模型认知视角下的作图题教学实践

华利平

(浙江省宁波市镇海中学)

一、问题背景

化学图像的绘制是以化学知识为依据,用数学知识将化学中变化的物理量的关系直观呈现出来,形式简洁、内容丰富,因此高考试题中经常通过图像把化学问题抽象表示为数学问题来考查学生从图像中获取、评价、整合和应用信息的综合分析能力。化学图像题要求学生能够根据数形结合的方法,对图像进行一定的分析,能够从中找到隐含的信息,从而实现将图像信息输出为文字信息,然后再经过加工整理,结合相关化学知识,输出为我们需要的图像信息,即绘制图像。这类图像题的考查充分落实了“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

通过分析学生已有的学习现状,发现学生对化学平衡图像题相关知识的学习困难主要有:理不清自变量和因变量的关系;无法与相关化学知识相结合;关键点分析不到位;定性与定量思路不清等。出现这些学习困难的主要原因是:①识图能力欠缺,不会从已有的图像中获取相关信息;②析图能力不足,知识缺乏系统性,因此不能通过获取的信息,快速地用相关化学知识加以分析利用;③绘图能力有待加强,起点、拐点、终点、斜率、趋势等的确定都需要学生严密的思维品质。

化学学科核心素养“证据推理与模型认知”要求学生通过认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系,建立模型、运用模型解释化学现象、揭示现象的本质和规律。因此,笔者在化学平衡类图像的绘制教学中帮助学生构建认知模型,培养学生的高阶整合思维,提高解决问题能力。

二、设计思路

本课例属于高考二轮复习,是在一轮复习基础上的发展与提高。经过一轮复习,学生已熟练掌握了化学反应原理的知识内容,对化学核心概念和原理也有了清晰的理解,初步建立了比较完善的知识体系、能力体系和方法体系。在二轮复习过程中,发现学生化学反应原理图像绘制比较随意,在图文信息转换方面有一些欠缺,考虑问题不够全面,急需构建一种“识图、析图、绘图”逐层深入的全面的认知模型,实现思维能力的全面提升。

通过对最近几年高考试卷的分析,图像绘制常分为四大类:定性作图、定量作图、多趋势作图和有参照曲线的作图。课堂上通过问题串的形式,设置逐步递进的问题,引导学生用不同的策略解决问题。在构建认知模型、绘制图像的过程中,使学生领略到每一个点的确定、线的趋势、斜率等都是经过深思熟虑,运用化学知识逐步分析出来的。需要严谨的思维过程和对问题的全面把握,才能绘制出一幅完美的图像,培养学生严谨的思维模式。

三、基于模型构建的教学

(一)定性作图

【问题探究1】一定条件下,由CO2和H2制备甲醇的过程中会发生如下反应:

在一定条件下,H2和CO2在体积为VL的恒温密闭容器中发生上述反应,甲醇的物质的量和物质的量浓度随时间变化曲线分别如图1和图2所示。假定t时刻迅速使容器体积增大,一段时间后体系重新达到平衡。试在下列两图中画出t时刻后的曲线变化图。

图1

图2

【模型构建】从分析过程可以获得:条件变化后瞬间纵坐标所表示物理量的变化确定起点,平衡移动方向确定趋势,对速率的影响确定斜率,点与线确定后,图像自然就得出。建立认知模型如表1:

表1

【解题思路】绘图时,首先要关注的是两个图像的纵坐标不同,然后按照条件改变的瞬间、平衡的移动方向和平衡后三个方面纵坐标物理量的变化来确定点和线,理清做这种定性图像的解题思路,建构认知模型如图3、图4,从而得出结论,解决问题。

图3

图4

(二)定量作图

【问题探究2】一定条件下,由CO2和H2制备甲醇的过程中会发生如下反应:

在2 L恒容密闭容器中,实验测得,在500 K时,充入3 mol H2和1.5 mol CO2,该反应10 min时达到平衡。在此条件下,系统中CH3OH的浓度随反应时间的变化趋势如图5所示,如果当反应时间达到3 min时,迅速将体系温度升至600 K,此时CO2的平衡转化率为40%,请在图中画出3～10 min内容器中CH3OH浓度的后续变化曲线。

图5

【模型应用】按照上面建立的认知模型我们可以分析出起点与线的趋势和斜率,但是该题是定量作图,还需要我们按照CO2的平衡转化率(40%)计算出终点的纵坐标(0.30 mol/L),考虑条件改变是升温,即3分钟后浓度改变较3分钟前的斜率更大,结合这两点即可画出图像如图6。

图6

无论是定性作图还是定量作图,上面涉及的图像都是单趋势的、单一变量,而有的图像并不只有一个变量,这类问题该如何分析?建立怎样的认知模型?

(三)多趋势作图

【问题探究3】一定条件下,由CO2和H2制备甲醇的过程中会发生如下反应:

在恒容密闭容器中,充入一定量H2和CO2在催化剂A的作用下发生上述反应。

(1)请在图7中画出CO2平衡转化率随着温度的升高的变化曲线;(2)若起始温度为300℃,在不同温度下反应相同时间,403℃时恰好达到平衡(此时CO2的转化率约为40%),请在图8中画出相同时间内从300℃到600℃时CO2转化率随温度升高的变化曲线(催化剂未失效)。

图7

图8

【模型构建】拐点之前→没有达到平衡→温度升高,速率加快,转化率高

拐点之后→反应达到平衡→温度升高,平衡移动,转化率与反应热相关

【解题思路】首先区分两个物理量:平衡转化率与相同时间的转化率。平衡转化率只需要分析该反应放热,升高温度平衡逆向移动,CO2的平衡转化率降低。而相同时间CO2的转化率应先确定拐点,拐点之前由于反应没有达到平衡,温度升高,反应速率加快,相同时间内转化率增大;拐点之后反应都达到平衡,即每一点都是平衡转化率,也就是说两幅图中(403℃,40%)以后的点是相同的点,都代表平衡转化率。

图9

图10

(四)有参照曲线的作图

【问题探究4】一定条件下,由CO2和H2制备甲醇的过程中会发生如下反应:

当其他条件相同时,请在图11中补充在没有催化剂作用下CO2的转化率变化曲线。(已知:催化剂未失效)

图11

【模型应用】首先根据题意读懂已知图像的含义。应用模型,分析反应是否达到平衡,结合催化剂可以加快反应速率但不影响平衡移动的课本结论,接下来重点分析没有催化剂作用下,CO2的转化率变化曲线与有催化剂的曲线有什么联系,在上方还是下方?有没有交点?有没有重合?交点是否是最高点等问题。根据投影学生课堂绘出来的图像,让学生自己分析自己的绘图思路,重点讨论两个问题:

(1)无催化剂的曲线经不经过(403℃,40%)这个拐点?

在相同温度下,有催化剂时的反应速率一定比无催化剂时的反应速率快,因此无催化剂时,403℃时的转化率一定低于40%。

(2)无催化剂的曲线是否由有催化剂的曲线整体右移得到?

无论是有催化剂的曲线还是无催化剂的曲线,后半段下降都是因为反应已经达到平衡状态,由于正反应放热,升高温度平衡左移,CO2的转化率下降,即后半段所有的点都是平衡转化率,而同一个温度下,只有一个平衡转化率,与有无催化剂没有关系,即后面的所有点应该重合。至此即可将分析的文字信息转化为图像信息(如图12)。

图12

四、教学反思

高三复习教学应该从新授课的如何“教”转化为如何“学”,更应该关注学生的学习需求,暴露学生解决问题过程中不当的策略和方法,更有针对性地实施精准复习。让课堂中问题的预设与生成成为学习的引领,让学生在探究问题、解决问题的过程中,构建认知模型,形成技能,发展思维。二轮复习阶段不是对学生已知知识点的简单罗列重复,应该基于学生高阶思维发展的需要,让学生通过领略知识内在逻辑关联而更接近知识的本质,形成系统、有序、多层次的认知结构。基于教学要求,把课堂要解决的大问题分成几个小问题,落实任务化清单,根据最近发展区理论分块成几个小任务,逐一突破和解决。模型构建过程中设计的问题需考虑梯度和广度,让每个同学都有思考的基础和台阶,提升学生主动参与课堂的积极性。