眭蘇奇 劉立雄 錢揚義 程俊

摘要：運用手持技術(shù)定量測定不同濃度K2Cr2O7溶液達到化學(xué)平衡（Cr2O2-7+H2O2CrO2-4+2H+）時溶液的pH，計算該反應(yīng)的平衡常數(shù)，同時又測量同一濃度K2Cr2O7溶液在不同溫度下達到平衡時溶液的pH變化關(guān)系，得出化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，與濃度等其他物理量無關(guān)的結(jié)論。揭示現(xiàn)行教材存在的一些局限與不足，突破化學(xué)平衡常數(shù)教學(xué)上某些誤區(qū)和疑點，讓學(xué)生從源頭上理解化學(xué)平衡常數(shù)的含義和本質(zhì)，充分發(fā)揮其教學(xué)功能和價值。通過實驗探究，培養(yǎng)學(xué)生收集、分析、處理數(shù)據(jù)的能力，促進自身學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：溶液反應(yīng); 化學(xué)平衡常數(shù)測定; pH傳感器; 實驗探究

文章編號：1005-6629（2020）09-0063-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1?研究背景分析

1.1?化學(xué)平衡常數(shù)在平衡原理教學(xué)中的地位、功能與價值

“化學(xué)平衡常數(shù)”（以下也可用K表示）是化學(xué)平衡理論體系的核心之一，是學(xué)習(xí)電離平衡、水解平衡等的必備基礎(chǔ)知識，對深入理解其他平衡具有重要的理論指導(dǎo)意義[1]。特別是通過這個章節(jié)的學(xué)習(xí)，既是對之前所學(xué)勒夏特列原理的延伸和補充，也是對之后要學(xué)的電離平衡常數(shù)、水解平衡常數(shù)和溶度積常數(shù)的一種示范和鋪墊，可以繼續(xù)發(fā)揮化學(xué)平衡常數(shù)的功能與價值。

通過深入學(xué)習(xí)化學(xué)平衡常數(shù)，首先可以增進學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)的限度的理解，其次可以增進學(xué)生對平衡移動規(guī)律的理解，還可以為學(xué)生提供分析其他平衡移動問題的新的思路和方法。因此，學(xué)生通過借助化學(xué)平衡常數(shù)認識到“不同條件下化學(xué)平衡狀態(tài)、移動和限度是不同的”，在改變一個或多個外因情況下，可以利用化學(xué)平衡常數(shù)進行定量表征和比較，對化學(xué)平衡的認識由定性水平上升到定量水平，還可以讓學(xué)生關(guān)注到體系和環(huán)境中多個要素之間的關(guān)系，對化學(xué)平衡狀態(tài)、移動和限度的認識由孤立（單一因素作用）認識發(fā)展到系統(tǒng)（多因素共同作用）認識，為學(xué)生找到了進行理性分析的思維“支架”，對于突破學(xué)生認識障礙點、發(fā)展學(xué)生對化學(xué)平衡狀態(tài)、移動和限度的認識，實現(xiàn)認識方式的轉(zhuǎn)變具有重要意義。

1.2?化學(xué)平衡常數(shù)在現(xiàn)行教材呈現(xiàn)形式上存在的一些局限與不足

現(xiàn)行幾套教材對化學(xué)平衡常數(shù)這一重要概念的呈現(xiàn)可能在實證研究方面存在一些局限與不足。這幾套教材在這個重要概念的呈現(xiàn)上沒有設(shè)計相應(yīng)的定量實驗，這可能是由于傳統(tǒng)實驗儀器和手段還無法開展此類精度要求較高的定量實驗或是利用傳統(tǒng)實驗儀器和手段設(shè)計的實驗較為復(fù)雜、操作難度較大，不利于中學(xué)階段開展，因此基本上都是以給出實驗數(shù)據(jù)的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，本身說服力就不夠，而且有些版本的教材將運算的結(jié)果也直接呈現(xiàn)給學(xué)生，這樣不僅會減弱學(xué)生探究的熱情和興趣，而且會增大學(xué)生對這個問題的理解難度。試想有了不勞而獲的數(shù)據(jù)和結(jié)論，還有誰會再花大力氣去認真鉆研呢？對于這個較為抽象的概念，由于缺乏實證素材，只能直接“空降”硬塞給學(xué)生，可能學(xué)生在教師反復(fù)提醒下“記住”了這個結(jié)論（而不是真正理解），帶著這樣的疑惑在之后電離平衡常數(shù)、水解平衡常數(shù)和溶度積常數(shù)的學(xué)習(xí)中遇到較復(fù)雜的化學(xué)平衡問題，稍不留神就可能會出現(xiàn)這樣或那樣的錯誤了。

1.3?化學(xué)平衡常數(shù)在常規(guī)教法過程中存在的誤區(qū)與疑點

教師在教學(xué)過程中由于教材的局限和實證素材的缺乏，很多一線教師的常規(guī)教法是直接把定義和結(jié)論告訴學(xué)生，教學(xué)重點也僅僅鎖定在表達和計算上，雖然看似簡單高效學(xué)生學(xué)起來感覺并不難，但卻普遍存在較大的疑惑。主要是集中在改變某種單一組分的濃度或是等倍數(shù)改變所有組分濃度（即改變壓強）不影響K值，學(xué)生在理解上有障礙，例如通常有一部分學(xué)生會錯誤認為增大反應(yīng)物的濃度，反應(yīng)正向移動，消耗了反應(yīng)物使得反應(yīng)物濃度減少，同時產(chǎn)生了生成物使得生成物濃度增加，K值應(yīng)該增大。很明顯，這部分學(xué)生并沒有真正理解勒夏特列原理，尤其是對原理中“減弱”二字理解并不到位;還有一部分學(xué)生雖然能理解“減弱”二字的含義，但對于反應(yīng)物、生成物濃度都增加時，K值保持不變還是會心存疑惑。所以若把化學(xué)平衡常數(shù)與平衡移動規(guī)律內(nèi)在聯(lián)系割裂開來，反而會讓學(xué)生產(chǎn)生認識誤區(qū)與疑點。因此筆者認為化學(xué)平衡常數(shù)的教學(xué)重點，是通過定量實驗測定化學(xué)平衡常數(shù)，讓學(xué)生從源頭上理解化學(xué)平衡常數(shù)的含義和本質(zhì)，這樣才能在教學(xué)中充分發(fā)揮化學(xué)平衡常數(shù)的功能和價值。

從圖2和表3可以看出，隨著溶液溫度升高，溶液pH降低，K值越來越大，反應(yīng)向正方向移動，還可以根據(jù)圖像和數(shù)據(jù)預(yù)測正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，因為此反應(yīng)可看成Cr2O2-7的水解，水解為吸熱反應(yīng)，這也為下階段水解學(xué)習(xí)積累實證素材。合理選擇教學(xué)媒體（手持技術(shù)），同步呈現(xiàn)真實實驗，表征可逆反應(yīng)的微觀過程，可以實時顯示出微粒（H+）濃度的改變隨時間或其他變量改變的曲線圖，呈現(xiàn)化學(xué)平衡的動態(tài)特征。同時幫助學(xué)生澄清模糊概念，建立科學(xué)的動態(tài)平衡觀，能有效幫助學(xué)生理解化學(xué)平衡常數(shù)，強化學(xué)生對化學(xué)平衡常數(shù)與各種關(guān)系的連結(jié)能力[3]，例如“Cr2O2-7+H2O2CrO2-4+2H+”平衡各種曲線圖，可以鍛煉學(xué)生理清和處理各種微粒數(shù)量關(guān)系的能力。以往化學(xué)平衡的曲線圖多數(shù)只出現(xiàn)在考試題中，學(xué)生普遍都會感到陌生和突兀，難度大，而運用手持技術(shù)后這些曲線變得真實而熟悉，“搭臺階降難度”，在自己動手操作和處理實驗數(shù)據(jù)時，可以進一步加深對化學(xué)平衡中各種微觀粒子的代數(shù)關(guān)系和化學(xué)平衡常數(shù)本質(zhì)的理解，既提升學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認識”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”等學(xué)科素養(yǎng)，又提高學(xué)生的應(yīng)試解題能力，一舉多得。

3?研究展望

從現(xiàn)行教材中化學(xué)實驗來看，主要以演示、驗證、定性實驗為主，可能難以培養(yǎng)學(xué)生自主地、定量地搜集和處理信息的能力以及進行研究性學(xué)習(xí)的能力;使用的實驗儀器、裝置等甚至是上百年沒有變動，雖然經(jīng)典可靠穩(wěn)定性強，但也存在精確度差、缺乏自動采集、處理大量數(shù)據(jù)的功能以及很難與多媒體計算機連接等不足，與當(dāng)今科技高速發(fā)展的數(shù)字化信息時代有些不相符。

手持技術(shù)的出現(xiàn)極大程度地改變了這種實驗現(xiàn)狀，這種由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、終端設(shè)備及配套的軟件并能與計算機連接的實驗技術(shù)，具有自動記錄數(shù)據(jù)、實時的圖線繪制等功能，能讓學(xué)生從數(shù)據(jù)讀取、記錄和圖像繪制的繁雜枯燥的勞動中解脫出來，讓學(xué)生可以迅速建立實驗現(xiàn)象與圖像的聯(lián)系，更好地提升學(xué)生對數(shù)據(jù)、圖像中呈現(xiàn)信息的獲取、解釋和預(yù)測能力，有助于學(xué)生通過對圖像變化趨勢的觀察與理解及時實驗條件做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或建立新的實驗假設(shè)，并在每一次修訂實驗方案或控制探究變量的過程中不斷思考自己的預(yù)測與實驗事實不吻合的具體原因，從而引導(dǎo)他們更深層次的學(xué)習(xí)[4]。

將手持技術(shù)引入中學(xué)化學(xué)實證探究教學(xué)中不僅可以增加化學(xué)實驗的科學(xué)技術(shù)含量和時代氣息，還可以提高學(xué)生對科學(xué)實驗的興趣，讓學(xué)生從中學(xué)到其他方面的知識和技術(shù)，更加有利于開闊學(xué)生的視野，提高他們從事創(chuàng)新活動和探索的信心。因此將化學(xué)實證探究教學(xué)與手持技術(shù)結(jié)合起來是合理、有效的。

參考文獻：

[1]李振雯， 秦浩正. 氯氣與水反應(yīng)實驗的設(shè)計及相關(guān)教學(xué)探討[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （4）：69.

[2]宋心琦， 何少華主編. 普通高中課程標準實驗教科書教師教學(xué)用書·化學(xué)反應(yīng)原理（第3版）[M]. 北京：人民教育出版社， 2007：46.

[3]葉靜怡. “化學(xué)平衡”迷思概念的轉(zhuǎn)變教學(xué)研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2010， （6）：31.

[4]錢揚義， 鄧峰. 數(shù)字化化學(xué)探究實驗室的建設(shè)與學(xué)生探究能力的培養(yǎng)[J]. 中國電化教育， 2006， （11）：50.