基于真实问题解决培养变化观念与平衡思想的教学研究

摘要 以化工生产实际为例，通过真实问题解决进行复习课设计有助于学生进行知识建构。以“工业合成氨”为例开展化学平衡专题复习，从定性、定量角度认识化学反应方向与限度，分析化学反应速率的影响因素，合理解释化工生产真实问题，师生共同绘制化学平衡主题的认知结构图。在问题解决中建构知识、提升能力。

关键词 专题复习 真实问题解决 问题驱动 化学平衡主题 工业合成氨

一、问题提出

专题复习是高考复习的重要课堂教学组织形式。新课程标准颁布以来，专题复习课满堂灌的现象已经有所转变。但是，复习课仍然存在主要问题如下：（1）浅层知识梳理回顾。教师在进行专题复习时，常常是进行知识点梳理。虽然有简单提问，大多数仅限于知识记忆层面。（2）刷题现象普遍。在当前高考背景下，刷题仍然是考试复习的主要形式，学生每天疲于应付试卷，机械做题，缺少必要的思考。这些问题导致学生对专题知识的认知是碎片化的，不能形成有机整体，更无助于核心素养培育。

如何帮助学生在头脑中建立起系统化的知识结构呢？如何在课堂教学中促进问题解决能力的提升呢？本文以“工业合成氨”为例，开展化学平衡专题复习探讨，基于驱动任务设计，发展模型认知素养，培育学生变化观念与平衡思想。

二、化学平衡主题分析

化学反应是化学学科的重要研究对象之一，化学变化是化学改变、创造世界的主要手段，是解决环境、能源、材料、食品等社会问题的重要途径，是“变化观念与平衡思想”素养培育的主要载体。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中关于化学平衡主题的“内容要求”包括：化学反应的方向与限度、化学反应速率、化学反应的调控等。[1]30-31课标中“学业要求”包括：能从定量角度、定性角度认识化学反应方向与限度，能分析外界条件对化学反应速率的影响，能从限度、速率角度分析化学解释实际问题，并进行生产条件的选择和优化。

三、教学目标设计

1.通过吉布斯自由能计算、化学平衡常数公式分析，初步形成从定量角度认识化学反应方向与限度能力。

2.通过反应物转化率提高的分析，初步形成定性角度认识化学反应限度的能力。

3.通过生产生活实例，初步学会分析化学反应速率影响因素，感受时间成本、资金周转等在实际生产中的重要意义。

4.通过从限度、速率角度分析合成氨实例，初步学会调控化学反应的方法，感悟化学知识的应用价值。

四、教学流程设计

（一）情境创设，引发思考

工业合成氨技术是人类科技的重要进步，目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖。其反应原理如下：N2（g）+3H2（g）一---（---一）2NH3（g），ΔH=-92.4 kJ/mol，ΔS=-200J/K·mol。

问题引出：工业合成氨技术为什么具有如此大的魅力？

【设计意图】真实情境是化学教学顺利开展的基础。[2]通过合成氨技术的介绍，引出本节课的课题——化学平衡。

（二）从定性、定量角度认识化学反应方向与限度

1.认识化学反应方向

驱动问题1：根据合成氨的热化学方程式，常温下该反应能否自发进行？

[生]ΔG=ΔH-TΔS=-92.4 kJ/mol-298K×（-200J/K·mol）×10-3=-32.8kJ<0，所以该反应能自发进行。

【设计意图】自由能是化学反应的驱动力，问题1的目的是考查基于吉布斯自由能公式的计算能力，定量判断合成氨过程中的能量变化及能否自发进行。

2.认识化学反应限度

驱动问题2：氢气的生产成本较高，为了节约成本，需要提高其转化率。升温、加压能提高氢气的转化率吗？

[生1]该反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氢气的转化率降低。

[生2]该反应中反应物的系数之和大于生成物的系数之和，所以增加压强，平衡向正反应方向移动，氢气的转化率升高。

驱动问题3：在反应过程中，需要不断地分离出氨，目的是什么？

[生3]分离出氨的目的是降低生成物浓度，使平衡向正反应方向移动，这有利于氨的生成。

【设计意图】通过解决节约成本、提高转化率等真实问题，考查学生定性认识化学反应限度的影响因素，如温度、压强和参与反应的物质的浓度等。

[师]请写出该反应的化学平衡常数表达式。

[生]平衡常数表达式为：

驱动问题4：结合平衡常数表达式，如何解释问题3？

[生]平衡常数与氨的浓度的平方成反比。分离出氨后，氨的浓度减小，浓度商大于平衡常数，平衡向正反应方向移动。

【设计意图】通过数学函数分析参与反应的各物质浓度与平衡常数的关系，考查学生定量认识化学反应限度的能力。

（三）分析化学反应速率的影响因素

[师]结合日常生活及化学知识学习，思考下列问题：食物为什么放置在冰箱中？铁丝为什么在纯氧中比空气中燃烧得更剧烈？加了MnO2的H2O2为什么产生气泡的速度更快？

[生]食物放置在冰箱里，是因为低温下食物变质较慢；纯氧中氧气浓度大于空气中氧气浓度，所以铁丝燃烧更剧烈；MnO2是H2O2分解的催化剂，加快了分解速率。

驱动问题5：结合以上实例，哪些因素会影响化学反应速率？

[生]温度、反应物浓度、催化剂会影响化学反应速率。

[师]在有气体参与的反应体系中，增加反应物浓度的方式有两种，一种是在反应体系中加入反应物，另一种是缩小反应体系的容积。缩小容积，就意味着体系的压强增大，因此压强对有气体参与的化学反应的速率有影响。

[师]在合成氨反应中，为了节约时间成本，加快资金的周转速度，需要提高生产效率，也就是提高化学反应速率。

驱动问题6：如何提高合成氨反应速率？

[生]升高温度、增加压强、增加反应物浓度、使用催化剂。

【设计意图】通过生活实例或已学化学知识，启发学生思考影响化学反应速率的因素，以此引出合成氨反应中提高化学反应速率的途径。

（四）从转化率（限度）、速率相结合角度解释真实问题

我国化工厂合成氨反应条件一般为：400～500℃，20～50MPa，以铁触媒做催化剂。

1.从转化率角度认识化学反应

驱动问题7：在化工生产中，为了节约原材料成本，需要提高反应物的转化率。从提高转化率角度分析，合成氨的条件应该如何选择？

[生1]合成氨反应为放热反应，所以降低反应温度能提高转化率。

[生2]反应物的气体系数之和大于生成物的气体系数之和，所以增大压强能提高转化率。

[生3]及时分离氨能提高转化率。

追问：在实际生产中，以上提高转化率的措施有哪些弊端？

[生4]降低温度，反应速率下降；压强太大，对设备的材料要求较高。

【设计意图】通过化学反应条件调控化学反应，考查学生从转化率角度调控化学反应的能力，以及结合生产实际进行分析、评价能力。

2.从速率角度认识化学反应

驱动问题8：为了节约时间成本，提高生产效率，合成氨条件应如何选择？

[生1]升高温度、增加压强、增加反应物浓度、使用催化剂。

追问1：在实际生产中，以上提高速率的措施有哪些弊端？

[生2]升高温度，平衡逆向移动，反应物的转化率降低；增大压强，对制造设备的材料要求较高。

追问2：使用催化剂有不良影响吗？

[生3]使用催化剂能提高反应速率，且对其他因素无不良影响。

【设计意图】通过化学反应条件调控化学反应，考查学生从速率角度调控化学反应能力，以及结合生产实际进行分析、评价能力，感悟时间在现实生产中的重要意义。

3.合理解释化工生产真实问题

驱动问题9：为什么工业合成氨条件选择400～500℃，20～50MPa，并以铁触媒做催化剂？请从反应物转化率和速率相结合角度分析。

[生1]增加压强有利于转化率和速率的提高，但是压强不宜过大，因为过大压强对设备材料要求较高。

[生2]降低温度，有助于转化率提升；而升高温度，有利于速率提高。转化率和速率的提升在温度方面出现矛盾。

[生3]铁触媒催化剂是一种复合催化剂，有利于提升反应速率。

[师]在实际生产中，要兼顾转化率和速率两方面。工业合成氨条件是温度、压强和催化剂综合调控的结果。

【设计意图】结合所学知识，通过分析工业合成氨的条件，解释温度、压强、催化剂选择的合理性，培养学生基于所学知识的解释说明能力，感受化学知识的应用价值。

（五）化学平衡主题复习认知结构图

师生共同绘制化学平衡主题的认知结构图，如图1所示。

【设计意图】通过绘制化学平衡主题认知结构图，形成化学平衡主题的结构化认知，培养学生结构化表达化学知识能力。

本研究以生产实际为例，让专题知识复习课从知识点回顾、机械刷题模式，走向通过逐层递进的驱动问题引领学生思维发展、能力提升的教学模式。通过解决真实问题进行化学主题复习，既能激发学生的学习兴趣，又有助于学生进行知识建构，同时提升学生的思维能力。基于任务问题链[3]，将化学知识用于解决、评价、解释真实问题，提升了学生的知识运用能力，促进了化学学科素养发展。

[参考文献]

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]薛巧.“素养为本”的高三化学复习教学例析：以“化学平衡”复习课为例[J].广西教育，2022（32）：58-61.

[3]王剑婕.基于真实情境的“化学反应速率和化学平衡”单元复习教学策略[J].上海课程教学研究，2022（11）：25-30+47.

（责任编辑：姜显光）