基于數形結合思想的高中化學平衡問題可視化教學探索

摘 要：化學平衡是高中化學課程的重要內容，學習難度較大，對此，教師可基于數形結合思想開展可視化教學，以此提高課堂教學效果。分析了高中化學平衡問題教學中存在的問題，如學生難以理解抽象概念、難以想象變化過程、解題思路不清晰等，并從借助圖形呈現(xiàn)化學平衡狀態(tài)、通過圖像分析化學平衡移動、結合數據表格深入理解知識、運用多媒體工具實現(xiàn)知識可視化幾方面探討了基于數形結合思想的高中化學平衡問題可視化教學策略，旨在為高中化學教學提供新的思路和方法。

關鍵詞：數形結合；高中化學；化學平衡；可視化教學

基金項目：本文系甘肅省教育科學“十四五”規(guī)劃2024年度一般課題“數形結合思想在高中化學平衡問題中的數學建模與可視化教學實踐研究”（課題立項號：GS［2024］GHBO171）的研究成果。

作者簡介：蕭艷霞（1984—），女，甘肅省蘭州市第十八中學。

化學平衡問題是高中化學課程中的重要內容，具有較強的抽象性和復雜性，涉及動態(tài)平衡、正逆反應速率相等以及各物質濃度保持不變等內容。對于這部分內容，學生往往難以在腦海中構建出清晰的認知圖像［1］。傳統(tǒng)的教學方法難以有效呈現(xiàn)化學平衡的動態(tài)變化過程，因此無法讓學生形成直觀的認識，這影響了學生學習效果的提升［2］。隨著教育理念的不斷更新和信息技術的飛速發(fā)展，可視化教學逐漸成為一種新的教學趨勢。數形結合思想是一種重要的思想方法，教師將其應用于高中化學平衡問題的可視化教學中，能有效提高教學效果。通過圖形、圖像、數據表格以及多媒體工具等，教師可以將抽象的化學平衡問題轉化為直觀、形象的內容，從而讓學生更好地理解化學平衡的概念、變化過程以及分析思路。本文主要探索基于數形結合思想的高中化學平衡問題可視化教學方法，旨在解決當前高中化學平衡問題教學中存在的問題，提高化學教學質量，有效培養(yǎng)學生的思維能力和創(chuàng)新精神。

一、高中化學平衡問題教學中存在的問題

（一）難以理解抽象概念

化學平衡的概念較為抽象，涵蓋了動態(tài)平衡、正逆反應速率相等以及各物質濃度保持不變等內容。在學習過程中，學生常常難以深入理解化學平衡的本質［3］。比如，在學習化學平衡的建立過程的知識時，學生可能只是生硬地記住了定義，沒有真正領會動態(tài)平衡的狀態(tài)。此外，化學平衡常數這一概念也較為復雜，學習起來有一定難度。部分學生在學習化學平衡常數知識時往往會感到困惑，難以快速準確地理解其內涵。這會導致他們在解決相關問題時出現(xiàn)錯誤。

（二）難以想象變化過程

化學平衡受溫度、壓強、濃度等多種因素影響，這些因素的改變會導致平衡出現(xiàn)變化。然而，學生很難想象這些變化的具體過程［4］。在學習化學平衡知識時，部分學生雖然能記住勒夏特列原理，但卻無法深入理解該原理的內涵，也無法直觀感知平衡移動過程中各物質濃度、反應速率等的變化情況。這種抽象的變化過程容易使學生在分析問題時陷入迷茫狀態(tài)，無法準確判斷平衡移動的方向和結果。

（三）解題思路不清晰

在解決化學平衡問題時，部分學生常常感到無從下手，解題思路不清晰［5］。一方面，化學平衡問題的題型豐富多樣，包括圖像分析、計算、平衡狀態(tài)判斷等，而每種題型都有其獨特的解題方法和技巧，學生難以全面掌握。例如，在圖像分析題中，學生需要準確理解圖像的內涵，分析曲線的變化趨勢，從而得出正確的結論；而在計算問題中，學生則需要熟練運用相關的計算公式進行復雜的數學運算。另一方面，學生在面對復雜的平衡問題情境時，不能有效地提取關鍵信息，并運用所學知識進行分析和推理。這會導致他們在解題過程中出現(xiàn)錯誤，無法快速、準確地解決問題。

二、數形結合思想在高中化學平衡問題可視化教學中的具體應用策略

（一）圖形繪平衡，組成清晰現(xiàn)狀態(tài)

教師將抽象的化學平衡體系以圖形的方式展示出來，可以讓學生直觀地了解各物質在平衡體系中的存在形式和相互關系，快速理解化學平衡狀態(tài)。學生通過圖形可以清晰地了解不同因素對化學平衡狀態(tài)的影響，深入理解化學平衡的本質。

例如，在教學“化學平衡”一課時，首先教師可通過展示日常生活中的平衡現(xiàn)象，如天平的平衡、生態(tài)系統(tǒng)的平衡等，引出化學平衡的概念，并向學生提出“化學平衡與這些平衡現(xiàn)象有哪些相似之處和不同之處？”等問題，以此引發(fā)學生的思考。然后，教師可繪制化學平衡體系的組成圖，并結合圖形介紹化學平衡的定義和特征，強調動態(tài)平衡、正逆反應速率相等、各物質濃度保持不變等要點。比如，教師可以合成氨反應為例，繪制化學平衡體系組成圖。在圖中，教師可用不同顏色的實心圓分別表示N?、H?和NH?分子，展示平衡狀態(tài)下各物質的分子數量，并標注反應容器的體積、溫度、壓強等數據。在繪制圖形的基礎上，教師可引導學生觀察圖形，分析在平衡狀態(tài)下正逆反應速率的關系、各物質濃度的變化趨勢以及影響平衡的因素。在練習環(huán)節(jié)，教師可以給出一些化學平衡反應體系，讓學生繪制相應的組成圖，并分析平衡狀態(tài)下各物質濃度與壓強、溫度的關系。最后，教師可總結通過繪制圖形分析化學平衡問題的方法和優(yōu)勢，強調數形結合思想在化學平衡問題可視化教學中的重要性，并鼓勵學生在今后的學習中積極運用圖形來分析化學平衡問題，以此提高學生解決化學平衡問題的能力。

（二）圖像析移動，方向明確知變化

圖像能夠將化學平衡的移動過程直觀地展示出來，幫助學生更好地理解平衡移動的方向和變化趨勢。學生通過分析圖像的特征，如曲線的斜率等，可以快速判斷平衡移動的方向和影響因素。圖像的視覺沖擊力較強，教師在化學平衡教學中引入圖像，能加深學生對相關知識的記憶，提高學生的學習效果。在高中化學平衡問題可視化教學中，教師可以先找出影響化學平衡移動的因素，如溫度、壓強、濃度等，然后根據影響因素與平衡移動的關系，繪制相應的圖像，如濃度—時間圖像、溫度—平衡常數圖像等。在此基礎上，教師可引導學生觀察圖像的特征，分析平衡移動的方向和原因。

例如，在講解化學平衡移動知識時，首先，教師要明確影響化學平衡移動的主要變量為溫度、壓強和濃度。然后，教師可以合成氨反應為例，告訴學生改變溫度、壓強或各物質濃度都可能使平衡發(fā)生變化。教師可以假設在一個密閉容器中進行合成氨反應，起始時加入一定量的N?和H?。隨著反應的進行，N?和H?的濃度會逐漸降低，NH?的濃度會逐漸升高。根據以上情況，教師可繪制反應體系中各物質濃度隨時間變化的圖像。通過圖像，學生可以直觀地看出反應物濃度的下降趨勢和生成物濃度的上升趨勢。對于合成氨反應來說，其正反應是放熱反應，教師可以在不同溫度下進行實驗，測定平衡常數K的值。在此基礎上，教師可以溫度為橫坐標、平衡常數K為縱坐標繪制圖像。根據圖像，學生可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，平衡常數K逐漸減小。對于濃度—時間圖像，教師要引導學生觀察圖像中N?和H?濃度下降的速率以及NH?濃度上升的速率，并讓學生思考，改變其中某種物質的濃度，平衡會向哪個方向移動。對于溫度—平衡常數圖像，教師要引導學生分析溫度和平衡常數K之間的關系，并讓學生結合所學知識，分析溫度變化對該化學平衡的影響。通過這樣的教學，教師可以讓學生更好地理解化學平衡移動的知識，學會運用圖像分析化學平衡的移動方向。

（三）表格助理解，數據明晰悟平衡

用表格整理化學平衡相關數據，能使復雜的數據關系變得清晰。教師借助表格可以直觀地分析不同條件下的化學平衡的情況，幫助學生更好地理解化學平衡的影響因素和變化規(guī)律。另外，學生借助表格能更好地計算和分析，快速掌握化學平衡計算的知識。

例如，在教學“化學平衡”一課時，教師可以先展示一個化學平衡的例子：在密閉容器中進行的合成氨反應。同時，教師可提出“在這個反應體系中，哪些因素會影響化學平衡？”等問題，以此引發(fā)學生思考，引出本課的主題——利用表格分析化學平衡。然后，教師可引導學生明確合成氨反應中的化學平衡數據：反應體系的溫度、壓強，各物質的起始濃度、變化濃度、平衡濃度，平衡常數等。在此基礎上，教師可在黑板上畫出表格，表頭內容如下：反應條件（溫度、壓強）、起始濃度（N?、H?、NH?）、變化濃度（N?、H?、NH?）、平衡濃度（N?、H?、NH?）、平衡常數K。接著，教師可給出如下數據：在溫度為T?、壓強為P?的條件下，N?的起始濃度為a，H?的起始濃度為b，經過一段時間后反應達到平衡，此時N?的濃度變?yōu)閏。教師可以引導學生根據化學計量關系計算出H?和NH?的起始濃度、變化濃度和平衡濃度以及平衡常數K，并將數據填入表中。之后，教師可以引導學生觀察表格中的數據，分析溫度、壓強等因素對各物質濃度和平衡常數的影響，以此讓學生理解化學平衡與溫度、壓強等因素的關系。同時，教師可給出不同的合成氨反應體系的數據，讓學生自己設計表格，并分析、填寫數據，以此讓學生更好地理解化學平衡的知識。最后，教師可總結表格分析法在化學平衡問題可視化教學中的重要性，鼓勵學生在今后的學習中合理運用表格整理數據，以此提高學生分析問題和解決問題的能力。

（四）多媒體工具促可視，動畫虛擬展過程

多媒體工具可以將化學平衡的抽象過程生動地展示出來，讓學生直觀地理解化學平衡建立及變化的過程。教師在化學平衡教學中合理運用多媒體工具，能夠激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的學習積極性和主動性，降低化學平衡知識的學習難度，有效地幫助學生突破難點，加深學生對知識的理解。

例如，在教學“化學平衡”一課時，首先，教師可以播放一段在生活中應用化學平衡知識的視頻，如合成氨工業(yè)生產視頻等，以此激發(fā)學生的學習興趣，并引出化學平衡的概念。然后，教師可提問學生：“大家在視頻中看到了哪些與化學平衡有關的現(xiàn)象？”這一問題能引導學生思考化學平衡的重要性。在介紹化學平衡的建立過程時，教師可以使用相關動畫軟件展示可逆反應中反應物和生成物濃度的變化情況，讓學生直觀地看到化學平衡建立的過程。在講解化學平衡的移動時，教師可通過虛擬實驗平臺展示改變溫度、壓強、物質濃度等條件對化學平衡的影響。教師要引導學生認真觀看動畫和虛擬實驗，深入分析化學平衡移動的原因和規(guī)律，并展示一些化學平衡問題，讓學生結合多媒體設備展示的內容進行分析和解答。比如，教師可給出一個化學反應方程式和相應的條件，讓學生判斷化學平衡移動的方向，并在虛擬實驗平臺上進行驗證。最后，教師可以總結多媒體工具在化學平衡問題可視化教學中的作用，鼓勵學生在課后利用多媒體資源鞏固所學知識。

結語

總而言之，教師基于數形結合思想開展化學平衡問題可視化教學，能有效提高學生的學習效果，培養(yǎng)學生的化學素養(yǎng)。在教學過程中，教師通過圖形、圖像、數據表格和多媒體工具等多種可視化手段，使抽象的化學平衡問題變得形象直觀，能激發(fā)學生的學習興趣和積極性，加深學生對所學知識的理解。未來，廣大化學教師可以進一步研究化學可視化教學方法，結合先進的信息技術，不斷創(chuàng)新教學手段，為高中化學教學質量的提升做貢獻。

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