鄭國雄 張賢金

摘要：基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的視角，探討化學(xué)核心概念的教與學(xué)是當(dāng)前研究的一個新視角?；瘜W(xué)平衡是中學(xué)化學(xué)中的核心概念，對“化學(xué)平衡”的學(xué)習(xí)進(jìn)階分析，深入地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難和障礙點，整體規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑并設(shè)置了合適的“階”即“腳踏點”，通過認(rèn)知路徑顯性化、增強(qiáng)概念本原性理解、認(rèn)知思路結(jié)構(gòu)化等，引導(dǎo)學(xué)生達(dá)到中間成就水平，掃除進(jìn)階中的障礙點，實現(xiàn)“從知識、到思維、到觀念、到素養(yǎng)”的進(jìn)階。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；學(xué)習(xí)進(jìn)階；化學(xué)平衡

文章編號：1008-0546（2021）10-0068-04中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.10.016

*本文系福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度教改專項立項課題“基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中化學(xué)主題教學(xué)設(shè)計與實踐研究”（課題編號：Fjjgzx20-039）階段性成果。

化學(xué)核心概念如何教與學(xué)是化學(xué)教育研究領(lǐng)域的一個重要話題?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階理論的視角，探討化學(xué)核心概念的教與學(xué)是當(dāng)前研究的一個新視角。學(xué)習(xí)進(jìn)階理論關(guān)注學(xué)生的思維發(fā)展的連續(xù)性與階段性，提出學(xué)習(xí)的不同階段的認(rèn)識對象和認(rèn)識視角[1]。圍繞核心概念教學(xué)，教師首先任務(wù)是拆解概念，規(guī)劃學(xué)習(xí)的中間水平，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的階段起點與落腳點[2-3]，即“階”，對進(jìn)階維度——學(xué)生所需掌握的核心概念進(jìn)行刻畫和具體描述，再評估學(xué)生思維發(fā)展過程中的關(guān)聯(lián)性、層次性及認(rèn)知障礙，關(guān)注潛在特質(zhì)變化及進(jìn)步表現(xiàn)，反饋學(xué)生是否達(dá)到預(yù)期水平并給予相應(yīng)支持幫助，將任務(wù)和證據(jù)與之匹配，激勵學(xué)生在更大程度的自主學(xué)習(xí)中收獲成就感，更進(jìn)一步持續(xù)學(xué)習(xí)，以達(dá)成能力、素養(yǎng)目標(biāo)。本文以“化學(xué)平衡”概念的教學(xué)為例，探討基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的化學(xué)核心概念教學(xué)實踐路徑。

一、“化學(xué)平衡”的學(xué)習(xí)進(jìn)階分析

“平衡”概念抽象、復(fù)雜，是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點。筆者圍繞《化學(xué)反應(yīng)原理》中的“化學(xué)平衡”概念，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計研究。以學(xué)習(xí)進(jìn)階理論為指引，以核心素養(yǎng)為進(jìn)階目標(biāo)，通過學(xué)案導(dǎo)學(xué)、遞進(jìn)式的問題設(shè)計和情境激疑深究等教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行體驗式、研究式學(xué)習(xí)，擴(kuò)展學(xué)生認(rèn)知對象和視角，完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生學(xué)科認(rèn)知水平。

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)[4]中對“化學(xué)平衡”的學(xué)業(yè)要求、核心素養(yǎng)的五個方面之一—“變化觀念和平衡思想”描述，可以劃分出5個進(jìn)階預(yù)期水平，見表1。

概念的理解存在“經(jīng)驗、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合”五個發(fā)展水平[5]。同樣，化學(xué)平衡觀念的形成，也要先借助于一些感性認(rèn)識，從實驗或生活經(jīng)驗中認(rèn)識化學(xué)平衡及其影響因素，再用定量思維解釋化學(xué)平衡，進(jìn)而與化學(xué)反應(yīng)速率等其他概念進(jìn)行辨析，形成結(jié)構(gòu)化的認(rèn)知體系，最終上升為哲學(xué)思維。

二、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的“化學(xué)平衡”教學(xué)探索

為讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)，在知識、思維、觀念和素養(yǎng)等四個層面有逐步提升，最終達(dá)到預(yù)期水平，從以下4個方面對“化學(xué)平衡”教學(xué)進(jìn)行探索。

1.由粗淺到本原，促進(jìn)概念理解的進(jìn)階發(fā)展

針對學(xué)生學(xué)習(xí)概念時，常因受到迷思概念的干擾或者混淆一些相似概念進(jìn)入誤區(qū)，缺乏本原化理解概念的內(nèi)涵；對概念的理解陷入表淺或孤立，缺少整體、統(tǒng)攝思維，沒有形成概念網(wǎng)絡(luò)和知識體系，即“只見樹木不見森林”；理解不深刻導(dǎo)致思路不夠清晰或不會應(yīng)用，認(rèn)識視角窄，思維單一或者僵化；囿于下位、應(yīng)用的思考，沒有形成正確的學(xué)科觀念，無法遷移拓展于其他領(lǐng)域，更談不上感悟到學(xué)科本質(zhì)和價值。針對以上這些現(xiàn)象，設(shè)計學(xué)習(xí)路徑要明確學(xué)習(xí)的明線與暗線。明線是指知識概念的邏輯序列、教學(xué)情景和活動，對“反應(yīng)的可逆性→平衡的建立→特點→標(biāo)志→平衡常數(shù)→轉(zhuǎn)化率→計算→影響平衡的因素→平衡移動的方向→平衡圖像解析→應(yīng)用”概念邏輯順序匹配相應(yīng)的情景、問題、活動、反饋評價。暗線是能力素養(yǎng)的進(jìn)階，如表1描述，學(xué)習(xí)中不能只認(rèn)識幾個概念，還應(yīng)聯(lián)系到其他學(xué)科領(lǐng)域中平衡觀點，建立“平衡觀”，進(jìn)行一定深度的哲學(xué)思考，能用對立統(tǒng)一、聯(lián)系發(fā)展和動態(tài)平衡的觀點考察化學(xué)反應(yīng)，并用于解釋生產(chǎn)生活中一些化學(xué)現(xiàn)象，或探究設(shè)計新反應(yīng)。

平衡的建立、特點、移動是平衡的分支概念，其中化學(xué)平衡常數(shù)是重要概念。因為正逆反應(yīng)的勢相當(dāng)，導(dǎo)致表面的“靜止”，這是平衡狀態(tài)的本質(zhì)與表象關(guān)系。平衡時各個狀態(tài)函數(shù)固定不變，其平衡體系中成分濃度或氣體分壓的冪之積之商為一常數(shù)，“勢相當(dāng)”也是平衡常數(shù)的根源。概念的學(xué)習(xí)不能只停留在文本的理解和要點剖析上，還要明確其化學(xué)意義和應(yīng)用。所以要進(jìn)行深層次思考，追根溯源、探尋本質(zhì)，理解概念的本原，即內(nèi)涵、本質(zhì)、規(guī)律。如平衡常數(shù)為什么只與溫度有關(guān)，因為溫度改變了吉布斯自由能變，改變了反應(yīng)的限度，K是生成物與反應(yīng)物之間的化學(xué)勢差的體現(xiàn)，只與反應(yīng)本身及溫度有關(guān)，而與初始的濃度壓強(qiáng)無關(guān)。濃度壓強(qiáng)是改變了Q，讓Q重新適應(yīng)K。就如密度是用質(zhì)量與體積計算，但密度是物體本身屬性，而與質(zhì)量或體積大小無關(guān)。因此，教師必須重視知識的本原性理解，避免讓學(xué)生記背知識，也可以最大程度減少迷思概念對學(xué)習(xí)的負(fù)面影響。

2.由零散到系統(tǒng)，促進(jìn)思維模型的進(jìn)階發(fā)展

與化學(xué)平衡相似或關(guān)聯(lián)的概念較多，經(jīng)常有學(xué)生誤認(rèn)為反應(yīng)快的限度大，混淆了反應(yīng)速率與平衡限度。催化劑對平衡的影響，部分學(xué)生誤認(rèn)為催化劑會使平衡發(fā)生移動，因為他認(rèn)為催化劑改變反應(yīng)的速率，所以平衡必然移動。許多學(xué)生混淆了壓強(qiáng)、濃度對平衡移動影響。以下的圖式思維能將與化學(xué)平衡相關(guān)的概念進(jìn)行整合，建構(gòu)完整的概念網(wǎng)絡(luò)和整體的系統(tǒng)思維，見圖1。

平衡是勢相當(dāng)，而非量相等或濃度相等，所以當(dāng)反應(yīng)物與生成物濃度相等或比等于化學(xué)計量數(shù)比時，不代表一定是平衡狀態(tài)?；瘜W(xué)反應(yīng)速率是對反應(yīng)快慢的描述，與反應(yīng)歷程有密切關(guān)系，而化學(xué)平衡是一種狀態(tài)，與過程沒有必然聯(lián)系，所以不同的起點可以建立成“等效平衡”。正、逆反應(yīng)相等時，意味著反應(yīng)物不再減少，生成物不再增加，但表面的“波平浪靜”實則內(nèi)部的“暗流涌動”，所以“等勢”是本質(zhì)，“濃度、百分含量不變”是表象。因為是動態(tài)平衡，所以它可以對外界施加的影響作出一定的“響應(yīng)”，減弱外界改變的影響。勒夏特列原理能快速定性地判斷平衡移動方向，但它也有局限性，只能改變一個條件，只適用于封閉均相體系。但它也體現(xiàn)一個動態(tài)平衡體系的自穩(wěn)定機(jī)理，可以聯(lián)系物理學(xué)的“楞次定律—感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”，形成跨學(xué)科概念和科學(xué)觀念，并對化學(xué)平衡進(jìn)行哲學(xué)思考。壓強(qiáng)、濃度的影響有聯(lián)系也有區(qū)別，壓強(qiáng)對平衡影響首先要轉(zhuǎn)化為濃度改變的影響，濃度改變會改變速率。對氣體分子數(shù)不變的平衡體系則平衡不移動。壓強(qiáng)改變一般默認(rèn)為氣體總體積的變化，而濃度改變一般是指只改變一種物質(zhì)的濃度。溫度對k、K的影響可以分別得出溫度如何影響速率與平衡，一般的反應(yīng)活化能是大于0，所以依據(jù)阿侖尼烏斯公式（k= A·e-Ea/RT）可得，溫度升高，反應(yīng)速率提高。對于吸熱反應(yīng)，因為正反應(yīng)活化能>逆反應(yīng)活化能，所以正反應(yīng)速率受溫度影響更大，當(dāng)升高相同溫度，正反應(yīng)速率提高的倍數(shù)>逆反應(yīng)速率，正反應(yīng)更有優(yōu)勢，即K增大。合成氨是放熱反應(yīng)，所以溫度升高，K減小。使用催化劑，降低了正、逆反應(yīng)活化能，同時增大k正和k逆，增大倍數(shù)相等，因為對于基元可逆反應(yīng)而言，K=k正/k逆，所以K不變，平衡不移動。ΔGΘ不僅體現(xiàn)反應(yīng)的方向，也是反應(yīng)趨勢限度的表現(xiàn)，所以ΔGΘ越負(fù)，K越大。借助這樣圖式，能夠形成清晰的思維導(dǎo)圖，學(xué)生在解決化學(xué)平衡問題時，自然而然地應(yīng)用了一個思維模型：確立可逆反應(yīng)，寫出平衡表達(dá)式，依據(jù)K與Q關(guān)系判斷平衡移動的方向，分析得出平衡移動的結(jié)果。

3.由解題到研究，促進(jìn)學(xué)科觀念的進(jìn)階發(fā)展

學(xué)生只了解化學(xué)平衡概念的要素、內(nèi)涵是不夠的，要提升到定量、綜合、圖像、模型理解水平，并能熟練綜合應(yīng)用于解釋生產(chǎn)科研中的化學(xué)問題，這需要在進(jìn)階學(xué)習(xí)中從繁雜的化學(xué)知識體系中提取學(xué)科思維方式與方法，形成正確的學(xué)科觀念。

以2019全國理綜Ⅰ卷-28題（節(jié)選）為例，談在進(jìn)階障礙點實現(xiàn)教學(xué)突破。該道題源于科研文獻(xiàn)，是一個真實情景的學(xué)術(shù)問題，信息量大，需要學(xué)生提取、加工、整合其中的有效信息，并調(diào)動各個方面的化學(xué)原理知識，進(jìn)行綜合分析判斷。研究結(jié)果計算得出，CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）ΔH=-69kJ·mol-1；K= 1.32（721℃下）。Shoichi研究了467℃、489℃時水煤氣變換中CO和H2分壓隨時間變化關(guān)系（如圖2所示），催化劑為氧化鐵，實驗初始時體系中的pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等。467℃時pH2和pCO隨時間變化關(guān)系的曲線分別是、。489℃時pH2和pCO隨時間變化關(guān)系的曲線分別是、。【答案】bcad

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)：難點是不能直接判斷四條曲線的組合（同一方向投料的反應(yīng)中，因為該反應(yīng)中四種物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)相等，均等于1，生成物壓強(qiáng)增大與反應(yīng)物壓強(qiáng)減小的絕對值是相等的。根據(jù)30-90min時段，圖中曲線a減小0.28，曲線d增大0.28，是一個組合；曲線c減小0.34，曲線b增大0.34，是一個組合）。學(xué)生容易忽略投料是兩個不同的方向，很容易誤認(rèn)為斜率絕對值大的一定是溫度高的，因為即使起始?xì)怏w總壓強(qiáng)相等，但因為正反應(yīng)方向是放熱的，所以正反應(yīng)的活化能是小于逆反應(yīng)的活化能?？赡艹霈F(xiàn)情況是：雖然溫度更高，其反應(yīng)速率更小，原因是活化能大的反應(yīng)速率小，事實也是如此。根據(jù)正反應(yīng)方向是放熱，所以溫度越低，其平衡常數(shù)越大，所以K（467℃）>K（489℃）>K（721℃）>1，意味著a、b表示的是H2的分壓，c、d表示的是CO的分壓，而且b、c表示的是467℃；a、d表示的是489℃；因為平衡時b/c>a/d。

該道題綜合運用了速率與平衡原理，需要學(xué)生在復(fù)雜、不良結(jié)構(gòu)的問題情境中有效獲取信息，加工整合，與原理進(jìn)行綜合運用，解決問題。這也是學(xué)習(xí)進(jìn)階要求：從知道到理解、到應(yīng)用、到綜合。應(yīng)讓學(xué)生基于情境獲得知識、應(yīng)用知識，從而在豐富其認(rèn)知結(jié)構(gòu)的同時，有效培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力和創(chuàng)新意識。

4.由機(jī)械到靈活，促進(jìn)問題解決能力的進(jìn)階發(fā)展

平常教學(xué)中，經(jīng)常是教師展示了“三段式”計算的模式，只強(qiáng)調(diào)格式的重要性，卻忽略了這個模式背后深層的原因，沒有說明是基于什么原理，這樣學(xué)生學(xué)了“套路”，沒有追根溯源。以下以一道高考題為例，分析如何加深學(xué)生對化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的理解。例：2018全國理綜Ⅰ卷-28題（節(jié)選）-F. Daniels等曾利用測壓法在剛性反應(yīng)器中研究了25℃時N2O（5g）分解反應(yīng)：

在分析這道題時，先要充分預(yù)估學(xué)生的解題困難點，為引導(dǎo)學(xué)生深入思考作鋪墊，也是破解題目的關(guān)鍵。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，一題多解，拓展視角，并加深了對平衡計算的認(rèn)識。具體見表3。

運用3種解法，為學(xué)生打開平衡計算的視野，能讓學(xué)生深思“三段式”計算模型的本質(zhì)和意義，“平衡”的建立體現(xiàn)過程與結(jié)果的關(guān)系，須符合反應(yīng)中質(zhì)量守恒定律。這樣讓學(xué)生體會到概念的理解應(yīng)該是從事實到方法、到方法論、到學(xué)科本質(zhì)。幫助學(xué)生從記憶型思維向理解型思維轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，發(fā)展高階思維，體會到化學(xué)學(xué)科的定量思維方式對生產(chǎn)科研的重要意義。

三、結(jié)束語

“化學(xué)平衡”是核心概念，讓學(xué)生從概念理解進(jìn)階到形成平衡觀念，理解化學(xué)學(xué)科本質(zhì)，推崇化學(xué)價值。教學(xué)中需要經(jīng)歷多個中間水平，所以教學(xué)設(shè)計應(yīng)該有總目標(biāo)、總規(guī)劃，充分考慮學(xué)生的不同基礎(chǔ)和認(rèn)知水平，多路徑開發(fā)學(xué)習(xí)進(jìn)階過程，適時反饋階段達(dá)成度，調(diào)整階段目標(biāo)。通過教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為本設(shè)計研究對其他概念教學(xué)實踐同樣有借鑒意義的經(jīng)驗有：一是，概念的文本描述學(xué)生多讀幾遍或許能短暫記下，但要深刻理解概念的內(nèi)涵本質(zhì)規(guī)律，則需要放在概念群中辨析整合，融入原有的知識體系，這就需要教學(xué)重點放在深化概念的本原性與結(jié)構(gòu)化理解。二是，因為充分考慮學(xué)生個體差異性，深入地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難和障礙點，不僅有知識缺漏，還有思維漏洞，為學(xué)習(xí)路徑進(jìn)行整體規(guī)劃、設(shè)置中間的“腳踏點”提供依據(jù)，這樣才能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)進(jìn)階中順暢過關(guān)，按期達(dá)標(biāo)。因為中間的“腳踏點”有具體的指標(biāo)、路徑方法、幫助和資源補(bǔ)給方法，讓學(xué)習(xí)更多自主地進(jìn)行，學(xué)生在完成階段目標(biāo)后也有成就感和進(jìn)一步學(xué)習(xí)的動力。三是，學(xué)習(xí)進(jìn)階契合素養(yǎng)的形成層級性，在“學(xué)習(xí)進(jìn)階”教學(xué)中，師生都要明確知識僅僅是載體，更重要的是擴(kuò)展自己的認(rèn)識對象與視角，發(fā)展關(guān)鍵能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。

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