衡”，導(dǎo)致學(xué)生誤以為速率的改變是平衡移動(dòng)的原因，事實(shí)上焓和熵才是影響平衡的關(guān)鍵因素。

在教學(xué)實(shí)踐中，教師往往這樣總結(jié)：“在一定的條件下，當(dāng)一個(gè)可逆反應(yīng)的正逆反應(yīng)速率相等且不等于零時(shí)，該反應(yīng)就達(dá)到了動(dòng)態(tài)的化學(xué)平衡狀態(tài)。這種狀態(tài)的建立需要一定的條件，當(dāng)條件改變時(shí)，導(dǎo)致正逆反應(yīng)速率改變，從而平衡狀態(tài)被打破。如果正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，那么反應(yīng)向正方向移動(dòng)，最終達(dá)到一個(gè)新的平衡?！边@樣的表述乍看起來(lái)很正確，有條理。但仔細(xì)分析其邏輯關(guān)系時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)存在很多問(wèn)題。比如這樣的表述認(rèn)為速率不變導(dǎo)致了平衡建立，速率的改變引起了平衡的移動(dòng)，即化學(xué)反應(yīng)速率是化學(xué)平衡的原因。這種將熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)歸結(jié)為簡(jiǎn)單的因果關(guān)系的錯(cuò)誤做法，勢(shì)必導(dǎo)致學(xué)生思維紊亂，因此從源頭上區(qū)分動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)才能消除這種認(rèn)識(shí)誤區(qū)。

1.2 相關(guān)研究“隔靴搔癢”，沒有涉及教學(xué)中如何有效“分離”動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)

很遺憾的是，相關(guān)教學(xué)研究并沒有關(guān)注到教學(xué)實(shí)踐中如何從源頭上消除這種混淆，而主要集中在以下三個(gè)方面：一是學(xué)科本體知識(shí)的推導(dǎo)。主要是從學(xué)科本體知識(shí)層面出發(fā)去辨析和論證化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡狀態(tài)、化學(xué)平衡移動(dòng)等核心概念的內(nèi)涵和實(shí)質(zhì)，探討各概念間的聯(lián)系和區(qū)別。該討論建立在大學(xué)物理化學(xué)的純理論知識(shí)之上，沒有涉及到具體的教和學(xué)，缺乏操作性。

二是教學(xué)策略與方法的探討。這類研究一般都起源于教師在實(shí)際授課過(guò)程中遇到的困惑或者問(wèn)題，針對(duì)某一節(jié)課或者某一單元的內(nèi)容，通過(guò)嘗試新的教學(xué)理念或者改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)和方法來(lái)提高教學(xué)的實(shí)效性，然后分析比較改進(jìn)后的成果和不足，為其他教師提供參考。但以上研究極少觸及學(xué)生在本部分產(chǎn)生認(rèn)知障礙的本質(zhì)原因：即將混淆了的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)作為建構(gòu)知識(shí)的基礎(chǔ)。

三是學(xué)生學(xué)習(xí)障礙點(diǎn)的分析。這部分研究主要從教學(xué)重難點(diǎn)出發(fā)，調(diào)查分析學(xué)生存在的認(rèn)知障礙和迷思概念以及形成原因，旨在探討如何避免學(xué)生在認(rèn)知建構(gòu)中出現(xiàn)矛盾。但這類研究的關(guān)注點(diǎn)集中在教學(xué)過(guò)程中的策略和方法是否恰當(dāng)，很少觸及到學(xué)科本體知識(shí)框架的科學(xué)性。

1.3 教學(xué)誤區(qū)的實(shí)踐表征：“以其昏昏，使人昭昭”

在真實(shí)的教學(xué)情境中主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是教師本身理論知識(shí)紊亂、邏輯不清，不清楚化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡之間的聯(lián)系和區(qū)別。因此在教學(xué)實(shí)踐中也就無(wú)法將這個(gè)問(wèn)題有層次、結(jié)構(gòu)化地呈現(xiàn)給學(xué)生。導(dǎo)致學(xué)生在認(rèn)知建構(gòu)的起始階段就存在誤區(qū)，失之毫厘謬以千里，最后無(wú)法認(rèn)清動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的本質(zhì)。

二是學(xué)生在學(xué)習(xí)這一塊內(nèi)容時(shí)只考慮速率和平衡的關(guān)系，錯(cuò)誤地使用速率去推斷一切平衡問(wèn)題，混淆了兩個(gè)理論不同的適用范圍，不能區(qū)分過(guò)程性問(wèn)題和狀態(tài)性問(wèn)題，導(dǎo)致問(wèn)題解決時(shí)思維混亂，甚至出現(xiàn)分別從“速率”和“平衡”的角度去分析同一個(gè)問(wèn)題，居然得到截然相反答案的情形。如有學(xué)生學(xué)完速率和平衡之后提出一個(gè)問(wèn)題，“有固體做反應(yīng)物的可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，將固體由塊狀粉碎成粉末狀后，正反應(yīng)速率增大，逆反應(yīng)速率沒有變化，為何平衡沒有移動(dòng)呢？”學(xué)生這種問(wèn)題出現(xiàn)的根本原因在于學(xué)生沒有理解化學(xué)平衡移動(dòng)的能量本質(zhì)。

2 “速率”和“平衡”教學(xué)的實(shí)證研究

本研究對(duì)北京市一所普通學(xué)校的高二學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)放問(wèn)卷240份，回收有效問(wèn)卷194份，有效回收率為80.8%。

研究工具分為問(wèn)卷和訪談兩部分。（1）問(wèn)卷測(cè)試。問(wèn)卷包括對(duì)速率及其影響因素的理解、對(duì)平衡及其影響因素的理解、對(duì)平衡和速率關(guān)系的理解三個(gè)維度。每個(gè)維度均包括兩個(gè)判斷題，每個(gè)問(wèn)題后均要求學(xué)生寫出判斷的原因。（2）半結(jié)構(gòu)性訪談。對(duì)6位教師進(jìn)行深度的半結(jié)構(gòu)性訪談，主要從教師的角度關(guān)注教學(xué)實(shí)踐中速率和平衡問(wèn)題的處理。測(cè)試總體結(jié)果如圖1所示。