一种新颖的类比活动在“化学平衡”教学中的尝试，本文主要内容关键词为：化学平衡论文,新颖论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“化学平衡”概念较为抽象，学生在学习中容易产生错误的理解。因此在该概念教学中如何使抽象问题具体化，帮助学生建立正确的概念尤为重要。
类比是理解抽象事物的一种常用而有效的方法，例如，在化学平衡概念教学中，教师经常利用水的流进和流出来比拟说明化学平衡的动态特征。但此类比容易使学生产生另外一个错误的理解，即达到平衡时反应物和产物的浓度相等。
本研究试图借助另外一个类比活动“玩牌游戏”来开展化学平衡概念的教学，以探寻该类比活动教学的可行性。此方法有别于传统教学的关键在于，探测学生的错误观念并将此作为教学资源，让学生亲身体验化学平衡建立及移动的过程，变被动、顺应式教学为主动、批判式教学。
一、研究方法
1.研究被试
本研究在河南省中原油田第四中学的一个高三班级（共44名学生）进行教学实践。被试学生已经学习了化学平衡的知识，但还没有进入全面复习阶段。
2.研究材料和程序
(1)“化学平衡概念测试”问卷。
该问卷用于探查学生对化学平衡相关概念的理解情况。问卷内容分三部分：化学平衡的建立过程及特征，浓度改变对正逆反应速率的影响，
的意义。
(2)教学辅助材料。
教学辅助材料主要包括研究者设计的学生材料和课堂思考题两部分。在类比活动中，学生通过“玩牌游戏”探究化学平衡建立的过程以及勒夏特列原理，并要求在活动探究的整个过程中对学生材料中的有关事项做出及时的回答或记录；活动结束后，学生要完成相关的思考题并进行课堂讨论，以促进对概念的掌握，达到预期教学目标。
由研究者担任主试进行全部的教学实践过程，教学时间约90min。前测和后测使用同一份问卷，即“化学平衡概念测试”问卷，所用时间都约为20min。前测用于诊断学生学习前的已有错误概念，后测和施教间隔两周时间以作为延时评价。
二、类比活动——“玩牌游戏”简介
教学实验主要是用学生翻转扑克牌的一系列活动来类比可逆反应
从反应开始到平衡建立的整个过程。类比活动是学生翻转扑克牌的一系列活动，“目标概念”是学生要学习掌握的化学平衡概念。下面对整个类比活动的过程，类比活动与目标概念的相似点和不同点，类比活动可以解释的化学平衡相关概念予以详细的说明。
1.活动介绍
整个类比活动包括三个小活动，在活动中每两位学生为一小组。活动开始时分发给每个小组一副扑克牌，当牌的正面向上时称之为彩色牌——代表反应物，当牌的反面向上时称之为白色牌——代表产物。其中一位学生操作彩色牌（反应物），一位学生操作白色牌（产物）。
▲活动一：
活动开始时，一位学生手中有36张彩色牌，另一位手中没有牌。其中1/4数目的彩色牌有足够的能量翻转过来变为白色牌，而1/3数目的白色牌有足够的能量翻转过来变为彩色牌。即在每一次传递过程中，一位学生把彩色牌的1/4翻转为白色牌并递给另一位学生，而同时这位学生把手中白色牌的1/3翻转为彩色牌递给对方。传递过程中如果出现小数的情况，按四舍五入的原则取值，比如，1.5按2来计，2.25按2来计。每一次传递过程为一个循环，每次循环以后要求学生将此时彩色牌和白色牌的数目记录在表1中，同时学生还要在表中记录每次循环中彩色牌和白色牌翻转的数目，并计算下一次循环将要翻转的数目。直到彩色牌和白色牌在某一次循环中翻转的数目一样多时，活动就可以停止。比如，此活动经过4次传递循环就可以达到平衡。
表1 活动一传递过程
反应物(A)
产物(B)
循环次数彩色牌传递的传递的白色牌
数目 数目 数目 数目
最初 360
第1次传递 →9
0←
结果 279
第2次传递 →7
3←
结果 23
13
第3次传递 →6
4←
结果 21
15
第4次传递 →5
5←
结果 21
15
第5次传递 →5
5←
结果 21
15
附图 牌的数目随循环次数变化曲线图
此时，要求学生根据所填表格写出达到传递平衡时白色牌和彩色牌的数目各是多少，并求出其比值（用表示），此活动中白色牌和彩色牌数目分别为15和21，值为5/7；第二步要求学生根据表中数据画图，即彩色牌和白色牌数目n分别随时间t变化的曲线图（附图），其中纵坐标为彩色牌和白色牌的数目n（表1中传递结果所对应的数值），横坐标为时间t（每一次传递过程为一个时间间隔），用●代表彩色牌，用▲代表白色牌。活动二和三要求同上。
▲活动二：
活动二与活动一的相同点：两种牌每次翻转的分数是一样的(1/4、1/3)；不同点：活动开始时，彩色牌数目比活动一增加了12，为48，白色牌为0。整个传递过程经过4次循环达到平衡，此时，白色牌和彩色牌的数目为20和28，值也为5/7。
▲活动三：
活动三与活动一的相同点：活动开始时，彩色牌和白色牌的数目为36和0。不同点：两种牌每次翻转的分数都增大，即在每一次传递循环中，一位学生把手中彩色牌的1/3（原1/4）翻转过来并传递给对方，另一位学生把白色牌的1/2（原1/3）翻转过来并传递给对方。
经过三次传递循环达到平衡，此时白色牌和彩色牌的数目分别为14、22，值为7/11，与活动一和二的结果不同（见表2）。接着又利用活动三来类比说明勒夏特列原理。即平衡建立以后再增加18张彩色牌，彩色牌和白色牌数目分别为40、14，传递过程又重新开始，经过2次循环达到新的平衡，此时白色牌和彩色牌的数目为21、33，值也为7/11。
表2 活动三传递过程
反应物(A)产物(B)
循环次数彩色牌传递的传递的白色牌
数目 数目 数目 数目
最初 36 0
第1次传递 →12
0←
结果 2412
第2次传递
→8
6←
结果 2214
第3次传递
→7
7←
结果 2214
第4次传递
→7
7←
结果 2214
增加反应物18
最初 4014
第5次传递 →13
7←
结果 3420
第6次传递 →11 10←
结果 3321
第7次传递 →11 11←
结果 3321
2.类比活动与目标概念的相似之处和不同点
两者的相似之处有以下五个方面：
(1)每一次传递循环可以看作是一个时间间隔，时间可短可长。
(2)每次循环被传递牌的数目可以代表在相应时间内反应分子数目，即可以类比为反应速率。
(3)活动前以及每次传递结束后的彩色牌的数目可以类比成反应物的数量，白色牌的数目为产物的数量，如果把它们想象为在一个密闭容器中反应的话，又可以类比为反应物和产物的浓度。因此，通过彩色牌和白色牌的数目可以计算出每次活动所类比的可逆反应的平衡常数。
(4)活动中提到的分数（例如活动一和二中的1/4和1/3，活动三中的1/3和1/2）代表在一定温度下可以克服反应活化能的分子的百分数，它们决定最后的平衡状态。
(5)此活动所类比的可逆反应中反应物和产物的数量关系为1:1，例如金刚石与石墨之间的转化或者二丁烯的反式和顺式之间的转化。
此类比活动与真实的可逆反应不同之处在于，在反应时，彩色牌（白色牌）之间没进行碰撞就直接翻转而变成白色牌（彩色牌）。应该提醒学生，根据碰撞理论，在真实的反应中，分子之间必须通过有效碰撞才能够发生反应。
3.类比活动可以说明的几个问题
通过教学过程中的类比活动可以促进学生对有关化学平衡问题的理解，使学生的错误想法得以转变。
(1)可逆反应和化学平衡的特征
通过此活动可以说明可逆反应和完全反应的区别。即对于可逆反应，反应物不可能完全转化为产物，在反应体系中反应物和产物同时存在。
由三个活动可以看出，无论活动开始时，彩色牌和白色牌的数目为多少，翻牌的分数有何变化，传递过程总能达到平衡。达到平衡时，正逆反应速率相等，反应物和产物的浓度不发生变化。尽管达到平衡时活动结束，但可以向学生解释对于真实的可逆反应而言，达到平衡时反应仍在进行，从而让学生理解化学平衡是一个动态平衡。
学生存在的一个普遍的错误理解是：达到平衡时，各物质的平衡浓度比等于化学反应方程式中的系数比。从活动中可以看出，达到平衡时产物浓度与反应物的浓度比并不是系数比1:1，因此可以纠正学生的错误概念，测试结果证明了此类比活动的效果。
(2)平衡建立过程中反应速率的变化规律
前测结果表明，约1/5的学生错误地认为平衡建立以前，随着反应的进行正逆反应速率都升高且相等。由表1、2中彩色牌和白色牌传递的数目一栏可以看出反应速率随时间变化的规律：从反应开始到平衡建立的过程中正反应速率下降，逆反应速率升高，达到平衡时，两者相等。所以学生通过计算、填表和传递的一系列过程，亲身感受到了速率的变化情况，因此可以更好地理解和掌握这一知识。
(3)浓度增加对反应速率的影响
对学生的错误概念探查结果表明，相当一部分学生利用勒夏特列原理去推测浓度改变对反应速率的影响。认为增加反应物的量，平衡向右移动，抑制了逆反应的进行，因此逆反应速率下降。通过活动三学生可以得出，增加反应物的量正逆反应速率都升高，达到新的平衡时，正逆反应速率比原平衡时要高(11＞7)，并且在教学过程中从有效碰撞的角度帮助学生理解，因此可以纠正学生的错误理解。
(4)影响平衡常数的因素
学生在解决关于平衡常数的题目时经常犯这样的错误，从平衡移动的角度去推测平衡常数值的变化情况。例如增加反应物浓度，学生错误地认为因为平衡向右移动，导致产物的浓度增加，所以值增大。通过活动三学生可以得出，增加反应物的量并没有改变值的大小，但各物质的平衡浓度增大了；并且通过活动二和活动三的比较可以看出，牌翻转的分数发生变化时，值发生了变化。教学过程中向学生解释，活化分子百分数是决定值大小的唯一因素，并且只与温度变化有关，因此学生可以得出只与温度有关，物质浓度的改变对其没有影响的正确结论。
三、研究结果与分析
研究采用延时测试以了解该类比活动的教学效果。学生前后测试的情况见表3。
表3 学生的前测和后测情况
类别所测查出的错误概念选择人数／百分数
前测后测
1.可逆反应和完全反应差不多
5/11 0/0
2.平衡建立以前，随着反应的进 6/14 2/4
化 行正反应速率升高
学 3.平衡建立以前，随着反应的进 10/231/2
平 行正逆反应速率都升高且相等
衡 4.平衡体系像一个钟摆，正逆反 21/4818/41
建 应左右交替进行
立 5.达到平衡时，反应就停止 0/0 0/0
和 6.反应物和产物的平衡浓度受制 31/70 6/14
特 于化学反应方程式中的系数
征 7.化学平衡时反应物浓度和产物 10/23 2/4
的浓度相等
8.增加反应物浓度破坏了原来的
平衡体系，再次达到平衡以前13/302/4
正反应速率是升高的，因为这
反一段时间内反应物过量
应 9.对平衡体系，增加反应物浓度
速 平衡向右移动，将导致逆反应15/34 2/4
率 速度下降
10.向平衡体系中增加反应物，新
平衡时的正逆反应速率和原
10/23 0/0
来的相等
11.增加反应物浓度，平衡向右移 21/48 3/7
动，使值增大
从前后测试结果可以看出，该类比教学活动收到了较好的教学效果，绝大部分被试者经过教学过程实现了概念转变，放弃了原有的一些不科学的错误理解。但仍有一些错误理解没有消除，如经过教学过程大部分学生仍然错误地认为平衡体系像一个钟摆，正逆反应左右交替进行（见表3）。我们认为造成这种现象的原因可能有三：其一是教学实践本身存在问题，通过学生“翻牌”的过程和计算结果近似类比可逆反应平衡建立的过程，只有学生把活动本身和目标概念之间建立联系时才能够实现概念转变，因此对学生的抽象思维能力要求比较高，但实际上不可能所有的学生都能达到这一要求；其二是教学过程中也存在问题，例如主试者没有及时引导被试者的注意力由活动操作本身转向倾听教师的解释和深层次的思考等；其三，被试者在学习习惯、认知方式等方面存有问题，只是满足于对活动的机械操作，而忽略了对活动结果的解释。