模型認(rèn)知視角下的作圖題教學(xué)實(shí)踐

華利平

(浙江省寧波市鎮(zhèn)海中學(xué))

一、問題背景

化學(xué)圖像的繪制是以化學(xué)知識(shí)為依據(jù),用數(shù)學(xué)知識(shí)將化學(xué)中變化的物理量的關(guān)系直觀呈現(xiàn)出來,形式簡(jiǎn)潔、內(nèi)容豐富,因此高考試題中經(jīng)常通過圖像把化學(xué)問題抽象表示為數(shù)學(xué)問題來考查學(xué)生從圖像中獲取、評(píng)價(jià)、整合和應(yīng)用信息的綜合分析能力?；瘜W(xué)圖像題要求學(xué)生能夠根據(jù)數(shù)形結(jié)合的方法,對(duì)圖像進(jìn)行一定的分析,能夠從中找到隱含的信息,從而實(shí)現(xiàn)將圖像信息輸出為文字信息,然后再經(jīng)過加工整理,結(jié)合相關(guān)化學(xué)知識(shí),輸出為我們需要的圖像信息,即繪制圖像。這類圖像題的考查充分落實(shí)了“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

通過分析學(xué)生已有的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)化學(xué)平衡圖像題相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)困難主要有:理不清自變量和因變量的關(guān)系;無法與相關(guān)化學(xué)知識(shí)相結(jié)合;關(guān)鍵點(diǎn)分析不到位;定性與定量思路不清等。出現(xiàn)這些學(xué)習(xí)困難的主要原因是:①識(shí)圖能力欠缺,不會(huì)從已有的圖像中獲取相關(guān)信息;②析圖能力不足,知識(shí)缺乏系統(tǒng)性,因此不能通過獲取的信息,快速地用相關(guān)化學(xué)知識(shí)加以分析利用;③繪圖能力有待加強(qiáng),起點(diǎn)、拐點(diǎn)、終點(diǎn)、斜率、趨勢(shì)等的確定都需要學(xué)生嚴(yán)密的思維品質(zhì)。

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”要求學(xué)生通過認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系,建立模型、運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象、揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。因此,筆者在化學(xué)平衡類圖像的繪制教學(xué)中幫助學(xué)生構(gòu)建認(rèn)知模型,培養(yǎng)學(xué)生的高階整合思維,提高解決問題能力。

二、設(shè)計(jì)思路

本課例屬于高考二輪復(fù)習(xí),是在一輪復(fù)習(xí)基礎(chǔ)上的發(fā)展與提高。經(jīng)過一輪復(fù)習(xí),學(xué)生已熟練掌握了化學(xué)反應(yīng)原理的知識(shí)內(nèi)容,對(duì)化學(xué)核心概念和原理也有了清晰的理解,初步建立了比較完善的知識(shí)體系、能力體系和方法體系。在二輪復(fù)習(xí)過程中,發(fā)現(xiàn)學(xué)生化學(xué)反應(yīng)原理圖像繪制比較隨意,在圖文信息轉(zhuǎn)換方面有一些欠缺,考慮問題不夠全面,急需構(gòu)建一種“識(shí)圖、析圖、繪圖”逐層深入的全面的認(rèn)知模型,實(shí)現(xiàn)思維能力的全面提升。

通過對(duì)最近幾年高考試卷的分析,圖像繪制常分為四大類:定性作圖、定量作圖、多趨勢(shì)作圖和有參照曲線的作圖。課堂上通過問題串的形式,設(shè)置逐步遞進(jìn)的問題,引導(dǎo)學(xué)生用不同的策略解決問題。在構(gòu)建認(rèn)知模型、繪制圖像的過程中,使學(xué)生領(lǐng)略到每一個(gè)點(diǎn)的確定、線的趨勢(shì)、斜率等都是經(jīng)過深思熟慮,運(yùn)用化學(xué)知識(shí)逐步分析出來的。需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S過程和對(duì)問題的全面把握,才能繪制出一幅完美的圖像,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S模式。

三、基于模型構(gòu)建的教學(xué)

(一)定性作圖

【問題探究1】一定條件下,由CO2和H2制備甲醇的過程中會(huì)發(fā)生如下反應(yīng):

在一定條件下,H2和CO2在體積為VL的恒溫密閉容器中發(fā)生上述反應(yīng),甲醇的物質(zhì)的量和物質(zhì)的量濃度隨時(shí)間變化曲線分別如圖1和圖2所示。假定t時(shí)刻迅速使容器體積增大,一段時(shí)間后體系重新達(dá)到平衡。試在下列兩圖中畫出t時(shí)刻后的曲線變化圖。

圖1

圖2

【模型構(gòu)建】從分析過程可以獲得:條件變化后瞬間縱坐標(biāo)所表示物理量的變化確定起點(diǎn),平衡移動(dòng)方向確定趨勢(shì),對(duì)速率的影響確定斜率,點(diǎn)與線確定后,圖像自然就得出。建立認(rèn)知模型如表1:

表1

【解題思路】繪圖時(shí),首先要關(guān)注的是兩個(gè)圖像的縱坐標(biāo)不同,然后按照條件改變的瞬間、平衡的移動(dòng)方向和平衡后三個(gè)方面縱坐標(biāo)物理量的變化來確定點(diǎn)和線,理清做這種定性圖像的解題思路,建構(gòu)認(rèn)知模型如圖3、圖4,從而得出結(jié)論,解決問題。

圖3

圖4

(二)定量作圖

【問題探究2】一定條件下,由CO2和H2制備甲醇的過程中會(huì)發(fā)生如下反應(yīng):

在2 L恒容密閉容器中,實(shí)驗(yàn)測(cè)得,在500 K時(shí),充入3 mol H2和1.5 mol CO2,該反應(yīng)10 min時(shí)達(dá)到平衡。在此條件下,系統(tǒng)中CH3OH的濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖5所示,如果當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到3 min時(shí),迅速將體系溫度升至600 K,此時(shí)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為40%,請(qǐng)?jiān)趫D中畫出3～10 min內(nèi)容器中CH3OH濃度的后續(xù)變化曲線。

圖5

【模型應(yīng)用】按照上面建立的認(rèn)知模型我們可以分析出起點(diǎn)與線的趨勢(shì)和斜率,但是該題是定量作圖,還需要我們按照CO2的平衡轉(zhuǎn)化率(40%)計(jì)算出終點(diǎn)的縱坐標(biāo)(0.30 mol/L),考慮條件改變是升溫,即3分鐘后濃度改變較3分鐘前的斜率更大,結(jié)合這兩點(diǎn)即可畫出圖像如圖6。

圖6

無論是定性作圖還是定量作圖,上面涉及的圖像都是單趨勢(shì)的、單一變量,而有的圖像并不只有一個(gè)變量,這類問題該如何分析?建立怎樣的認(rèn)知模型?

(三)多趨勢(shì)作圖

【問題探究3】一定條件下,由CO2和H2制備甲醇的過程中會(huì)發(fā)生如下反應(yīng):

在恒容密閉容器中,充入一定量H2和CO2在催化劑A的作用下發(fā)生上述反應(yīng)。

(1)請(qǐng)?jiān)趫D7中畫出CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高的變化曲線;(2)若起始溫度為300℃,在不同溫度下反應(yīng)相同時(shí)間,403℃時(shí)恰好達(dá)到平衡(此時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率約為40%),請(qǐng)?jiān)趫D8中畫出相同時(shí)間內(nèi)從300℃到600℃時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率隨溫度升高的變化曲線(催化劑未失效)。

圖7

圖8

【模型構(gòu)建】拐點(diǎn)之前→沒有達(dá)到平衡→溫度升高,速率加快,轉(zhuǎn)化率高

拐點(diǎn)之后→反應(yīng)達(dá)到平衡→溫度升高,平衡移動(dòng),轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)熱相關(guān)

【解題思路】首先區(qū)分兩個(gè)物理量:平衡轉(zhuǎn)化率與相同時(shí)間的轉(zhuǎn)化率。平衡轉(zhuǎn)化率只需要分析該反應(yīng)放熱,升高溫度平衡逆向移動(dòng),CO2的平衡轉(zhuǎn)化率降低。而相同時(shí)間CO2的轉(zhuǎn)化率應(yīng)先確定拐點(diǎn),拐點(diǎn)之前由于反應(yīng)沒有達(dá)到平衡,溫度升高,反應(yīng)速率加快,相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化率增大;拐點(diǎn)之后反應(yīng)都達(dá)到平衡,即每一點(diǎn)都是平衡轉(zhuǎn)化率,也就是說兩幅圖中(403℃,40%)以后的點(diǎn)是相同的點(diǎn),都代表平衡轉(zhuǎn)化率。

圖9

圖10

(四)有參照曲線的作圖

【問題探究4】一定條件下,由CO2和H2制備甲醇的過程中會(huì)發(fā)生如下反應(yīng):

當(dāng)其他條件相同時(shí),請(qǐng)?jiān)趫D11中補(bǔ)充在沒有催化劑作用下CO2的轉(zhuǎn)化率變化曲線。(已知:催化劑未失效)

圖11

【模型應(yīng)用】首先根據(jù)題意讀懂已知圖像的含義。應(yīng)用模型,分析反應(yīng)是否達(dá)到平衡,結(jié)合催化劑可以加快反應(yīng)速率但不影響平衡移動(dòng)的課本結(jié)論,接下來重點(diǎn)分析沒有催化劑作用下,CO2的轉(zhuǎn)化率變化曲線與有催化劑的曲線有什么聯(lián)系,在上方還是下方?有沒有交點(diǎn)?有沒有重合?交點(diǎn)是否是最高點(diǎn)等問題。根據(jù)投影學(xué)生課堂繪出來的圖像,讓學(xué)生自己分析自己的繪圖思路,重點(diǎn)討論兩個(gè)問題:

(1)無催化劑的曲線經(jīng)不經(jīng)過(403℃,40%)這個(gè)拐點(diǎn)?

在相同溫度下,有催化劑時(shí)的反應(yīng)速率一定比無催化劑時(shí)的反應(yīng)速率快,因此無催化劑時(shí),403℃時(shí)的轉(zhuǎn)化率一定低于40%。

(2)無催化劑的曲線是否由有催化劑的曲線整體右移得到?

無論是有催化劑的曲線還是無催化劑的曲線,后半段下降都是因?yàn)榉磻?yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài),由于正反應(yīng)放熱,升高溫度平衡左移,CO2的轉(zhuǎn)化率下降,即后半段所有的點(diǎn)都是平衡轉(zhuǎn)化率,而同一個(gè)溫度下,只有一個(gè)平衡轉(zhuǎn)化率,與有無催化劑沒有關(guān)系,即后面的所有點(diǎn)應(yīng)該重合。至此即可將分析的文字信息轉(zhuǎn)化為圖像信息(如圖12)。

圖12

四、教學(xué)反思

高三復(fù)習(xí)教學(xué)應(yīng)該從新授課的如何“教”轉(zhuǎn)化為如何“學(xué)”,更應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,暴露學(xué)生解決問題過程中不當(dāng)?shù)牟呗院头椒?更有針對(duì)性地實(shí)施精準(zhǔn)復(fù)習(xí)。讓課堂中問題的預(yù)設(shè)與生成成為學(xué)習(xí)的引領(lǐng),讓學(xué)生在探究問題、解決問題的過程中,構(gòu)建認(rèn)知模型,形成技能,發(fā)展思維。二輪復(fù)習(xí)階段不是對(duì)學(xué)生已知知識(shí)點(diǎn)的簡(jiǎn)單羅列重復(fù),應(yīng)該基于學(xué)生高階思維發(fā)展的需要,讓學(xué)生通過領(lǐng)略知識(shí)內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)而更接近知識(shí)的本質(zhì),形成系統(tǒng)、有序、多層次的認(rèn)知結(jié)構(gòu)?；诮虒W(xué)要求,把課堂要解決的大問題分成幾個(gè)小問題,落實(shí)任務(wù)化清單,根據(jù)最近發(fā)展區(qū)理論分塊成幾個(gè)小任務(wù),逐一突破和解決。模型構(gòu)建過程中設(shè)計(jì)的問題需考慮梯度和廣度,讓每個(gè)同學(xué)都有思考的基礎(chǔ)和臺(tái)階,提升學(xué)生主動(dòng)參與課堂的積極性。