基于CASES-T模型凸顯化學學科價值*
——以“化學平衡常數(shù)”教學為例

朱少嬌

（廣東華僑中學 廣東 廣州 510000）

培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)離不開學科知識，然而，僅僅傳授學科知識卻無法達成素養(yǎng)目標。從學科知識到核心素養(yǎng)之間需要搭建知識載體才能順利過渡，這個知識載體就是真實問題情境。課堂呈現(xiàn)的情境越真實，越接近原始探索知識的過程，學生就越能體會到知識的現(xiàn)實意義，更容易自然而然地內(nèi)化知識。真實STSE問題、實驗探究活動、化學史實都是有價值的情境素材，是聯(lián)結(jié)知識和素養(yǎng)的有效載體。

鄭長龍教授提出CASES-T模型是化學課堂教學系統(tǒng)的構(gòu)造模型，見圖1。［1］其中，“情境”回答在什么氛圍下學的問題，可分為兩種情況：第一種是建構(gòu)性化學學習情境，意在幫助學生建構(gòu)化學學科的核心概念和基本觀念。第二種是遷移性化學學習情境，主要幫助學生學以致用，運用所建構(gòu)的化學核心概念和學科基本觀念解決實際問題。

圖1 CASES-T模型

本文意圖給學生創(chuàng)設(shè)遷移性化學學習情境，即將平衡常數(shù)的教學融入氫燃料電池車的制氫方式選擇這一真實STSE問題情境中，充分激發(fā)學生認知需求，明確平衡常數(shù)概念，同時將平衡常數(shù)這一核心概念的遷移和應(yīng)用與制氫反應(yīng)的選擇這一真實問題解決過程有機結(jié)合起來，使學生充分感受平衡常數(shù)用于表征反應(yīng)限度，判斷平衡移動方向、預(yù)測平衡狀態(tài)的功能價值，感受平衡常數(shù)用于選擇反應(yīng)和調(diào)控反應(yīng)的重要應(yīng)用價值，同時進一步發(fā)展學生的“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)。

一、教學內(nèi)容分析

化學平衡常數(shù)是人教版高中化學選擇性必修1第二章第二節(jié)的第二部分內(nèi)容。本節(jié)課的內(nèi)容是建立定量描述平衡狀態(tài)的數(shù)學模型——平衡常數(shù)，以及運用平衡常數(shù)和濃度商判斷反應(yīng)狀態(tài)及平衡移動方向。

2017版新課標對化學平衡常數(shù)的內(nèi)容要求如下：認識化學平衡常數(shù)是表征反應(yīng)限度的物理量，知道化學平衡常數(shù)的含義，了解濃度商和化學平衡常數(shù)的相對大小與反應(yīng)方向的聯(lián)系。［2］

學習平衡常數(shù)知識可以增進學生對化學平衡狀態(tài)和基于勒夏特列原理的平衡移動規(guī)律的理解，為學生提供分析平衡移動問題的新思路和方法，從定量的角度進一步培養(yǎng)學生“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)。此外，平衡常數(shù)這一節(jié)內(nèi)容所構(gòu)建的定量表征反應(yīng)限度的認知模型，對后續(xù)章節(jié)中水的離子積、弱電解質(zhì)的電離平衡常數(shù)以及難溶電解質(zhì)的溶度積的學習和理解會有很大的幫助。

學生對化學平衡的認識呈現(xiàn)從無到有，從靜態(tài)到動態(tài)，從定性到定量的思維進階。初中階段，學生對化學反應(yīng)的認識還不存在“反應(yīng)限度”這一角度。必修階段，由于可逆反應(yīng)的出現(xiàn)，學生初步建立了“化學反應(yīng)限度”這一認識角度，但僅局限于“可逆反應(yīng)是有限度的，在一定條件下可逆反應(yīng)達到反應(yīng)限度時即化學平衡狀態(tài)”這一定性認識階段，學生此時只能分析達平衡狀態(tài)的化學反應(yīng)特征，對化學反應(yīng)限度的認識處于靜態(tài)的認識階段。選擇性必修階段，主要發(fā)展學生對化學平衡認識的動態(tài)、定量思維，豐富學生對化學平衡認識的角度，包括會用K定量表征反應(yīng)的限度、用Qc和K的關(guān)系判斷平衡移動的方向、用K來預(yù)測平衡狀態(tài)。

二、素養(yǎng)目標設(shè)計

目標1：通過提出驅(qū)動性任務(wù)“為電動汽車燃料電池所需氫氣選擇制備反應(yīng)”，驅(qū)動學生對平衡常數(shù)的內(nèi)在認識需求。

目標2：通過了解K的建構(gòu)過程，同時對教材2-1表格數(shù)據(jù)的處理和分析，認識平衡常數(shù)的表達式、意義、與濃度商Qc的關(guān)系以及影響因素，逐步培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)。

目標3：結(jié)合工業(yè)制氫的兩個反應(yīng)在不同溫度下的平衡常數(shù)數(shù)據(jù)，解決情境任務(wù)，體會平衡常數(shù)用于表征反應(yīng)限度，判斷平衡移動方向、預(yù)測平衡狀態(tài)的功能價值，感受平衡常數(shù)應(yīng)用于選擇反應(yīng)和調(diào)控反應(yīng)的重要價值，培養(yǎng)“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)。

三、教學思路及流程

圖2 教學思路及流程

四、教學片段精選

1.感知平衡常數(shù)

情境任務(wù)：圖3是氫燃料電池車的架構(gòu)，它采用氫氧燃料電池作為動力來源。充氫3min，續(xù)航650km，它被稱作是新能源車的終極目標。氫燃料電池車上需要儲存氫氣作為發(fā)電能源，科學家正研究2種制備氫氣的方法，水煤氣制氫和甲醇水蒸氣制氫。假如投入的起始量相同，為了得到更多的氫氣來為電動汽車中的燃料電池提供原料，你會選擇哪個反應(yīng)來制氫氣，你是從什么角度來考慮的呢？

圖3 情境任務(wù)：氫燃料電池車及其燃料電池構(gòu)造

【學生1】反應(yīng)①，因為反應(yīng)是放熱反應(yīng)，熱量可以加以利用。

【學生2】反應(yīng)②，因為理論上每摩爾的甲醇反應(yīng)可以得到3摩爾的氫氣，比一氧化碳的多。

【學生3】這兩個反應(yīng)都是可逆反應(yīng)，不同反應(yīng)的限度不一樣，不能只根據(jù)方程式來判斷氫氣產(chǎn)量。

過渡：我們迫切需要知道這兩個反應(yīng)的限度，才好比較。學完今天的內(nèi)容，我們就能多一個角度來解決這個問題。上面的反應(yīng)比較復雜，我們從一個簡單的反應(yīng)入手，先來研究反應(yīng)的限度。

【問題1】表1中可知，每一次實驗的條件是什么？

表1 I（2g）+H（2g）2H（Ig）ΔH=-9.48kJ/mol在457.6℃時反應(yīng)體系中各物質(zhì)濃度

表1 I（2g）+H（2g）2H（Ig）ΔH=-9.48kJ/mol在457.6℃時反應(yīng)體系中各物質(zhì)濃度

反應(yīng)溫度457.6℃457.6℃457.6℃457.6℃起始濃度mol/L c（H2）1.197×10-2 1.228×10-2 0 0 c（I2）6.944×10-3 9.964×10-3 0 0 c（HI）0 0 1.52×10-2 1.287×10-2平衡濃度mol/L c（H2）5.617×10-3 3.841×10-3 1.696×10-3 1.433×10-3 c（I2）5.94×10-4 1.524×10-3 1.696×10-3 1.433×10-3 c（HI）1.270×10-2 1.687×10-2 1.181×10-2 1.000×10-2用各物質(zhì)平衡濃度進行以下計算c2（HI）/［c（H2）·c（I2）］

【問題2】這些實驗都達到了平衡，但是各平衡狀態(tài)的物質(zhì)濃度卻并不相同?？茖W家想尋找這些平衡狀態(tài)之間的聯(lián)系，如果找到了它們之間的聯(lián)系就可以預(yù)測改變投料后的新平衡狀態(tài)，例如457.6℃時，向體積為1L的密閉容器中充入1molH2和1molI2，平衡時各物質(zhì)的濃度分別是多少？如果可以預(yù)測平衡狀態(tài)，就可以預(yù)測產(chǎn)量，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的計劃性。

【問題3】科學家經(jīng)過苦苦尋找，嘗試計算了很多比例式，最終發(fā)現(xiàn)用平衡時各物質(zhì)的濃度代入的值存在聯(lián)系，其中，分母是各反應(yīng)物平衡濃度的積，分子是生成物平衡濃度的2次方（對應(yīng)方程式中HI前的系數(shù)為2），分子也可以理解為生成物HI和HI的平衡濃度之積。下面大家分組計算四個實驗的值，看看有什么聯(lián)系。

【學生】分小組計算，得出結(jié)論。再嘗試寫出幾個具體反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式，推廣到一般式。

2.認識平衡常數(shù)

（1）平衡常數(shù)K有什么用？

思考與討論1：根據(jù)定義式，你認為K值的大小反映了什么問題？

【學生】討論得出：K值越大，說明平衡體系中生成物所占比例越大，它的正向反應(yīng)進行的程度越大，即該反應(yīng)進行得越完全，反之亦然。

【教師】Cl2和Br2與氫氣化合成鹵化氫的平衡常數(shù)表達式與反應(yīng)很相似，是同一種類型，請用平衡常數(shù)來解釋氫化物穩(wěn)定性：HCl＞HBr＞HI。（25℃時

【學生1】K越大，HX越穩(wěn)定。（單從數(shù)據(jù)得出，沒有理解K的意義）

【教師】追問：為什么K越大，HX越穩(wěn)定？

【學生2】K越大，鹵素單質(zhì)與氫氣的化合反應(yīng)正向反應(yīng)進行的程度越大……也就是逆向進行的程度越小，意味著HX越不容易分解，越穩(wěn)定。

【教師】追問：你是怎么推斷出K越大，正向反應(yīng)進行的程度越大？

【學生2】因為K越大，說明生成物的濃度之積越大，也就是生成物的濃度越大，反應(yīng)進行的程度就越大。

【教師】一般來說，如果一個反應(yīng)的平衡常數(shù)大于105，通?？梢哉J為反應(yīng)進行得比較完全。上述三個反應(yīng)中，前兩個反應(yīng)可以認為進行得比較完全，所以我們也可以不寫可逆符號，直接寫等號，而第三個反應(yīng)我們一般會寫可逆符號。

思考與討論2：反應(yīng)未達平衡時，是否存在此比例數(shù)值？

【教師】我們在實際生產(chǎn)過程中，如何確定一個反應(yīng)已經(jīng)達到限度了？

【學生1】壓強不變了。

【教師】對于氣體分子數(shù)不改變的反應(yīng)，壓強不能作為判斷平衡的標志。

【學生2】顏色不變了。

【教師】對于反應(yīng)前后無顏色變化的反應(yīng)，顏色不能作為判斷平衡的標志。

【學生3】速率不變。

【教師】測速率要測Δc和時間，還不如直接測濃度。

【學生4】那就測各物質(zhì)濃度，濃度不再改變時就平衡。

【教師】測幾次？

【學生4】至少2-3次，測到不變?yōu)橹埂?/p>

【教師】如果這個反應(yīng)要一個多月才到達限度，那怎么辦？

【學生4】只能一直測了。

【教師】這樣雖然最終能達到目的，但效率太低了。而且下一次生產(chǎn)時要擴大生產(chǎn)，相同溫度下投料不同，又有新的平衡狀態(tài)，這么辛苦測來的數(shù)據(jù)下次又不可再利用。實際生產(chǎn)過程中不可能頻繁地測各物質(zhì)的濃度，有什么其他的好辦法呢？

【學生】平衡狀態(tài)不同，但是每次的K值都一樣。

【教師】反應(yīng)未達平衡時，是否存在此比例數(shù)值？

【學生】反應(yīng)未達平衡時，也存在此比例數(shù)值，此數(shù)值不等于K。

【教師】我們把任意時刻該比例數(shù)值稱作濃度商，用Qc表示，c代表濃度。計算實驗①②起始濃度時的Qc，我們發(fā)現(xiàn)其值為0；計算實驗③④起始濃度時的Qc，我們發(fā)現(xiàn)其值為無窮大；達平衡時Qc的值為48.5，剛好等于平衡常數(shù)K。通過Qc與平衡常數(shù)K相比較，可以用于判斷反應(yīng)是否達到平衡狀態(tài)。請預(yù)測它們之間的大小與平衡狀態(tài)的關(guān)系？

學生分小組討論，得出結(jié)論：

Qc＜K時，反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行；

Qc=K時，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)；

Qc＞K時，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進行。

【教師】回到我們剛剛的問題，在實際生產(chǎn)過程中，我們怎樣評估一個反應(yīng)是否達平衡呢？

【學生】測出任意時刻的Qc，跟K進行對比，看是否平衡。

【教師】很好，而且如果我們發(fā)現(xiàn)Qc與K比較接近了，說明反應(yīng)進行得差不多了；有時反應(yīng)很慢，但Qc與K相差甚遠，則說明還有很多原料可以利用，我們可以想辦法提高反應(yīng)速率，而不會錯以為反應(yīng)快到達限度。

師生共同總結(jié)提升：從表1中數(shù)據(jù)還可以看到，同一溫度下，不同的起始狀態(tài)，對應(yīng)著不同的平衡狀態(tài)，這些平衡狀態(tài)都有相同的濃度商。平衡狀態(tài)下的濃度商就是化學平衡常數(shù)，如圖4。

圖4 起始狀態(tài)、平衡狀態(tài)與平衡常數(shù)之間的關(guān)系圖

得知了平衡常數(shù)的數(shù)據(jù)，我們就可以用起始濃度來預(yù)測新的平衡狀態(tài)。例如800℃時，可逆反應(yīng)CO（g）+的K=1，向體積為1L的密閉容器中充入2molCO和2molH2O，平衡時各物質(zhì)的濃度分別是多少？

（2）平衡常數(shù)K會不會改變？

【教師】請根據(jù)表2數(shù)據(jù)，計算425.6℃時該反應(yīng)的平衡常數(shù)，你發(fā)現(xiàn)了什么？上述表格體現(xiàn)了平衡常數(shù)K受什么條件影響？不受哪些因素影響？

表2 I（2g）+H（2g2H（Ig）ΔH=-9.48kJ/mol反應(yīng)體系中各物質(zhì)濃度

表2 I（2g）+H（2g2H（Ig）ΔH=-9.48kJ/mol反應(yīng)體系中各物質(zhì)濃度

反應(yīng)溫度/℃457.6 457.6 457.6 457.6 457.6 425.6催化劑無無無無有無起始濃度mol/L c（H2）1.197×10-2 1.228×10-2 0 0 0 1.067×10-2 c（I2）6.944×10-3 9.964×10-3 0 0 0 1.196×10-2 c（HI）0 0 1.52×10-2 1.287×10-2 1.287×10-2 0平衡濃度mol/L c（H2）5.617×10-3 3.841×10-3 1.696×10-3 1.433×10-3 1.433×10-3 1.831×10-3 c（I2）5.94×10-4 1.524×10-3 1.696×10-3 1.433×10-3 1.433×10-3 3.129×10-3 c（HI）1.270×10-2 1.687×10-2 1.181×10-2 1.000×10-2 1.000×10-2 1.767×10-2化學平衡常數(shù)K 48.3 48.6 48.5 48.7 48.7 54.3

【學生1】平衡常數(shù)K的大小受溫度影響。

【學生2】平衡常數(shù)K不受到反應(yīng)物起始濃度、平衡建立的方向、有無催化劑等因素影響。

【教師】請根據(jù)表3數(shù)據(jù)，描述平衡常數(shù)K與反應(yīng)溫度之間的關(guān)系。

表3 兩個制氫反應(yīng)在各個溫度下的化學平衡常數(shù)［3］

【學生3】對于放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度越高，化學平衡常數(shù)K越??；對于吸熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度越高，化學平衡常數(shù)K越大。

3.應(yīng)用平衡常數(shù)

（1）運用K選擇反應(yīng)

【教師】假如投入的起始量都是1mol，為了得到更多的氫氣來為電動汽車中的燃料電池提供原料，你會選擇用哪個反應(yīng)制備氫氣呢？請說明你的理由。

小結(jié)學生回答的角度：

Ⅰ.從節(jié)能的角度，選反應(yīng)①，溫度為125℃時K的值比反應(yīng)②大，反應(yīng)進行程度大；

Ⅱ.從速率的角度看，溫度稍高些有利于提高反應(yīng)的速率，選反應(yīng)②。因為在225℃左右的反應(yīng)②的平衡常數(shù)遠比反應(yīng)①大，該溫度時反應(yīng)正向進行的程度比反應(yīng)①大很多，相同的起始量可以更快得到更多的氫氣。

Ⅲ.從反應(yīng)進行的限度看，選反應(yīng)②，反應(yīng)②在200～300℃平衡常數(shù)接近105，反應(yīng)進行得比較徹底，原料利用率高且可以得到更多的氫氣。

……

（2）運用K調(diào)控反應(yīng)

【教師】假如選擇反應(yīng)②來制取氫，為了得到更多的氫氣，你會采取哪些措施？

小結(jié)學生回答的角度：

Ⅰ.直接升溫，通過增大K值提高反應(yīng)的限度，以獲得更多氫氣。

Ⅱ.可以采取減壓的方式，使Qc小于K，促使反應(yīng)正向進行，以獲得更多氫氣。

Ⅲ.移除生成物，使Qc小于K，促使反應(yīng)正向移動，以獲得更多氫氣。

Ⅳ.增加水蒸氣的量，使Qc小于K，促使反應(yīng)正向移動，以獲得更多氫氣。

……

五、教學效果與反思

本課通過給學生創(chuàng)設(shè)氫燃料電池車選擇制氫方式這一遷移性情境任務(wù)，充分激發(fā)了學生的認知需求，讓學生帶著任務(wù)學習和認識平衡常數(shù)，不再是被動地進行數(shù)據(jù)分析處理，被老師牽著鼻子走，變被動學習為主動求知。

學生在感知平衡常數(shù)的過程中，通過了解科學家提出平衡常數(shù)模型的歷程，由現(xiàn)實的局限性體會到平衡常數(shù)模型提出的必要性，進一步激發(fā)對平衡常數(shù)的認知動力。

在探索平衡常數(shù)“有什么用”、“會不會變”的過程中，通過三個“思考”的討論、感悟、小結(jié)、升華，深度認識平衡常數(shù)的概念，進一步完善平衡常數(shù)模型的建構(gòu)，學生逐步建立從定量、動態(tài)的角度認識化學平衡。

在應(yīng)用平衡常數(shù)環(huán)節(jié)，學生討論并完成遷移性真實情境的兩大任務(wù)，在解決情境任務(wù)的過程中，學生表現(xiàn)出了極大的積極性。學生在思考、運用所學知識選擇制氫反應(yīng)的過程中，能從多角度對選擇進行討論，給出了多角度的觀點和解決方案，較全面地運用了前面所構(gòu)建的平衡常數(shù)概念模型解決真實問題。同時，在考慮如何獲得更多氫氣的措施中，有不少學生能學以致用，能從Qc與K關(guān)系的角度、K與溫度的關(guān)系的角度去思考提高產(chǎn)率的辦法。在討論和交流的過程中，學生學會了從平衡常數(shù)這一定量的新角度來選擇反應(yīng)、判斷反應(yīng)和調(diào)控反應(yīng)，很好地完成了素養(yǎng)目標。

總的來說，本設(shè)計選擇了給氫燃料電池車選擇制氫反應(yīng)這一STSE真實情境作為遷移性化學學習情境素材，為平衡常數(shù)概念知識與“變化觀念與平衡思想”、“證據(jù)推理與模型認知”等核心素養(yǎng)之間搭建了有效的知識載體，使學生充分感受到平衡常數(shù)用于表征反應(yīng)限度、判斷平衡移動方向、預(yù)測平衡狀態(tài)的功能價值，體會到平衡常數(shù)用于選擇反應(yīng)和調(diào)控反應(yīng)的重要應(yīng)用價值。