吳慶生
摘要: 闡述利用“疊加法”繪制化學(xué)平衡圖像曲線的涵義、教學(xué)意義、教學(xué)流程以及教學(xué)要點(diǎn)等,指出通過引導(dǎo)學(xué)生繪圖,能夠讓學(xué)生體驗(yàn)可逆體系平衡的建立過程與移動(dòng)規(guī)律,從而建構(gòu)對(duì)影響化學(xué)平衡因素量變過程的深度認(rèn)知,進(jìn)而能夠遷移應(yīng)用化學(xué)平衡的圖像表征方式。
關(guān)鍵詞: 疊加法; 繪圖; 可逆體系; 平衡圖像
文章編號(hào): 10056629(2022)06009404
中圖分類號(hào): G633.8
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
化學(xué)平衡的建立和移動(dòng)比較抽象,為了使抽象問題直觀化與可視化,常借助于圖像加深理解和進(jìn)行詮釋。平衡圖像具有直觀、簡(jiǎn)潔、具體和形象等特點(diǎn),通過曲線的變化趨勢(shì),能夠反映出影響因素和影響結(jié)果由量變到質(zhì)變的相互關(guān)系。利用平衡圖像有助于學(xué)生理解可逆體系中速率和平衡的變化規(guī)律,從而促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)能力的發(fā)展。
無(wú)論是借助于圖像理解速率和平衡問題,還是應(yīng)用速率和平衡原理辨識(shí)圖像問題,都容易將兩者相互剝離,導(dǎo)致原理和圖像“兩張皮”。在具體解決速率和平衡圖像時(shí),教師更多地是從圖像模型切入,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行套用。由于速率平衡圖像種類較多,如果僅僅從外在的圖像模型去“生搬硬套”,往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生被動(dòng)套用、顧此失彼。而采用繪圖的教學(xué)策略,讓學(xué)生主動(dòng)地建構(gòu)速率平衡圖像,在繪圖的過程中體驗(yàn)可逆體系平衡的建立過程和移動(dòng)規(guī)律,能夠深度理解圖像的含義,從而將原理和圖像完美地融合在一起,并借助平衡圖像表征方式,實(shí)現(xiàn)可逆體系微觀、宏觀、符號(hào)和圖像四重表征的融合。
1 “疊加法”繪圖的涵義
在可逆體系中,隨著反應(yīng)物和生成物濃度的變化,正、逆方向的速率也在發(fā)生變化,當(dāng)正、逆速率相等時(shí),就達(dá)到了平衡狀態(tài);當(dāng)外界影響因素(濃度、壓強(qiáng)或溫度)變化時(shí),正、逆反應(yīng)速率也發(fā)生變化,從而導(dǎo)致化學(xué)平衡發(fā)生移動(dòng),然后又重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)。
平衡圖像是指某一可逆體系在一定條件下,依據(jù)影響因素(自變量)和影響結(jié)果(應(yīng)變量)的相互關(guān)系,以平面坐標(biāo)的形式,通過定性(變化趨勢(shì))、定量(具體數(shù)值)或半定量(相對(duì)大小)等手段來(lái)表征平衡的建立或移動(dòng)變化[1]。
“疊加法”繪圖,就是根據(jù)可逆體系的變化情況,繪制應(yīng)變量(速率、濃度、含量或轉(zhuǎn)化率等)隨自變量(時(shí)間、溫度或壓強(qiáng)等)的變化曲線,以及將多條曲線進(jìn)行疊加等,從而繪制出化學(xué)平衡圖像。
2 “疊加法”繪圖的教學(xué)意義
引導(dǎo)學(xué)生利用“疊加法”繪制平衡圖像,學(xué)生不僅能夠深度理解平衡的建立過程和移動(dòng)規(guī)律,而且還有助于掌握?qǐng)D像的關(guān)鍵要素。另外,繪圖還可以將看不見的抽象知識(shí)具體化、隱性的思維可視化。通過繪圖,不僅能夠展示學(xué)生的思維方式和思維過程,還能夠顯露出學(xué)生的認(rèn)知缺陷和認(rèn)知偏差。因此,“疊加法”繪圖可以實(shí)現(xiàn)以繪促思、以繪促學(xué)、學(xué)思結(jié)合、圖理相長(zhǎng)[2]。
2.1 有利于深度理解平衡的建立和變化過程
由于平衡圖像是基于可逆體系的變化,因此,引導(dǎo)學(xué)生繪制平衡圖像,學(xué)生就能夠體驗(yàn)平衡的建立過程,以及外界因素影響下平衡的移動(dòng)規(guī)律。學(xué)生繪圖的過程,也是深度理解外界因素影響導(dǎo)致可逆體系發(fā)生變化的過程。當(dāng)然,學(xué)生繪制的圖像,也反映出學(xué)生的認(rèn)知現(xiàn)狀、理解程度和展示能力。
案例1 化學(xué)選擇性必修1(2020年人教版)“實(shí)驗(yàn)21”: 向盛有5mL 0.005mol/L FeCl3溶液的試管中加入5mL 0.015mol/L KSCN溶液,溶液呈紅色。將上述溶液平均分裝在a、 b、 c三支試管中,向試管b中加入少量鐵粉,向試管c中滴加4滴1mol/L KSCN溶液。
(1) 繪制“加入5mL 0.015mol/L KSCN溶液”時(shí)溶液中正、逆反應(yīng)速率時(shí)間圖像;
(2) 在(1)中所繪圖像的基礎(chǔ)上,分別疊加試管b和試管c的正、逆反應(yīng)速率變化曲線。
向FeCl3溶液中加入KSCN溶液時(shí),發(fā)生Fe3++3SCN-Fe(SCN)3可逆反應(yīng),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,c(Fe3+)和c(SCN-)逐漸減少,正反應(yīng)速率逐漸減小;c[Fe(SCN)3]逐漸增加,逆反應(yīng)速率逐漸增大;最后正、逆反應(yīng)速率相等,可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。此時(shí),向試管b中加入少量鐵粉,發(fā)生反應(yīng)Fe+2Fe3+3Fe2+, c(Fe3+)跳躍降低,后逐漸增加;c[Fe(SCN)3]則在原有基礎(chǔ)上逐漸減少;由于逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率,平衡逆向移動(dòng),最后正逆反應(yīng)速率相等,又達(dá)到新的平衡狀態(tài),如圖1所示。而當(dāng)向試管c中滴加4滴1mol/L KSCN溶液時(shí),c(SCN-)跳躍增加,正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率,平衡正向移動(dòng),最后也達(dá)到新的平衡狀態(tài),如圖2。
2.2 有利于掌握?qǐng)D像中關(guān)鍵要素的含義
對(duì)于平衡圖像中橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、曲線走勢(shì)、起點(diǎn)、拐點(diǎn)和終點(diǎn)等關(guān)鍵要素的含義,學(xué)生如果能夠繪制圖像,當(dāng)然也就自然而然地掌握了這些關(guān)鍵要素的含義。
案例2 在恒容裝置充入一定量的SO2和O2,發(fā)生反應(yīng)2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0,按下列要求繪圖:
(1) SO3百分含量φ在溫度T1下隨時(shí)間t的變化圖像;
(2) 在(1)所繪的圖像上疊加SO3百分含量φ在溫度T2下隨時(shí)間t的變化曲線,其中T2>T1。
拐點(diǎn)t1、 t2代表的是達(dá)到平衡所需的時(shí)間,反映的是速率快慢;而終點(diǎn)φ1、 φ2則代表的是平衡時(shí)SO3的含量,反映的是平衡移動(dòng)的程度。
2.3 有利于分析多因素共同影響的結(jié)果
對(duì)于可逆體系中的有些影響結(jié)果,存在著多種影響因素,只不過在某一階段,其中一種影響因素是主要的;而在另一階段,另一種影響因素是主要的。此時(shí),引導(dǎo)學(xué)生采用繪圖的方式,將單一影響因素的曲線進(jìn)行疊加,就可以直觀地得出多種因素共同作用下的影響結(jié)果。
案例3 在一定溫度下,向冰醋酸中加水稀釋:
(1) 繪制醋酸濃度隨加水體積V的變化圖像;
(2) 繪制醋酸溶液中n(H+)隨加水體積V的變化圖像;
(3) 預(yù)期醋酸溶液中c(H+)的變化趨勢(shì),并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明;
[用pH傳感器(或電導(dǎo)率傳感器)測(cè)冰醋酸加水過程中溶液pH(或電導(dǎo)率)的變化情況,或采用燈泡發(fā)光實(shí)驗(yàn)]
(4) 將(1)圖像曲線和(2)圖像曲線進(jìn)行疊加,繪制醋酸溶液中c(H+)隨加水體積V的變化圖像。
冰醋酸在稀釋過程中,醋酸的濃度不斷降低,而醋酸的電離程度卻不斷增加,n(H+)也在不斷增多。當(dāng)n(H+)的增加量大于溶液體積的增加量時(shí),c(H+)處于上升通道;而當(dāng)n(H+)的增加量小于溶液體積的增加量時(shí),c(H+)則處于下降通道。
3 “疊加法”繪圖的教學(xué)流程
繪圖并非要“圖圖俱到”,更不是為了繪圖而繪圖,而是要圍繞核心知識(shí)和學(xué)生認(rèn)知難點(diǎn)來(lái)確定繪圖主題[3],然后再依據(jù)主題創(chuàng)設(shè)問題情境,從而引導(dǎo)學(xué)生繪圖,具體教學(xué)流程如下。
(1) 創(chuàng)設(shè)繪圖問題情境。
繪圖問題情境既可以來(lái)自于課本素材,如“案例1”,也可以根據(jù)教學(xué)情景和教學(xué)期待進(jìn)行創(chuàng)設(shè),如“案例2”和“案例3”等。
(2) 根據(jù)影響因素及影響結(jié)果的相互關(guān)系找出應(yīng)變量和自變量。
濃度、壓強(qiáng)、溫度和催化劑等能影響速率發(fā)生改變,其中濃度、壓強(qiáng)和溫度等還能影響可逆體系平衡發(fā)生變化,而導(dǎo)致可逆體系平衡發(fā)生移動(dòng)的內(nèi)在動(dòng)力是正、逆方向速率的相對(duì)大小。因此,能夠作為平衡圖像應(yīng)變量的可以是反應(yīng)速率、反應(yīng)物或生成物濃度、反應(yīng)物或生成物含量、反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率等,自變量則可以是時(shí)間、溫度、壓強(qiáng)、投料比或體積等。
(3) 先分析應(yīng)變量隨單一自變量的變化趨勢(shì)并繪圖;
(4) 在單一自變量圖像的基礎(chǔ)上分別疊加另一種或多種自變量的變化曲線。
4 “疊加法”繪圖的教學(xué)要點(diǎn)
4.1 利用不同圖像對(duì)同一問題進(jìn)行多維表征
對(duì)于同一問題情境,可以從不同方向進(jìn)行分析,可以用不同圖像進(jìn)行表征,這樣有助于學(xué)生從不同視角來(lái)進(jìn)行體驗(yàn)和理解,從而建構(gòu)對(duì)該問題全面、立體的認(rèn)知。這樣學(xué)生既看見了“樹木”,還見識(shí)了“森林”。
比如,根據(jù)“案例2”素材情境,不僅能夠繪制SO3百分含量時(shí)間圖像,還能夠分別繪制濃度時(shí)間圖像、速率時(shí)間圖像、轉(zhuǎn)化率時(shí)間圖像、轉(zhuǎn)化率溫度圖像、轉(zhuǎn)化率投料比圖像、轉(zhuǎn)化率溫度壓強(qiáng)圖像等。
同時(shí),借助于同一問題不同圖像之間的轉(zhuǎn)換,既可以建構(gòu)不同變量之間的橫向聯(lián)系,藉以形成知識(shí)結(jié)構(gòu),嫻熟的圖像切換技能還能夠消除對(duì)平衡圖像的畏難心理。
案例4 已知25℃時(shí),Ksp(BaSO4)=1.1×10-10, Ksp(BaCO3)=2.6×10-9:
(1) 繪制在25℃時(shí)BaSO4飽和溶液中c(Ba2+)c(SO2-4)的圖像;
BaSO4為難溶電解質(zhì),存在溶解平衡,在其飽和溶液中: c(Ba2+)·c(SO2-4)=Ksp(BaSO4), c(Ba2+)與c(SO2-4)成反比例函數(shù),圖像為在平面坐標(biāo)內(nèi)第一象限的曲線(雙曲線的一部分)。
(2) 25℃時(shí),在(1)所繪的圖像中疊加c(Ba2+)c(CO2-3)的曲線;
因?yàn)樵谙嗤瑴囟认拢琄sp(BaSO4) (3) 已知p(Ba2+)=-lg c(Ba2+),p(酸根離子)=-lg c(酸根離子),酸根離子為SO2-4或CO2-3。 25℃時(shí),繪制在BaSO4和BaCO3的飽和溶液中p(Ba2+)與p(酸根離子)的關(guān)系圖像。 以BaSO4為例進(jìn)行分析,將c(Ba2+)×c(SO2-4)=Ksp(BaSO4)兩邊取對(duì)數(shù),得出: lgc(Ba2+)+lgc(SO2-4)=lgKsp(BaSO4) [-lgc(Ba2+)]+[-lgc(SO2-4)]=-lgKsp(BaSO4) p(Ba2+)+p(SO2-4)≈10 這樣就相當(dāng)于: x+y=k,圖像為一次函數(shù)直線。再疊加BaCO3的曲線,即得到如圖6所示圖像。 4.2 對(duì)圖像的變化規(guī)律進(jìn)行概括總結(jié) 通過對(duì)一幅圖的系列變式,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)一組圖、一類圖,再引導(dǎo)學(xué)生概括一組圖、一類圖的共同特點(diǎn)和變化規(guī)律,從而領(lǐng)悟圖像中所蘊(yùn)含的平衡內(nèi)涵和方法技巧。 比如,結(jié)合“案例1”圖像,總結(jié)改變濃度、溫度或壓強(qiáng)時(shí)對(duì)正、逆反應(yīng)速率的影響結(jié)果,可概括可逆體系速率時(shí)間圖像的變化規(guī)律: (1)增加濃度、升高溫度、增大壓強(qiáng),平衡時(shí)v(正)和v(逆)都增大;(2)減少濃度、降低溫度、減小壓強(qiáng),平衡時(shí)v(正)和v(逆)都減小;(3)改變溫度和壓強(qiáng)時(shí),v(正)和v(逆)的變化是不連續(xù)的,即跳躍的;(4)如果只改變反應(yīng)物或生成物濃度時(shí),v(正)不連續(xù)、v(逆)連續(xù)或v(正)連續(xù)、v(逆)不連續(xù)。 再如,結(jié)合“案例2”圖像,得出在不同溫度(或壓強(qiáng))下,濃度(百分含量或轉(zhuǎn)化率)時(shí)間圖像均遵循“先拐先平數(shù)量大”的規(guī)律。 4.3 對(duì)圖像的表征進(jìn)行深度解析 繪圖是為了深度體驗(yàn)可逆平衡的建構(gòu)過程和移動(dòng)規(guī)律,平衡圖像作為可逆體系宏觀、微觀和符號(hào)等三重表征的另外一種表征方式,具有豐富的表征內(nèi)涵。因此,要對(duì)圖像的內(nèi)涵進(jìn)行深度挖掘,對(duì)圖像的辨識(shí)和應(yīng)用也要進(jìn)行深度解析。 比如,結(jié)合“案例2”圖像,對(duì)于濃度(百分含量或轉(zhuǎn)化率)時(shí)間圖像,當(dāng)在不同溫度(或壓強(qiáng))下,將多條曲線進(jìn)行疊加時(shí),疊加曲線的前后位置(即拐點(diǎn))代表速率快慢,上下位置(即終點(diǎn))則代表可逆體系進(jìn)行的程度大小。 再如,針對(duì)諸如轉(zhuǎn)化率溫度壓強(qiáng)等圖像的分析,常采用“定一議二法”,為什么呢?這是基于單一控制變量的思想。當(dāng)影響轉(zhuǎn)化率的自變量有溫度和壓強(qiáng)兩項(xiàng)時(shí),要控制其中一項(xiàng),比如溫度,取同溫度時(shí),就可以直接得出轉(zhuǎn)化率隨壓強(qiáng)變化的關(guān)系了。 4.4 打通繪圖和識(shí)圖的雙向通道 繪制平衡圖像是深度理解平衡建立和移動(dòng)過程的有效手段,平衡圖像揭示了影響因素和影響結(jié)果之間的變化趨勢(shì)以及相互關(guān)系。在進(jìn)行繪圖教學(xué)時(shí),不僅要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)繪圖,還要學(xué)會(huì)識(shí)圖與用圖,以達(dá)到理中生圖、圖中有理、圖理融合。 學(xué)會(huì)繪圖能夠促進(jìn)學(xué)生有效地識(shí)圖,在繪圖過程中,學(xué)生會(huì)對(duì)起點(diǎn)的選擇、拐點(diǎn)和終點(diǎn)的確定、曲線的走勢(shì)等進(jìn)行思考和判斷。圖像的生成過程既是對(duì)知識(shí)理解和應(yīng)用的過程,也是顯露認(rèn)知偏差的思維過程[4]。利用矯正過的圖像認(rèn)知再去辨識(shí)別的、新的圖像,就能夠有效地規(guī)避識(shí)圖陷阱。 如果說(shuō)繪圖是訓(xùn)練學(xué)生的正向思維,那么識(shí)圖則為逆向思維,需要溯因分析。通過訓(xùn)練學(xué)生識(shí)圖,既有利于矯正學(xué)生的認(rèn)知偏差,也有助于學(xué)生對(duì)感性圖像與理性平衡原理的有機(jī)融合[5]。 參考文獻(xiàn): [1][3][4][5]王新文, 龔穎潮. 化學(xué)平衡圖像的教學(xué)價(jià)值及其實(shí)現(xiàn)策略[J]. 化學(xué)教育, 2014, (21): 28~31. [2]王榮橋. 畫圖: 學(xué)生思維可視化的有效策略[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考, 2021, (4): 32~33.