基于“证据推理与模型认知”素养的深度学习活动设计——探究温度、压强对化学平衡移动的影响.pdf

33化学教与学2 0 2 3 年第12 期化学教与学教学研究基于“证据推理与模型认知”素养的深度学习活动设计探究温度、压强对化学平衡移动的影响卢文静！周海欧2（1.佛山市顺德区华侨中学广东佛山528300；2.佛山市顺德区教育发展中心广东佛山528300)摘要：以“探究温度、压强对化学平衡移动的影响”为例，通过设置问题情境，设置实验探究、结合手持技术实验和理论证据，从定性和定量以及实验和理论角度，培养收集证据、分析证据、证据推理、建立模型、完善模型、运用模型的能力，发展“证据推理与模型认知”的化学核心素养。关键词：证据推理与模型认知；深度学习；平衡移动文章编号：10 0 8-0 5 46(2 0 2 3)12-0 0 3 3-0 0 5中图分类号：G632.41文献标识码：Bdoi:10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.007一、教学背景分析普通高中化学课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订）提出要发展化学核心素养，即“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学精神与社会责任”5 个维度”。“证据推理与模型认知的内涵”是指能够收集化学事实、信息等证据并提出假设，通过正确的化学思维过程进行推理和分析，得出结论，并构建证据与结论之间完整的逻辑关系，从而形成一般的认知思维与方法，建立认知模型，并且能够运用模型的一般思维方法去解决化学问题。2 “证据推理与模型认知”这一核心素养需要建立在科学探究的基础上，是一种区别于“死记硬背”的表层学习的深度学习方法，有助于学生认识知识是如何构建的，对知识形成深刻的理解，并且对知识进行迁移与应用，以及形成强烈的知识学习内驱力与学习情感，发展高阶的化学思维与综合应用能力。1976年，FerenceMarton和RogerSaljo首次提出深度学习和浅层学习的概念，深度学习是相对于简单记忆的浅层学习而提出来的，是内在特征的理解和联系。3 近几十年研究，大体上深度学习被认为是一种学习的方式、过程和结果。4在高中化学学习中,深度学习是以提高学生认知目标为前提,培养学生批判性思维能力，注重学习过程中的积极情感投人及学习结果的核心素养和终身发展能力建构，是一个知识迁移的过程，是在理解基础上联结原有知识并通过迁移解决问题的学习行为。目前我国普通高中化学教学中对于“证据推理和模型认知”素养的培养正在探索阶段，尤其是对于“模型认知”的理解与培养不够重视，许多教师对证据推理以及模型认知之间的内在联系理解不透，学生对化学知识的学习停留在浅层的记忆理解层面，所以需要构建基于深度学习指向化学核心素养的课堂教学活动设计。本文选择2 0 19 年人教版普通高中化学选择性必修一的“温度、压强对化学平衡移动的影响”为主题，进行基于“证据推理与模型认知”素养的深度学习活动设计。二、教学内容分析温度与压强对化学平衡移动的影响为2 0 19 年人教版普通高中化学选择性必修1第二章第二节的教学内容。新课标要求“了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系。通过实验探究，了解浓度、压强、温度对化学平衡状态的影响。认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学*本文系广东省教育科学规划课题“中学化学深度学习的课堂学习活动设计与实施研究”（2 0 GDJY-BO19）、广东省教育科研规划2 0 2 3 年度重点科研项目“高中化学主题式命题设计与应用指南（2 0 2 3 ZQJK052)的阶段性研究成果。34化学教与学2 0 2 3 年第12 期化学教与学教学研究研究中的重要作用”。在进行本节课学习之前，学生已经学习了影响化学速率的因素以及浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系，学生对平衡移动有了初步认识，具备了一定的平衡思想，结合新课标的内容要求和学业水平要求，制定了以下教学目标：(1)通过手持技术实验探究从定性角度归纳压强和温度对化学平衡的影响规律，从中体验科学探究的艰辛和喜悦；培养变化观念与平衡思想、证据推理与科学探究的化学核心素养。(2)学会用浓度商和平衡常数大小比较判据，定量判断压强和温度影响平衡移动的方向。(3了解控制反应条件在生产、生活和科学研究中的意义，落实科学精神与社会责任的化学核心素养。三、教学设计思路证据推理与模型认知需要建立在情境问题以及科学探究收集证据的基础上，证据推理需要从情境中发现问题，根据已有的知识、数据进行假设，再收集证据，根据已经有的数据、现象等进行证据的组合、证据表达、证据推理从而证实或者证伪假设，获得结论，模型认知需要在证据推理的基础上形成一般的认知方法、规律模型，并且以证据不断修模型，应用模型去解决实际化学问题。5 本文的设计思路（如图1所示）是在科学探究中贯穿证据推理，在证据推理的基础上构建和应用模型从情境中形成实验探究得出结论构建模型应用模型发现问题假设及证据收集推理：根据情境中推理：根据实验证据归纳推理：根据一般事实，已有事实证据对问推理分析，对假设进分析证据、结论与模型之题进行初步假设行证实或者证伪。间的逻辑关系，构建模型图1基于“证据推理与模型认知”素养的教学设计思路本文设置了两个教学情境，以“当打开汽水瓶盖会涌出大量气泡”为情境，提出问题：“为什么会涌出大量气泡？”，收集证据“市场上销售的汽水，大约是1体积水中溶有1 4.5 体积二氧化碳，制备时在4和2-4个大气压下将CO2注入原浆中。”形成假设：压强对化学平衡移动有影响，提出问题：“压强怎样影响化学平衡移动？”，通过手持技术实验探究得出压强对NO,与NO4平衡体系的时间压强图像，从定性角度对图像证据进行合理推理，从定量角度浓度商与平衡常数相对大小推理分析，得出结论，联系宏观与微观构建压强对化学平衡移动原理的模型。通过设置情境“饮用冰镇汽水会打隔”，收集证据“人的体温较室温高”，从而提出假设“温度对化学平衡移动有影响”。通过搭建脚手架设计温度对NO2与N.04平衡体系的影响，收集定性的颜色变化证据以及理论证据范特霍夫方程，得出结论，联系宏观与微观构建温度对化学平衡移动原理的模型。最后，结合温度以及浓度对化学平衡移动的模型构建勒夏特列原理模型，并运用该模型分析解决工业制备硫酸的反应条件调控问题。相关的教学分析思路如图2 所示。四、教学过程1.压强对化学平衡移动的影响【情境引人】教师现场展示打开一瓶可乐，观察瓶内现象。【问题引导】瓶中怎么会有大量气泡？【展示】资料卡片：市场上销售的汽水，大约是1体积水中溶有1 4.5 体积二氧化碳，制备时在4和2-4个大气压下将注CO2人原浆中。瓶内二氧化碳存在平衡:CO,(ag)-CO2(g)【学生讨论】根据打开汽水瓶盖产生气泡现象以及资料卡片证据，推理打开瓶盖，压强变小，推测平衡：CO2(aq)气CO（g)往正向移动，即体积增大方向移动。【提出假设】压强对化学平衡移动有影响，压强减小朝着体积增大的方向移动。设计意图：创设生活化情境CO2的溶解平衡，提出问题，引导学生根据资料证据，提出假设，激发学生兴趣，体会化学与生活的紧密联系。【实验探究】讲解用压强传感器探究改变压强对NO,与N2O4平衡体系的影响实验（如图3 所示），请预测并画出压缩和拉伸注射器过程中注射器内压强随35化学教与学2 0 2 3 年第12 期化学教与学教学研究任务一：压强对化学平衡移动的影响任务二：温度对化学平衡移动的影响情境情境：打开汽水瓶盖会涌出大量气泡情境：饮用冰镇汽水会打隔问题问题：为什么会涌现大量气泡？问题：为什么饮用冰镇汽水会打隔？证据1：汽水存在平衡CO（a q）-C O（g）证据2：查阅资料市售汽水，1体积水溶有1证据1:汽水存在平衡CO,(aq)-CO(g)收集4.5体积二氧化碳，制备时在4和2-4个大气证据2：查阅资料，体温较室温高证据压下将CO2注人原浆中推理：饮用汽水，汽水在体内温度较高，COz逸出推理：打开瓶盖，压强减小形成假设：压强对化学平衡移动有影响，压强减小假设：温度对化学平衡移动有影响，温度升高朝假设朝着体积减小的方向移动着吸热方向移动实验实验：手持技术探究压强改变对NO,与N2O.平实验探究：温度对NO,与NO.平衡体系的影响证伪衡体系的影响温度对CoCl溶液平衡影响实验证据：压强一时间图像收集实验证据：体系颜色变化证据体系颜色变化4.H.1理论证据：计算Q和K理论证据：范特霍夫方程InK=+CRT推理：分析体系内压强、体系颜色变化跟气体推理：分析体系内温度与体系颜色变化，吸热与证据分子数的逻辑关系放热反应的逻辑关系推理分析改变压强时Q和K的关系分析范特霍夫方程K与T的关系结论：增大压强使化学平衡向气体体积缩小的得出结论：升高温度，平衡吸热方向移动；降低温度，方向移动；减小压强，使平衡向气体体积增大结论平衡向放热方向移动的方向移动建立勒夏特列原理：如果改变影响平衡的一个条件如浓度、压强或温度等，平衡向能够减弱这种改变的方向模型移动运用工业制硫酸中2 SO(g)+O(g)一2 S0,(g)H=-19 6 k J mol-理论上应该怎么控制温度和压强？模型图2教学设计思路时间变化曲线，并给予解释。【学生】预测并画出压缩和拉伸注射器过程中注射器内压强随时间变化曲线。【实验演示】教师现场演示手持技术实验，使用压强传感器探究改变压强对NO,与N2O4平衡体系的影响。图3实验装置图【问题引导】注射器中体系颜色深浅跟什么有关？注射器中颜色变化是怎样？能否观察清楚？【收集证据】证据1：压强与时间的关系如图4所示。BA时间图4改变压强对NO,与N.O.平衡体系的影响证据2：压缩体积，体系颜色先变深后稍有变浅；增大体积后，体系颜色先变浅后稍有变深。【问题引导】AB压强迅速增大，CD压强迅速减小的原因是什么？为什么B点后压强略有减小？平衡向哪个方向移动？请说出你的判断依据。D 点后压强又略有增大，说明了什么？NO,平衡向哪个方向移动？36化学教与学2023年第12 期化学教与学教学研究【证据推理】AB压强迅速增大原因是压缩注射器使得体积变小，C一D压强迅速减小是体积增大。B点后压强略有减小是因为平衡向体积变小的方向发生移动，也就是生成N.04的方向移动。D点压强略有减少是因为平衡向体积变大的方向发生移动，生成更多的NO2。【理论分析】颜色变化或者压强变化都是从定性的角度判断化学平衡移动的方向，从浓度商与平衡常数的角度定量分析，压缩体积，Q和K之间的关系是怎样？【学生】小组讨论推导压缩体积后的浓度商Q与平衡常数K的相对大小，进而判断平衡移动方向。【得出结论】其他条件不变时，增大压强（减小容器的容积）会使化学平衡向气体体积缩小的方向移动；减小压强（增大容器的容积），会使平衡向气体体积增大的方向移动。设计意图：基于假设，为学生搭建脚手架，设置实验探究，收集证据，由于教材实验颜色变化不明显，借助手持技术实验将压强变化数据化、直观化，培养学生搜集证据的能力，并且通过曲线表征以及计算Q与K的相对大小，让学生分析曲线中压强变化背后的蕴含的平衡移动知识，培养证据表达、证据推理的能力，让学生从定性与定量的角度推理出当增大压强时，平衡朝着体积变小的方向移动，直观形象地体会勒夏特列原理中“减弱”的含义，促进深度学习，为后面建立勒夏特列原理模型做基础，培养科学探究与证据推理能力。2.温度对化学平衡移动的影响【过渡】饮用冰镇汽水会打隔，这是为什么？【搜集证据】证据1：汽水存在平衡CO（a q)一CO2(g),H 0。证据2：查阅资料，体温较室温高。【证据推理】汽水在体内温度较高，平衡朝着CO2逸出方向移动，CO,逸出方向为吸热方向。【问题引导 升高温度，化学平衡向吸热方向移动。【学生实验】实验探究1:将N.O4-NO,平衡球一端置于冰水中、另一端置于热水中，一段时间后观察颜色变化。实验探究2：将三支试管装有CoCl的饱和NaCl溶液分别置于冰水、常温、热水条件下中，观察颜色变化。液分别置于冰水、常温、热水条件下中，观察颜色变化。【收集证据】2 NO 2(g)N2 0 4(g)H 0。6)C o C l 的饱和NaCI溶液在热水变蓝，冷水中粉红色变浅。【学生】根据以上实验证据，讨论分析温度与平衡移动方向的关系。A.H【理论分析】通过分析范特霍夫方程lnK=-mR+C,推出吸热反应和放热反应的K随着温度的变化，并比较Q与K值的大小判断反应方向。【得出结论】其他条件不变，升高温度，平衡向吸热方向移动；降低温度，平衡向放热方向移动。【教师】是否可以解释我们提出的问题喝汽水打隔的原因？【学生】已知CO2（g）2 C O（a q）H 0，温度升高，平衡向左移动，CO2逸出，带走热量设计意图：通过小组实验探究，培养学生动手能力，收集证据能力、证据推理能力。通过范特霍夫方程，从理论角度分析温度与平衡常数的法关系，从而推出温度对化学平衡移动影响规律，增加知识构建过程，有利于学生深度理解知识，促进深度学习，为后面建立勒夏特列原理模型打下基础。3.建立勒夏特列原理模型【教师引导】根据温度和压强对化学平衡影响的规律，为什么升高温度平衡会往吸热方向移动？俗话说“天之道，损有余而补不足”“月满则亏”，其实这里蕴含着丰富的哲学思想与科学规律。在研究平衡体系中，体系温度升高则视为“满”，就需要往“亏”方向走，让体系温度稍有下降；体系温度降低，则需要往放37化学教与学2023年第12 期下转第49 页化学教与学教学研究：热方向移动，放出更多热量，使得体系温度稍有上升。那为什么增大压强，平衡要往体积缩小方向移动？【学生推理】体系压强增大视为“满”，则需要往体积缩小的方向移动，让体系压强稍有下降；体系压强减小时，则需要往体积增大的方向移动，以增大体系压强。【建立模型】改变温度和压强，平衡就会朝着减弱这种变化的方向移动，这就是勒夏特列原理：如果改变影响平衡的一个条件如浓度、压强或温度等，平衡向能够减弱这种改变的方向移动。学生小组合作进行实验，培养学生科学探究、证据推理的能力。设计意图：基于温度和压强对化学平衡移动的结论，构建勒夏特列原理模型，培养学生逻辑推理、总结归纳能力，以及证据推理与模型构建核心素养。4.解决真实问题，完善认知模型【教师】化学来源于生活，并且可指导工业生产，例如硫酸工业重要一步：2 SOz（g）+0（g)一2 SO（g）H=-19 6 k J mol-,理论上应该怎么控制温度和压强？而实际上采用温度为40 0-5 0 0、常压，这是为什么呢？【文献数据】表1展示的是工业制硫酸的温度与压强数据。表1SO,平均转化率与温度、压强的关系(%)7)压强/MPa温度/0.10.51.02.55.010.040099.2099.6099.7099.8799.9899.9045097.508.2099.2099.59.6099.9750093.6096.5097.8098.6099.0099.3055085.6089.5094.9096.7097.7098.3060073.7085.8089.5093.3095.0096.40【学生】该反应是放热反应，低温有利于平衡正向移动；该反应是气体体积减小的反应，高压有利于平衡正向移动，所以应为低温、高压。【教师】影响工业生产的影响因素很多，不仅要考虑平衡移动，还要考虑其他因素如速率、能耗、成本、环保、效益等。设计意图：通过设计调控硫酸工业制法中的反应条件调控真实情境问题，进一步完善化学平衡的认知模型，体会化学平衡调控在生产、生活和科学研究中的意义，运用勒夏特列原理模型解决工业生产问题，落实科学精神与社会责任的化学核心素养，加深了对化学学科价值的认识。五、教学反思1.从定性和定量的角度收集证据有利于开展深度学习教材中关于压强对NO2-N.04化学平衡移动影响的实验现象观察不明显，因而改用手持技术收集数据和曲线表征证据，可以将抽象的原理数据化、具体化，减轻学生的认知负荷，加深对化学概念的理解，而且可以认识化学平衡移动的知识构建过程，激发学生的求知欲，实验更加科学严谨，有助于学生开展深度学习。同时，本设计在收集定性证据的基础上，引人理论分析证据，分别从Q与K的大小比较、范特霍夫方程分析K与T的关系,加深学生对勒夏特列原理的理解，锻炼了学生的思维，拓展学生的知识面。2.基于真实情境的教学设计新课标中提出14处“情境素材建议”，还有48 处是关于使用情境的描述，可见新课标更加注重情境的设计与实施。8 新教材的内容选取呈现、试题命制、教学设计实施都非常注重情境，这也是未来研究的热点。教学时要重视情境素材中蕴含的教育功能，利用情境素材落实化学核心素养，如本设计以汽水中二氧化碳的溶解平衡为例，结合工业生产中的三氧化硫反应的条件调控，可以体现化学学科的学科价值与社会价值，发挥化学的育人功能。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（2 0 17版2 0 2 0 年修订)S.北京：人民教育出版社，,2 0 2 0.2杨玉琴，倪娟.证据推理与模型认知：内涵解析及实践策略 J.化学教育（中英文），2 0 19，40（2 3）：2 3-2 9.49上接第3 7 页）+-化学教与学教学设计研究：1.00.8第1次0.6第2 次第3 次0.40.20.00100200300400t/min图6废水中RhB的残留率随时间变化的曲线【学生活动】学生根据教师所提供信息回答：OH和O,是降解RhB的氧化剂;第1次使用后Ag:PO4的光催化性能降低；该实验条件下,Ag:PO4使用两次即基本失效。【教师活动】教师进一步引导学生根据信息写出Ag.PO4光催化CO,制备甲醇可实现“碳中和 的化学方程式。【学生活动】学生根据教师提供的信息完成Ag:PO4光催化CO2制备甲醇的化学反应方程式：Ag.PO.2 CO2+4H202CH,0H+302可见光【教师活动】教师最后进行总结：气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，对生态系统形成威胁。在国际减排温室气体大背景下，我国由此提出碳达峰和碳中和目标，运用光触媒反应可有助于尽快实现这一目标，这就是化学学科的功能价值和社会价值。设计意图：引导学生基于真实情境运用所学知识进行实际问题解决，培养学生社会责任感和参与意识，发展学生知识迁移应用能力。五、教学效果及反思本教学设计选取TiO2情境素材，通过对TiO,光催化作用下除甲醛的历程探究和染料敏化TiO2太阳能3Marton F,Saljo R.On Qualitative Difference in Learning.I-Outcome and Process J.British Journal of EducationalPsychology,1976,46(1):4-11.4卜彩丽，冯晓晓，张宝辉.深度学习的概念，策略，效果及其启示一一美国深度学习项目（SDL)的解读与分析 J.远程教育杂志，2 0 16，3 4(5）：7 5-8 2.5赵铭，赵华.“证据推理与模型认知”的内涵与教学研讨化学教与学2 0 2 3 年第12 期电池工作原理探究，引导学生从光电转换和光化学转化视角分析和解决实际问题，教学设计中情境素材的选择注重时代性和前沿性，注重实现材料、资源、能源等领域与化学学科的交叉融合，厚植学生的爱国情怀，体现了科学发展观，凸显了化学学科功能价值。此外，在教学过程中注重通过选取与教学内容相关Ag.PO4光催化降解RhB情境素材，综合检测学生运用所学知识解决实际问题的能力，发展学生知识迁移应用能力和创新思维。课堂教学过程中注重关注学生思维发展，实时动态掌握教与学情况，引导学生在真实情境、任务和活动中进行实际问题解决，有效实现“教、学、评”一体化。本教学设计在教学实施过程中较为顺利地达到了课前制定的教学目标，授课过程中能较好地实施问题驱动式教学策略，借助相关问题研究引导学生运用相关原理分析和解决实际问题。3 但在教学过程中感觉对学生回答问题后的及时评价不够，学生间小组交流还缺乏更为有效的引导，这都是今后教学过程中需要逐步改进和完善的。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（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订）S.北京：人民教育出版社，2 0 2 0.2秦序.纳米TiO2光触媒的分析研究 J.广东技术师范学院学报,2 0 15(8):11-14.3王春.证据推理视域下的化学实验教学研究一以“碘离子反应的多样性研究”为例 J.中学化学教学参考，2 0 2 0(7):35-37.J.化学教学，2 0 2 0(2)：2 9-3 3+6 0.6毕维昭.二氯化钻在水-乙醇溶液中的热致变色作用J.苏州大学学报（自然科学版）,19 9 0（4)：5 15-5 19.7田文生.硫铁矿生产发烟硫酸工艺技术的探讨 J.化学工程与装备，2 0 14(4)：6 2-6 4.8刘毛毛，姜建文.鲁科版高中化学必修新教材情境素材分析与教学建议 J.化学教育（中英文）,2 0 2 1,42(3)：1-6.