時(shí)間：2023-07-12 16:49:47
導(dǎo)語：在化學(xué)反應(yīng)的方式的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
關(guān)鍵詞：顏色變化；質(zhì)量變化；觀察沉淀；傳感技術(shù)
文章編號(hào)：1008-0546（2013）03-091-02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2013.03.039
什么是定量分析（Quantitative Analysis）？百度釋義：“指分析一個(gè)被研究對(duì)象所包含成分的數(shù)量關(guān)系或所具備性質(zhì)間的數(shù)量關(guān)系；也可以對(duì)幾個(gè)對(duì)象的某些性質(zhì)、特征、相互關(guān)系從數(shù)量上進(jìn)行分析比較，研究的結(jié)果也用數(shù)量加以描述?！?/p>
定量分析的目的是準(zhǔn)確測(cè)試試樣中物質(zhì)的含量，要求結(jié)果準(zhǔn)確可靠。因此對(duì)反應(yīng)終點(diǎn)的判斷極其重要。滴定分析法和重量分析法是化學(xué)分析中主要的定量分析法。根據(jù)滴定反應(yīng)的類型不同，可將滴定分析法分為酸堿滴定法、絡(luò)合滴定法、氧化還原滴定法和沉淀滴定法。
而中學(xué)階段涉及到的主要是酸堿滴定法和氧化還原滴定法。在中學(xué)階段的這些定量實(shí)驗(yàn)，如何來判斷反應(yīng)的終點(diǎn)呢？
一、利用顏色變化
1.加入指示劑，通過指示劑顏色的變化來判斷反應(yīng)終點(diǎn)
在酸堿滴定的過程中，被滴定的溶液在外觀上通常不發(fā)生任何變化，需借助酸堿指示劑顏色的改變來指示滴定終點(diǎn)。酸堿指示劑一般是某些有機(jī)弱酸或弱堿，或是有機(jī)酸堿兩性物質(zhì)，它們?cè)谒釅A滴定過程中也能參與質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，因分子結(jié)構(gòu)的改變而引起自身顏色的變化，并且這種顏色伴結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是可逆的。當(dāng)酸堿滴定至計(jì)量點(diǎn)附近時(shí)，隨著溶液的pH的變化，指示劑不同型體的濃度之比迅速改變而指示滴定終點(diǎn)。中學(xué)化學(xué)中涉及到酸堿指示劑常見的是甲基橙（Methyl Orange，MO）、酚酞（Phenolphthalein，PP）。
甲基橙和酚酞的變色范圍如下表：
因此滴定突躍范圍是選擇指示劑的依據(jù)，對(duì)于中學(xué)生來說，我們一般按下列方法來選擇指示劑。
在氧化還原滴定中，有一類指示劑本身無氧化還原性質(zhì)，但它能與滴定體系中的氧化劑或還原劑結(jié)合而顯示出其本身不同的顏色。例如，淀粉指示劑（可溶性淀粉溶液）本身無色，但它與I3-可生成深藍(lán)色的化合物，利用藍(lán)色的出現(xiàn)或消失可指示終點(diǎn)。在以碘溶液滴定還原劑的碘量法中，在計(jì)量點(diǎn)附近，稍過量的I2（濃度達(dá)10-5 mol?L-1時(shí)）就會(huì)與淀粉結(jié)合而使溶液呈藍(lán)色，從而指示藍(lán)色。
【實(shí)驗(yàn)案例1】
實(shí)驗(yàn)課題：碘量法測(cè)定維生素C（藥片）
實(shí)驗(yàn)步驟：稱取維生素C藥片0.2g，加新煮沸過的冷蒸餾水100mL，10 mL 2 mol?L-1 的HAc，0.5%2 mL的淀粉溶液，立即用0.05000 mol?L-1的I2溶液滴定至呈現(xiàn)穩(wěn)定的藍(lán)色。平行測(cè)定三份后，計(jì)算維生素C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
2. 通過反應(yīng)物本身顏色變化來判斷反應(yīng)終點(diǎn)
在氧化還原滴定中，有時(shí)可以利用滴定劑或被滴定液本身的顏色變化來指示終點(diǎn)。例如在高錳酸鉀法中，滴定劑MnO4-為紫紅色，常在酸性介質(zhì)中用它滴定無色或淺色的還原劑。在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)附近，稍過量的MnO4-（濃度達(dá)2×10-6 mol?L-1時(shí)）就可以使溶液呈穩(wěn)定的淺紅色，從而指示終點(diǎn)。
【實(shí)驗(yàn)案例2】
實(shí)驗(yàn)課題：水樣中化學(xué)耗氧量（COD）的測(cè)定
實(shí)驗(yàn)步驟：在250mL錐形瓶中，加入100mL水樣，加入H2SO4（1∶3）5mL，并準(zhǔn)確加入10mL 0.02mol?L-1KMnO4溶液，立即加熱至沸，從冒出一個(gè)大氣泡開始計(jì)時(shí)，準(zhǔn)確煮沸10min，取下錐形瓶，冷卻一分鐘，準(zhǔn)確加入10.0mL 0.005000 mol?L-1的Na2C2O4標(biāo)準(zhǔn)溶液，充分搖勻。此時(shí)溶液應(yīng)由紅色轉(zhuǎn)為無色。用KMnO4溶液滴定，由無色變?yōu)榉€(wěn)定的淡紅色即為反應(yīng)終點(diǎn)。
二、利用質(zhì)量變化
重量分析法（Gravimetry）是通過質(zhì)量物質(zhì)的質(zhì)量來確定被測(cè)組分含量的一種定量分析方法。在化學(xué)反應(yīng)中，由于反應(yīng)過程中，可能由于生成了液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)，或吸收了液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)前后固態(tài)物質(zhì)質(zhì)量的改變，我們就可以利用反應(yīng)后固態(tài)物質(zhì)質(zhì)量是否再改變來判斷反應(yīng)是否達(dá)到終點(diǎn)。
【實(shí)驗(yàn)案例3】
實(shí)驗(yàn)課題：硫酸銅晶體里結(jié)晶水含量的測(cè)定
實(shí)驗(yàn)步驟：
在研缽中將硫酸銅晶體研碎，用坩堝準(zhǔn)確稱取2.0g已經(jīng)研碎的硫酸銅晶體，記下坩堝和硫酸銅晶體的總質(zhì)量（m1）。
將盛有硫酸銅晶體的坩堝放在三腳架上面的泥三角上，用酒精燈緩緩加熱，同時(shí)用玻璃棒輕輕攪拌硫酸銅晶體，直到藍(lán)色硫酸銅晶體完全變成白色粉末，且不再有水蒸氣逸出。然后將坩堝放在干燥器里冷卻。待坩堝冷卻后，將坩堝放在天平上稱量，記下坩堝和無水硫酸銅的總質(zhì)量（m2）。
把盛有無水硫酸銅的坩堝再加熱，后將坩堝放在干燥器里冷卻后再稱量，記下質(zhì)量，到連續(xù)兩次稱量的質(zhì)量差不超過0.1g，可以認(rèn)為反應(yīng)到達(dá)終點(diǎn)。
三、利用觀察沉淀
沉淀重量法我們一般是利用觀察沉淀是否完全來判斷反應(yīng)的終點(diǎn)。沉淀重量法的一般測(cè)試過程如下：首先在一定條件下，往試液中加入適當(dāng)?shù)某恋韯┦贡粶y(cè)組成沉淀出來，然后沉淀經(jīng)過過濾、洗滌、烘干或灼燒后使之轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)姆Q量形式，經(jīng)稱量后，即可由稱量形式的化學(xué)組成和質(zhì)量，求得被測(cè)組分的含量。
【實(shí)驗(yàn)案例4】
實(shí)驗(yàn)課題：BaCl2?2H2O中鋇含量的測(cè)定
實(shí)驗(yàn)步驟：
準(zhǔn)確稱取0.4～0.6gBaCl2?2H2O兩份，分別置于兩個(gè)250 mL燒杯中，加水約70 mL，2～3 mL 2mol?L-1的鹽酸，另取4 mL 1mol?L-1的硫酸，將兩份硫酸溶液用小滴管逐滴分別加入到兩份鋇鹽中，并用玻璃棒不斷攪拌，直到兩份分別全部加入為止。
待沉淀全部下沉后，在上層清液中加入1～2滴1mol?L-1的硫酸，仔細(xì)觀察沉淀是否完全，如果有沉淀生成，則沉淀不完全，如果無沉淀生成，則沉淀完全。
將上述懸濁液過濾，再以稀硫酸洗滌液洗滌沉淀3～4次，每次約用10 mL，然后，將沉淀小心轉(zhuǎn)移到濾紙上，將沉淀和濾紙置于瓷坩堝中，經(jīng)干燥、炭化、灰化后，在800～850℃下灼燒至恒重。
四、利用傳感技術(shù)
近年來，基于傳感技術(shù)的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段逐漸得到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。一些重點(diǎn)中學(xué)相繼建立了傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)基于傳感技術(shù)的探究實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行相關(guān)的教學(xué)研究和理論研究，此項(xiàng)研究已經(jīng)成為基礎(chǔ)教育研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。
在化學(xué)定量分析中利用傳感技術(shù)，它能使化學(xué)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)突破學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間的限制，并以數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式向師生展示實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)變化過程，是定量研究的重要工具。
【實(shí)驗(yàn)案例5】
實(shí)驗(yàn)課題：利用中和滴定法測(cè)定NaOH溶液的濃度
實(shí)驗(yàn)裝置如圖。
實(shí)驗(yàn)步驟：
從裝有NaOH待測(cè)溶液的堿式滴定管中放出20 mL溶液至一只100 mL燒杯中，將燒杯置于磁力攪拌器上，向燒杯中放入攪拌磁子并加入2～3滴酚酞溶液。
在洗滌和潤洗過的酸式滴定管中加入0.2000 mol?L-1的鹽酸，使其液面恰好與酸式滴定管的0刻度線對(duì)齊。
將pH傳感器放入盛NaOH溶液的燒杯中，并用水溶液稀釋至溶液沒過電極，啟動(dòng)磁力攪拌，開始數(shù)據(jù)采集。
待測(cè)得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后，打開酸式滴定管的活塞，逐滴向NaOH溶液中加入鹽酸。注意觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及溶液pH的變化。
當(dāng)pH開始明顯下降時(shí)，減慢滴加速度。當(dāng)加入一滴鹽酸后溶液的pH等于或小于7時(shí)，停止滴加鹽酸，并停止數(shù)據(jù)采集。讀出消耗的鹽酸的體積并保持實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
平行測(cè)定2～3次，讀出每次消耗的鹽酸的體積并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
由此可見，不同的定量分析實(shí)驗(yàn)，我們可以采用不同的方法來判斷反應(yīng)的終點(diǎn)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，判斷的方法也會(huì)越來越先進(jìn)，越來越科學(xué)。
參考文獻(xiàn)
[1] 華中師范大學(xué)等.分析化學(xué)（上冊(cè)）[M].北京：高等教育出版社，2001：119-122
在化學(xué)方程式的配平教學(xué)中，總覺得教無定法、學(xué)無定法，但不同類別的反應(yīng)仍有不同的規(guī)律可循。下面就氧化還原反應(yīng)配平的教學(xué)中產(chǎn)生的點(diǎn)滴感悟予以記之，以備忘卻。
一、氧化還原反應(yīng)的先后順序問題
當(dāng)有多種氧化性或多種還原性粒子存在時(shí)，就存在著粒子被氧化或被還原的先后順序問題，如何配平呢？請(qǐng)看：
最后再將方程式的系數(shù)翻倍即可。
強(qiáng)調(diào)：考慮粒子的氧化性、還原性的強(qiáng)弱，引入分?jǐn)?shù)，再根據(jù)原子守恒配平。
二、關(guān)于Fe2+被O2氧化的配平
根據(jù)得失電子守恒：Fe2+被O2氧化的兩者計(jì)量數(shù)必為4與1，再根據(jù)電荷守恒與原子守恒配其他物質(zhì)的計(jì)量數(shù)。
例如：Fe2++O2+H2O？邛Fe（OH）3的配平。
很明顯，產(chǎn)物中還有一帶正電荷的離子。認(rèn)真比對(duì)：只能是Fe3+、不可能是H+。方程式即轉(zhuǎn)化為：Fe2++O2+H2O？邛Fe（OH）3+Fe3+。
最后再將方程式的系數(shù)翻倍即可。
三、關(guān)于有CO參與的氧化還原反應(yīng)
由于CO在反應(yīng)中轉(zhuǎn)化為CO2，那么反應(yīng)中氧化劑的氧原子數(shù)也決定了CO的計(jì)量數(shù)。
例如：對(duì)反應(yīng)FeXOY+COFe+CO2的配平。
FeXOY中氧原子數(shù)為y，則需y個(gè)CO分子結(jié)合成y個(gè)CO2，即為：FeXOY+yCOFe+yCO2。
再配Fe的計(jì)量數(shù)即可。
強(qiáng)調(diào)：氧化劑中氧原子數(shù)決定了CO分子的計(jì)量數(shù)。
四、制取Cl2的方程式的配平
實(shí)驗(yàn)室制取Cl2的常用方法有：
由此我們悟到：將有復(fù)雜組成的氧化劑或還原劑的計(jì)量數(shù)定為1，再根據(jù)原子守恒，就可以將方程式配平。
再看煅燒硫鐵礦制硫酸的重要反應(yīng)。
這些反應(yīng)的特點(diǎn)是：有氧氣參加或生成，所以我們就有了以下強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容。
強(qiáng)調(diào)：在有氧氣參加或生成的氧化還原反應(yīng)中，若將有復(fù)雜組成的氧化劑或還原劑的計(jì)量數(shù)定為1，則根據(jù)原子守恒，即可將方程式配平。
2、氫氣是一種極易燃的氣體，在空氣中的體積分?jǐn)?shù)為4%至75%時(shí)都能燃燒。氫氣燃燒的焓變?yōu)?286 kJ/mol：2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l); ΔH = -572 kJ/mol
3、氫氣占4%至74%的濃度時(shí)與空氣混合，或占5%至95%的濃度時(shí)與氯氣混合時(shí)是極易爆炸的氣體，在熱、日光或火花的刺激下易引爆。氫氣的著火點(diǎn)為500 °C。純凈的氫氣與氧氣的混合物燃燒時(shí)放出紫外線。
4、因?yàn)闅錃獗瓤諝廨p，所以氫氣的火焰傾向于快速上升，故其造成的危害小于碳?xì)浠衔锶紵奈：Α錃馀c所有的氧化性元素單質(zhì)反應(yīng)。氫氣在常溫下可自發(fā)的和氯氣（需要光照）反應(yīng) ，氫氣和氟氣在冷暗處混合就可爆炸，生成具有潛在危險(xiǎn)性的酸氯化氫或氟化氫。
5、在帶尖嘴的導(dǎo)管口點(diǎn)燃純凈的氫氣，觀察火焰的顏色。然后在火焰上方罩一個(gè)冷而干燥的燒杯，過一會(huì)兒，我們可以看到，純凈的氫氣在空氣里安靜地燃燒，產(chǎn)生淡藍(lán)色的火焰（氫氣在玻璃導(dǎo)管口燃燒時(shí)，火焰常略帶黃色）。用燒杯罩在火焰的上方時(shí)，燒杯壁上有水珠生成，接觸燒杯的手能感到發(fā)燙。
關(guān)鍵詞：石油化工 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 虛擬仿真技術(shù) 教學(xué)模式
對(duì)于石油化工加工這樣實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是極其重要的。課堂教學(xué)+工廠實(shí)習(xí)的模式在理論上雖然可以達(dá)到教學(xué)預(yù)期目標(biāo)，但實(shí)際應(yīng)用起來存在一定的弊端，實(shí)際教學(xué)效果離預(yù)期目標(biāo)存在一定差距。
一、石油化工加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與存在的問題
1.目前石油化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式
目前石油化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程一般采取課堂教學(xué)+工廠實(shí)習(xí)的模式進(jìn)行。具體按照以下步驟進(jìn)行：
1.1課堂教學(xué)
石油化工加工教學(xué)內(nèi)容主要包括加工原理、加工工藝流程、工藝參數(shù)、主要設(shè)備、操作規(guī)程及故障處理。
多媒體技術(shù)興起之前，教師通過口頭講述和粉筆書寫傳授石油化工加工知識(shí)。但如設(shè)備元素是如何構(gòu)建成設(shè)備、操作規(guī)程和故障處理教師很難通過圖畫等方式來講述，主要是因?yàn)橐话悴僮饕?guī)程和故障處理步驟繁多復(fù)雜非常耗費(fèi)時(shí)間而且讓學(xué)生感覺枯燥無趣，所以此類課程課堂教學(xué)一般只講述加工工藝流程，而不具體講解實(shí)際生產(chǎn)中操作規(guī)程和故障處理。
多媒體技術(shù)興起后廣泛應(yīng)用于石油化工加工課堂教學(xué)。采用多媒體教學(xué)，教師可以節(jié)省書寫的時(shí)間，擁有更多的時(shí)間來講解。同時(shí)，課件變得豐富多彩，比如設(shè)備結(jié)構(gòu)可以有具體的實(shí)物圖，甚至可以采用動(dòng)畫的形式來演示設(shè)備各組成元素如何構(gòu)建成為設(shè)備。但針對(duì)石油化工加工操作規(guī)程及故障處理，多媒體技術(shù)依然無能為力，教師雖然能將規(guī)程和故障處理呈現(xiàn)在課件上，但通常只能放映給學(xué)生粗略看看。
此外，部分高校課堂教學(xué)會(huì)配合一些按實(shí)物比例縮小的模型輔助教學(xué)。但模型只能針對(duì)實(shí)體物件，對(duì)于石油化工加工原理、流程、參數(shù)、操作的教學(xué)等無法應(yīng)用。
1.2工廠實(shí)習(xí)
工廠實(shí)習(xí)內(nèi)容主要包括加工原理、加工工藝流程、工藝參數(shù)（調(diào)試及范圍、影響）、主要設(shè)備（結(jié)構(gòu)及控制指標(biāo)）、操作規(guī)程及故障處理。
實(shí)習(xí)時(shí)由工廠技術(shù)人員對(duì)加工原理進(jìn)行口頭講述，引導(dǎo)著學(xué)生沿著加工流程路線講解加工流程、工藝參數(shù)、設(shè)備；操作規(guī)程和故障處理一般只是簡單講解，學(xué)生自學(xué)為主。講解完成后學(xué)生可以自主在允許范圍內(nèi)參觀學(xué)習(xí)，在此過程中，學(xué)生若有不清楚的地方可向技術(shù)人員咨詢。
2.目前石油化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題
2.1課堂教學(xué)的抽象性與枯燥性
在多媒體技術(shù)應(yīng)用于石油化工教學(xué)之前傳統(tǒng)的教學(xué)模式非常陳舊，沒有調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，教學(xué)效果比較差。雖然近年來運(yùn)用多媒體教學(xué)手段，教學(xué)形式相對(duì)豐富，但是由于時(shí)間與空間的限制，學(xué)生也很難深入有效地學(xué)習(xí)。
2.2工廠實(shí)習(xí)的局限性
工廠實(shí)習(xí)是課堂教學(xué)的補(bǔ)充與完善，是學(xué)生綜合能力培養(yǎng)與訓(xùn)練的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的工廠實(shí)習(xí)是將學(xué)生帶入企業(yè)，請(qǐng)技術(shù)人員講解理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。由于學(xué)生人數(shù)不斷增加，實(shí)習(xí)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)有限，企業(yè)內(nèi)部各項(xiàng)管理措施的限制，學(xué)生在實(shí)習(xí)中只能增加感性認(rèn)識(shí)，很少有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。只能從表面上對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)情況、工藝流程與設(shè)備性能形成感官認(rèn)識(shí)，無法接觸生產(chǎn)的工程實(shí)際問題，使生產(chǎn)實(shí)習(xí)的預(yù)期效果大打折扣，難以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的要求[1]。又由于工廠現(xiàn)場(chǎng)存在機(jī)器噪音，而實(shí)習(xí)一般安排全班同學(xué)一起進(jìn)行，因此，工廠實(shí)習(xí)時(shí)技術(shù)人員的講解作用有所減弱。此外，石油化工加工有一定危險(xiǎn)性，一般學(xué)生實(shí)習(xí)只能到相對(duì)安全的地方，看到工藝流程和設(shè)備的一部分，學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)習(xí)后還是很難把課本理論知識(shí)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相結(jié)合。
2.3課堂教學(xué)與工廠實(shí)習(xí)的銜接性
實(shí)驗(yàn)課的真正目的就是讓學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)能透徹清晰地理解理論知識(shí)，鞏固其專業(yè)技能[2]。但傳統(tǒng)教學(xué)模式是在理論課之后，根據(jù)學(xué)生的課程安排并結(jié)合實(shí)習(xí)企業(yè)的生產(chǎn)管理要求安排工廠實(shí)習(xí)。因此，工廠實(shí)習(xí)與課堂教學(xué)存在一個(gè)較長的時(shí)間間隔，此類課程課堂教學(xué)本身比較枯燥，學(xué)生可能對(duì)一些知識(shí)有所遺忘，課堂教學(xué)與工廠實(shí)習(xí)銜接性不好。
二、虛擬仿真技術(shù)在石油化工加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
虛擬仿真技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)，將先進(jìn)的仿真技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合。石油化工加工虛擬仿真就是以化工生產(chǎn)過程基本規(guī)律為依據(jù)，利用數(shù)學(xué)建立模型方法，在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)該生產(chǎn)過程的一種應(yīng)用技術(shù)。各種單元操作以及生產(chǎn)工藝過程都可以通過仿真軟件真實(shí)地再現(xiàn)其生產(chǎn)過程，使學(xué)生在一個(gè)逼真的環(huán)境中獲得對(duì)工藝知識(shí)的徹底理解、對(duì)實(shí)際操作技能的熟練掌握[3]。
石油化工加工課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，但受客觀條件的限制，目前石油化工加工的實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以達(dá)到預(yù)期教學(xué)目標(biāo)。模擬仿真教學(xué)提出了真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物演示的教學(xué)模式，可以彌補(bǔ)客觀條件的不足，有利于提高石油化工加工教學(xué)的教學(xué)水平[4]。
1.仿真技術(shù)在石油化工實(shí)踐教學(xué)中的功能
石油化工加工課程與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，在實(shí)踐條件有限的情況下，通過虛擬仿真軟件進(jìn)行仿真教學(xué)，使學(xué)生親自體驗(yàn)整個(gè)過程，培養(yǎng)其綜合運(yùn)用知識(shí)的能力及化強(qiáng)其工程意識(shí)。
1.1仿真課堂教學(xué)
仿真課堂教學(xué)與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)不同之處在于，仿真課堂教學(xué)在仿真實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，教師一方面通過多媒體技術(shù)進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的講授；另一方面可以結(jié)合仿真現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備模型和參數(shù)調(diào)試來講解；在這種課堂教學(xué)模式下，學(xué)生對(duì)設(shè)備裝置、工藝指標(biāo)的控制都有了深刻的認(rèn)識(shí)和理解。
1.2虛擬仿真實(shí)訓(xùn)
學(xué)生根據(jù)所學(xué)的內(nèi)容在相應(yīng)仿真環(huán)境中進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)操作，可以自由調(diào)試各個(gè)工藝的參數(shù)，自由控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，對(duì)工藝流程動(dòng)態(tài)參數(shù)及注意事項(xiàng)作詳細(xì)分析和設(shè)定。虛擬仿真技術(shù)和實(shí)際情境實(shí)驗(yàn)結(jié)合的模式可合理有效配置教學(xué)資源，解決實(shí)踐課時(shí)少的問題，形成多元化的教學(xué)環(huán)境。
2.仿真技術(shù)在石油化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的價(jià)值
仿真教學(xué)提高了教學(xué)效率，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。其次，仿真教學(xué)中的演示和實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生更生動(dòng)形象地觀察，讓其能夠快速地掌握操作步驟和工藝原理。最后，仿真實(shí)訓(xùn)只是一種模擬，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)不會(huì)因錯(cuò)誤操作而引起不良效果；反復(fù)操作時(shí)，也不會(huì)造成原料的浪費(fèi)；仿真實(shí)訓(xùn)在故障分析中具有獨(dú)到作用，沒有實(shí)際生產(chǎn)可能存在的潛在危險(xiǎn)，保證了學(xué)生的安全。
三、小結(jié)
采用“仿真課堂教學(xué)+仿真實(shí)訓(xùn)+工廠實(shí)習(xí)”模式，學(xué)生可以結(jié)合所學(xué)的理論知識(shí)，分析判斷模擬操作中出現(xiàn)的問題，并根據(jù)幫助提示加以解決處理，仿真訓(xùn)練完成后，學(xué)生再進(jìn)行工廠實(shí)習(xí)。通過前期仿真課堂教學(xué)和仿真實(shí)訓(xùn)階段，學(xué)生已經(jīng)熟悉企業(yè)生產(chǎn)所采用的DCS控制系統(tǒng)，并且對(duì)操作室的DCS系統(tǒng)的使用能夠很快地理解[3]。因此，采用“仿真課堂教學(xué)+仿真實(shí)訓(xùn)+工廠實(shí)習(xí)”模式可以顯著提高石油化工加工實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
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作者：王新平 王旭珍 王新葵 程茜 杜藝 王曉晨 單位：大連理工大學(xué)化工與環(huán)境生命學(xué)部化學(xué)學(xué)院
光能可以連續(xù)地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。例如，人造地球衛(wèi)星和宇宙飛船可持續(xù)地從太陽接受光能并轉(zhuǎn)化為電能，反之，電能也可以持續(xù)地通過電燈轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?。也有很多?shí)踐證明，化學(xué)能和電能之間可以完全地相互轉(zhuǎn)化。公式－ΔrGm(T，p)=－W'給出了定溫、定壓下系統(tǒng)自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)以可逆的方式進(jìn)行時(shí)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?－W'傳給環(huán)境)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。公式ΔrGm(T，p)=W'則給出了環(huán)境向系統(tǒng)輸入電能(W')時(shí)，使非自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)以可逆的方式進(jìn)行的能量關(guān)系。按照光化學(xué)第二定律［2］，光能可完全轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。這些實(shí)踐結(jié)果和認(rèn)識(shí)表明，電能、光能是高品位的能量形式，而系統(tǒng)無論接受電能，還是接受光能，都是接受非體積功。
光化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)在定溫、定壓下，當(dāng)非體積功為0時(shí)(即熱化學(xué)反應(yīng))，化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)K(T)與反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯函數(shù)變?chǔ)Gm(T)之間的關(guān)系為:（式略）對(duì)于光化學(xué)反應(yīng)，該關(guān)系式并不成立［3］。這是因?yàn)榉磻?yīng)系統(tǒng)從環(huán)境接受光能，即接受非體積功。例如，反應(yīng)6CO2(g)+6H2O(l)C6H12O6(葡萄糖)+6O2的ΔrGm(T，p)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0，反應(yīng)非自發(fā)(即其反向過程自發(fā))。但是，在日光下，該反應(yīng)(即光合作用)在常溫常壓綠色植物細(xì)胞內(nèi)實(shí)際發(fā)生。對(duì)于該光化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)實(shí)際發(fā)生的方向與用ΔrGm(T，p)判斷的方向剛好相反的結(jié)果，并不是由于綠色植物細(xì)胞所導(dǎo)致的。這是因?yàn)?，在無光照射的條件下，同一植物便轉(zhuǎn)向“呼吸作用”，即實(shí)際發(fā)生與上述反應(yīng)相反的過程?？上攵谀程囟ǖ墓鈴?qiáng)下，上述反應(yīng)將呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。這就是說，上述反應(yīng)實(shí)際向哪一方向進(jìn)行，完全取決于系統(tǒng)是否從環(huán)境得到足夠的光能。對(duì)于指定的光化學(xué)反應(yīng)，現(xiàn)假設(shè)可被反應(yīng)吸收的光量子為hν，則在定溫定壓下，由ΔrGm(T，p)≤W'有:（式略）這就是在定溫、定壓下，光化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)與被反應(yīng)吸收的光量子數(shù)之間的關(guān)系式。顯然，由該關(guān)系式可知，光化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)只在一定光強(qiáng)下為一常數(shù)。當(dāng)光強(qiáng)度改變時(shí)，它將隨之而變［1］。因?yàn)楣饣瘜W(xué)反應(yīng)要吸收定量的光量子才能進(jìn)行，而光子具有物質(zhì)的屬性，因此將被反應(yīng)消耗的光子視為“反應(yīng)物”，在理論上也是成立的。極為有趣的是，從這一觀點(diǎn)出發(fā)，便有:（式略）這就是前面推導(dǎo)得到的式(4)。通常，把光合作用描述為一種將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的反應(yīng)。在光合反應(yīng)后，光子這一物質(zhì)并沒有被放出得到復(fù)原，而是被反應(yīng)吸收掉了(即轉(zhuǎn)變成化學(xué)能被儲(chǔ)存于產(chǎn)物中)。因此，不能把光化學(xué)反應(yīng)理解為“光催化反應(yīng)”。也就是說，不應(yīng)將光子視為催化劑，而只能將其歸結(jié)為反應(yīng)吸收的高品位的能量［4］，即非體積功。根據(jù)愛因斯坦狹義相對(duì)論(E=mc2)，能量也是廣義的物質(zhì)。因此，也可將能量理解為廣義上的“反應(yīng)物”。在激光照射、等離子體等環(huán)境輸入非體積功的條件下，關(guān)于“反應(yīng)物的實(shí)際轉(zhuǎn)化率超出了相應(yīng)溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率”之類的研究報(bào)導(dǎo)已屢見不鮮。其實(shí)，這樣的結(jié)果并沒有違反化學(xué)平衡規(guī)律。這是因?yàn)?，公式ΔrGm(T)=－RTlnK(T)并未考慮環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做非體積功的情況，所以它只適合熱化學(xué)反應(yīng)。從這個(gè)意義上說，式(4)表述的光化學(xué)反應(yīng)平衡與式(1)表述的熱化學(xué)反應(yīng)平衡共同構(gòu)成了整體的化學(xué)平衡規(guī)律。從上述每種認(rèn)識(shí)角度來理解光化學(xué)反應(yīng)，都能得出同一結(jié)論:對(duì)于同一化學(xué)反應(yīng)，在有光參與和無光參與的反應(yīng)條件下，反應(yīng)的平衡常數(shù)是完全不同的。在光照下達(dá)到平衡的光化學(xué)反應(yīng)，只要可被反應(yīng)吸收的光強(qiáng)度發(fā)生變化，原來建立的光化學(xué)反應(yīng)平衡就被破壞。例如，在可自動(dòng)調(diào)節(jié)光通量的墨鏡中，當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)（式略）反應(yīng)平衡向正向移動(dòng)，墨鏡顏色變深;而當(dāng)光線較弱時(shí)，反應(yīng)平衡向相反的方向移動(dòng)，墨鏡顏色變淺。
依靠非體積功進(jìn)行的非自發(fā)反應(yīng)在定溫、定壓下，對(duì)于一個(gè)非自發(fā)反應(yīng)，當(dāng)環(huán)境向系統(tǒng)輸入非體積功W'時(shí)，沿式(4)的推導(dǎo)過程，也可得到:（式略）式(5)表述環(huán)境向系統(tǒng)輸入任何形式非體積功W'的情況下的平衡規(guī)律。環(huán)境對(duì)系統(tǒng)所作非體積功越多，反應(yīng)的平衡常數(shù)就越大。光化學(xué)反應(yīng)平衡有不同于熱化學(xué)反應(yīng)平衡的特殊性。光化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)為（式略）與此類似，依靠輸入其他非體積功而進(jìn)行的反應(yīng)，其標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)與非體積功的關(guān)系為ΔrGm(T)－W'=－RTlnK'。這樣，有非體積功(光、等離子體，電能等)存在時(shí)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率就必然超過相應(yīng)熱化學(xué)反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率。將光化學(xué)反應(yīng)平衡的特殊性納入物理化學(xué)的教學(xué)內(nèi)容是十分必要的，這樣不僅有利于使學(xué)生關(guān)于化學(xué)反應(yīng)平衡的知識(shí)模塊完整化，還有利于學(xué)生對(duì)化學(xué)熱力學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)的融會(huì)貫通。
關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)的方向；教學(xué)設(shè)計(jì)；中學(xué)化學(xué)教學(xué)
文章編號(hào)：1005－6629(2012)2－0030－02 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
1、設(shè)計(jì)思想
以“從具體的知識(shí)傳授到核心觀念建構(gòu)，從知識(shí)解析為本到基於學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展”為指導(dǎo)思想，依據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》中“能用焓變和熵變說明化學(xué)反應(yīng)的方向”要求，從本節(jié)涉及的“化學(xué)反應(yīng)的方向、焓變與反應(yīng)方向有關(guān)的概念、熵變與反應(yīng)方向有關(guān)的概念”等具體知識(shí)的教學(xué)，上升到幫助學(xué)生形成“化學(xué)反應(yīng)的方向問題；化學(xué)反應(yīng)的方向可以用反應(yīng)體系的某些物理量的變化作判據(jù)；和自然現(xiàn)象一樣，化學(xué)反應(yīng)一般由‘高能’趨向‘低能’、由‘有序’趨向‘無序’等”；從對(duì)“焓判據(jù)”和“熵判據(jù)”的知識(shí)解析，上升到通過舉證的方法進(jìn)行證實(shí)或證偽，從而促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)的發(fā)展。
2、教材分析與比較
本課題內(nèi)容屬原理性知識(shí)，在現(xiàn)行3種版本的高中教材《化學(xué)反應(yīng)原理(選修)》中“化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡”一章中都有體現(xiàn)，但有關(guān)內(nèi)容的編排順序有所不同(見表1)，人教版是按“速率化學(xué)平衡(限度)方向”的順序，意在化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向要用到焓變和熵變知識(shí)，需要對(duì)化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)有更多的領(lǐng)悟，所以把它放最后，以知識(shí)的方式呈現(xiàn)出來，即從內(nèi)容的難度考慮；魯科版是按“方向限度速率”的順序，旨在反映化學(xué)反應(yīng)研究的一般思路，即對(duì)一個(gè)任意設(shè)計(jì)的化學(xué)反應(yīng)，首先需要判斷的是，它在指定條件下有無可能發(fā)生，以及在什么條件下有可能發(fā)生；對(duì)於有可能發(fā)生的反應(yīng)它的限度如何?最后是反應(yīng)實(shí)際進(jìn)行的情況還涉及反應(yīng)的速率問題，即從化學(xué)反應(yīng)的一般研究過程考慮。蘇教版是按“速率方向限度”的順序，考慮在此之前學(xué)生通過在必修教材《化學(xué)2》的學(xué)習(xí)，已經(jīng)能定性地認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)有陜有慢，知道許多化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物不能完全轉(zhuǎn)化為生成物等相關(guān)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生回顧已有知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行新知識(shí)的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)新知識(shí)與原有知識(shí)的融合，即從學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)。
3種版本的教材，雖然在編排和呈現(xiàn)方式表現(xiàn)不同特點(diǎn)，但在內(nèi)容上都緊緊圍繞課程標(biāo)準(zhǔn)，在知識(shí)的深度上沒有過高要求。從化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性、焓變和熵變與化學(xué)反應(yīng)方向的關(guān)系等具體內(nèi)容出發(fā)，突出學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知基礎(chǔ)，以幫助學(xué)生形成基本的化學(xué)觀念、促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理更全面的認(rèn)識(shí)為根本目的。同時(shí)，教材為教師的教學(xué)和學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)留下空間，教師在教學(xué)中不必拘泥於某一版本的教材，可結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)需求，選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法。
3、教學(xué)目標(biāo)
[基礎(chǔ)性目標(biāo)]
(1)通過經(jīng)驗(yàn)和直觀體驗(yàn)，認(rèn)識(shí)自然界中的自發(fā)過程及特征，并遷移到化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)過程，形成“化學(xué)反應(yīng)存在方向”的認(rèn)識(shí)。
(3)通過歸納的方法，知道H＜0有利於化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)進(jìn)行，并通過“證實(shí)和證偽”的方法，認(rèn)識(shí)焓變不是判斷反應(yīng)自發(fā)的惟一因素。
(3)通過簡單的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)和體驗(yàn)，知道“熵”可用來描述體系的混亂程度，認(rèn)識(shí)S＞O有利於化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)進(jìn)行，但不是判斷反應(yīng)自發(fā)的惟一因素。
[提高性目標(biāo)]
(4)學(xué)會(huì)從現(xiàn)象分析到理論探究的科學(xué)方法，形成“―定條件下化學(xué)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的趨勢(shì)，并不意味該條件下反應(yīng)能實(shí)際發(fā)生”的觀念。
(5)通過分析和概括焓變與熵變對(duì)反應(yīng)方向的共同影響，初步認(rèn)識(shí)這兩個(gè)因素不是孤立而不相互關(guān)聯(lián)的，形成對(duì)事物發(fā)展或變化整體認(rèn)識(shí)的觀念和全面分析的方法。
(6)通過基於“熵增原理”上的類比體驗(yàn)，強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)與低碳生活的重要性和迫切性。
4、教學(xué)重、難點(diǎn)
焓變、熵變對(duì)化學(xué)反應(yīng)自發(fā)過程的影響
關(guān)鍵詞 化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)；設(shè)問；圖像；思維導(dǎo)圖
“化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)”是《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊中非常重要的內(nèi)容，它主要是從能量變化角度來認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)。先引入焓變?chǔ)，利用物質(zhì)總能量的變化、化學(xué)鍵的變化、蓋斯定律、化學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面來學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)。這些知識(shí)對(duì)高中生來說是全新的知識(shí)，學(xué)習(xí)起來有一定的難度，而且又派生出了焓變、放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng)、熱化學(xué)反應(yīng)方程式等陌生概念，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。因此，在化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的教學(xué)中，如何在較短時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生理清學(xué)習(xí)的思路，掌握好教學(xué)內(nèi)容就成為教師值得研究的重要課題。筆者根據(jù)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從以下幾個(gè)方面談?wù)劵瘜W(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)教學(xué)的策略問題。
一、巧妙設(shè)問，化解知識(shí)疑點(diǎn)
心理學(xué)研究表明，思維永遠(yuǎn)是從問題開始的，而創(chuàng)造潛能往往能在排除疑難的過程中得到激發(fā)。隨著教育教學(xué)的不斷改革，隨之而來的教學(xué)方式必須由“教教材”向“用教材”轉(zhuǎn)變。這就需要高中化學(xué)教師轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)化學(xué)課堂的教學(xué)模式，利用“問題”思考，教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)。俗話說：“學(xué)起于思，思源于疑?！笨梢哉f問題是推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的原動(dòng)力，也是學(xué)生進(jìn)行一系列探究活動(dòng)的前提。西方學(xué)者德加默曾經(jīng)說過：“提問得好就是教得好”。在高中化學(xué)教學(xué)中，有效提問是建立在師生之間的雙向交流，教師教得如何，學(xué)生們掌握的程度怎樣，都能在課堂中學(xué)生的提問過程中加以了解。因此，在高中化學(xué)的課堂教學(xué)中，利用巧妙設(shè)疑來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的教學(xué)，不僅可以活躍課堂教學(xué)氛圍，調(diào)動(dòng)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的積極性，還可以對(duì)教學(xué)過程實(shí)施進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。
1.在概念教學(xué)中設(shè)置疑問
在化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的教學(xué)過程中，筆者有意識(shí)地設(shè)置疑問，引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)，加強(qiáng)師生互動(dòng)。如在化學(xué)反應(yīng)熱教學(xué)的開始，筆者設(shè)置以下的問題對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，并讓學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)中的能量變化有一個(gè)總體的 認(rèn)識(shí)。
問題1：化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)和特征是什么？
問題2：凡是有能量變化的過程一定發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)嗎？舉例說明。
問題3：化學(xué)反應(yīng)的ΔH與反應(yīng)物的總能量、生成物的總能量的關(guān)系？
問題4：化學(xué)反應(yīng)的ΔH與反應(yīng)物、生成物的鍵能有什么關(guān)系？
通過上述設(shè)問，學(xué)生們從兩個(gè)方面來理解放熱反應(yīng)與吸熱反應(yīng)概念，一個(gè)是宏觀方面物質(zhì)的總能量，另一個(gè)是微觀方面鍵能的變化。這樣設(shè)置問題有助于學(xué)生對(duì)抽象問題的理解，也有助于后面知識(shí)的學(xué)習(xí)，接著師生共同解決疑難點(diǎn)：為什么規(guī)定放熱反應(yīng)ΔH0？這主要是化學(xué)反應(yīng)以體系為中心，放出熱量，環(huán)境溫度升高，體系本身能量降低，就認(rèn)為ΔH0。這樣建立起體系與環(huán)境的基本概念，有利于學(xué)生理解學(xué)習(xí)。
2.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)置疑問
中和熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)是從實(shí)驗(yàn)角度描述化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)，中和熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)是一個(gè)定量實(shí)驗(yàn)，在儀器的選擇，方案的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的記錄方面等要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)，并關(guān)注控制變量的方法。師生圍繞誤差產(chǎn)生的原因及減少誤差的措施展開討論，筆者設(shè)置以下疑問引導(dǎo)學(xué)生一起對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。
問題1：在中和熱的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，為什么要將氫氧化鈉溶液迅速、一次性倒入盛有鹽酸的燒杯中？此實(shí)驗(yàn)中氫氧化鈉溶液的加入不能分步進(jìn)行嗎？
問題2：燒杯上的紙板為什么要及時(shí)蓋上，怎樣改進(jìn)能使誤差更?。?/p>
問題3：環(huán)形玻璃攪拌棒需要不斷地進(jìn)行攪拌嗎？環(huán)形玻璃攪拌棒能否換成金屬材質(zhì)的呢？
問題4：在實(shí)驗(yàn)過程中，小燒杯和大燒杯之間為什么要填充滿紙片或者塑料呢？
這些問題都是有關(guān)中和熱實(shí)驗(yàn)操作的關(guān)鍵所在。這些關(guān)鍵操作也是減少實(shí)驗(yàn)誤差的必要操作，師生一起解決完這些問題之后，教師安排學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，這樣的教學(xué)可起到事半功倍的教學(xué)效果。
二、利用圖像，突破知識(shí)難點(diǎn)
圖像是一種較為直觀、形象的教學(xué)工具。圖像在高中化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的教學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，不但能有效促進(jìn)知識(shí)間的聯(lián)系，而且能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，同時(shí)能在很大程度上指導(dǎo)與幫助學(xué)生搭建知識(shí)的整體框架，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。
1.利用圖像判斷放熱反應(yīng)與吸熱反應(yīng)
在利用圖像判斷熱化學(xué)反應(yīng)方程式的吸、放熱時(shí)，我們只需要看圖像上縱坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的熱量大小情況，即反應(yīng)物的總能量和生成物的總能量的大小情況。利用圖像可以直觀地分析和比較反應(yīng)物的總能量和生成物的總能量的大小關(guān)系，從而判斷反應(yīng)是吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)。如果從圖像上能分析出生成物的總能量高于反應(yīng)物的總能量，則該反應(yīng)一定為吸熱反應(yīng)即H>0，如果從圖像能分析出反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量，則該反應(yīng)一定為放熱反應(yīng)，即H
2.利用圖像書寫熱化學(xué)方程式
在化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的學(xué)習(xí)過程中，其熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫既是高考的重點(diǎn)同時(shí)也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。在熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫過程中，以焓變的計(jì)算難度最大。焓變的計(jì)算主要有兩種途徑：第一，用生成物的總能量與反應(yīng)物的總能量的差值直接進(jìn)行計(jì)算；第二，如果有出現(xiàn)過渡狀態(tài)的計(jì)算，從圖像上可以反映出反應(yīng)熱與活化能大小無關(guān)。
3.利用圖像進(jìn)行知識(shí)應(yīng)用
我們可以利用圖像判斷反應(yīng)的ΔH的大小。比如： S（g）+O2（g）=SO2（g） H1；S（s）+O2（g）=SO2（g） H2，同種物質(zhì)，它的狀態(tài)不同，所含能量也不同，一般來說氣態(tài)>液態(tài)>固態(tài)。所以我們可以畫出圖1。
由此我們可以得出結(jié)論，H1>H2。同理我們可以從這類圖像中判斷物質(zhì)的穩(wěn)定性。已知金剛石、石墨與氧氣反應(yīng)能量變化如圖2所示。
從圖2中我們可以知道金剛石與氧氣反應(yīng)放出的熱量比石墨與氧氣反應(yīng)放出的熱量高，也就是說金剛石的能量比石墨的高，依據(jù)“能量越低越穩(wěn)定”，可得出石墨要比金剛石更穩(wěn)定，也可以得出石墨轉(zhuǎn)化成金剛石的化學(xué)反應(yīng)肯定是吸熱反應(yīng)。
三、借助思維導(dǎo)圖，掌握知識(shí)重點(diǎn)
結(jié)合近年高考有關(guān)“化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)”的相關(guān)考題，筆者總結(jié)出在高考中，有關(guān)化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的核心知識(shí)主要有：能量、焓變、熱化學(xué)方程式、標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱、蓋斯定律、鍵能等。而其中最重要的核心內(nèi)容是熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫。要掌握熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫以及判斷需要具備以下的知識(shí)，見表1。
為了讓學(xué)生更好地掌握熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫這一核心知識(shí)，筆者在課堂教學(xué)中構(gòu)建了如圖3所示的思維導(dǎo)圖，這樣學(xué)生就能更好地抓住熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫各項(xiàng)要點(diǎn)。
化學(xué)知識(shí)點(diǎn)比較零散、多而雜，思維導(dǎo)圖可以有效地幫助學(xué)生建立知識(shí)體系，尤其是適合化學(xué)知識(shí)點(diǎn)的整理，學(xué)生通過畫上述思維導(dǎo)圖大大提高了熱化學(xué)反應(yīng)方程式書寫的正確率，同時(shí)也加深理解了化學(xué)反應(yīng)的能量變化。
關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程 教學(xué)改革 工程概念 創(chuàng)新能力
化學(xué)反應(yīng)工程是關(guān)于工業(yè)化學(xué)反應(yīng)過程的科學(xué)，是化學(xué)工程學(xué)科的一個(gè)主要分支，屬于工程科學(xué)，其研究內(nèi)容主要是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析?；瘜W(xué)反應(yīng)工程課程與數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)等基礎(chǔ)課密切相關(guān)，也與熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和傳遞過程等存在著交叉關(guān)系，加之獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的基礎(chǔ)本身較弱，使得該課程的教學(xué)難度更大，普通的授課方式很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，必須采用科學(xué)、適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，因材施教，以提高教學(xué)質(zhì)量。本文圍繞獨(dú)立學(xué)院對(duì)化工類人才培養(yǎng)的要求，提出了化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)方法的選擇與應(yīng)用原則，探討了“互動(dòng)式、啟發(fā)式”教學(xué)方式，并與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)工程課程改革和教學(xué)方法創(chuàng)新。
一、堅(jiān)持“方法論”的教育理念與工程意識(shí)相結(jié)合的教學(xué)思想
化學(xué)反應(yīng)工程是一門綜合性非常強(qiáng)的課程，并且與工程實(shí)踐緊密相聯(lián)。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)大綱，要求學(xué)生在掌握基本原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)和難點(diǎn)則應(yīng)放在分析與解決實(shí)際問題的方法論上。在理論教學(xué)中，應(yīng)向?qū)W生介紹化學(xué)反應(yīng)工程中的基本原理和化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與分析的基本方法，同時(shí)也注重讓學(xué)生了解這些知識(shí)如何指導(dǎo)工程實(shí)際。在教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)“方法論”教學(xué)[1]，提倡采用“工程分析方法”，融入化學(xué)反應(yīng)工程的基本觀點(diǎn)和工程思維方法，培養(yǎng)學(xué)生分析工程問題的實(shí)際能力，運(yùn)用以“物質(zhì)的傳遞與轉(zhuǎn)化”、“能量的傳遞與轉(zhuǎn)化”和 “信息的傳遞與轉(zhuǎn)化”所組成的“三傳三轉(zhuǎn)”[2]的新模式進(jìn)行反應(yīng)器的優(yōu)化和放大，解決工程實(shí)踐問題。在教學(xué)過后中堅(jiān)持“方法論”的教育理念與工程意識(shí)相結(jié)合的教學(xué)思想。
二、教學(xué)方法的改革
教學(xué)是一門藝術(shù)，屬于雙向行為。教學(xué)的主體對(duì)象是學(xué)生，學(xué)生應(yīng)積極參與、發(fā)揮主體能動(dòng)性并將知識(shí)內(nèi)化為自身能力。作為引導(dǎo)者的教師應(yīng)以科學(xué)的方法論為指導(dǎo)，貫徹“少而精、重基礎(chǔ)”和“適用、夠用和會(huì)用”的教學(xué)原則，通過“預(yù)習(xí)一聽課一提問一討論”的教學(xué)模式[3]，采用啟發(fā)式、提問式、互動(dòng)式、討論式等教學(xué)方法，最大限度地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)，課堂上隨時(shí)觀察學(xué)生表情，注重彰顯學(xué)生的主體地位和個(gè)性發(fā)展。課后主動(dòng)了解學(xué)生聽課效果和學(xué)習(xí)難點(diǎn)，及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。對(duì)于學(xué)生普遍反映“課堂能聽懂，聽后難做題”等現(xiàn)象，適當(dāng)安排習(xí)題課。對(duì)學(xué)生作業(yè)中存在問題進(jìn)行重點(diǎn)講解，歸納解題思路和方法，鞏固學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)。師生通過教學(xué)過程的雙向互動(dòng)，達(dá)到“教”與“學(xué)”的最佳結(jié)合。
三、教學(xué)手段的改革
由于化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究對(duì)象內(nèi)在規(guī)律較復(fù)雜，一般使用數(shù)學(xué)模型方法或簡化反應(yīng)過程，若采用傳統(tǒng)的板書教學(xué)手段，學(xué)生很難想象，不好學(xué)。從而形成了“灌輸式”教學(xué)方式，讓學(xué)生感覺這門課程枯燥無味，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。為了適應(yīng)現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的需要，滿足教學(xué)手段改革的需求，通過多年的教學(xué)實(shí)踐總結(jié)，在化學(xué)反應(yīng)工程的教學(xué)過程中，既要積極開發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)媒體，又要繼承傳統(tǒng)教學(xué)媒體中的合理成分。在教學(xué)過程中，采用集文字、實(shí)物照片、動(dòng)畫于一體的多媒體課件，利用動(dòng)畫效果把抽象概念形象化，動(dòng)態(tài)地展示設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作原理、物料流動(dòng)情況，使教學(xué)內(nèi)容更直觀、生動(dòng)，提高學(xué)生興趣，降低教學(xué)難度。與傳統(tǒng)的板書教學(xué)手段相比，多媒體教學(xué)手段的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)“動(dòng)態(tài)的問題形象化”，“微觀的問題宏觀化”，“抽象的問題具體化”，“表達(dá)方式的多樣化”，提高教學(xué)效果[4]。
四、考試制度的改革
考試不僅具有檢測(cè)教師教學(xué)水平和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的作用，更具有引導(dǎo)學(xué)生積極學(xué)習(xí)的“無形指揮棒”作用[5]?？荚囍贫鹊母母飸?yīng)促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、方法和手段的改革。通過幾年的教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)傳統(tǒng)考試中所出現(xiàn)的種種問題，采用課內(nèi)考試和課外設(shè)計(jì)相結(jié)合等多種考核方式相結(jié)合的考試方案，不僅有效引導(dǎo)學(xué)生掌握課程的基本內(nèi)容，而且在課程教學(xué)中加強(qiáng)了實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本課程主要采用撰寫課程小論文、 開展小型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)型或操作型問題的訓(xùn)練與考核，充分發(fā)揮學(xué)生的想象力、提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。
五、課堂教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合
化學(xué)反應(yīng)工程是實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，首先，課堂教學(xué)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。注重從理論到實(shí)踐，再到理論的過程，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力[6]。在教學(xué)過程中我們充分認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)工程與化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一性，掌握好理論知識(shí)能指導(dǎo)實(shí)踐，而科學(xué)實(shí)踐能幫助我們更好地認(rèn)識(shí)、理解、掌握理論知識(shí)，將感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)后，再運(yùn)用到實(shí)踐中去。其次，在教學(xué)過程中與化工實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合。該課程主要以工業(yè)反應(yīng)過程及反應(yīng)器設(shè)備為研究對(duì)象，以達(dá)到反應(yīng)器的開發(fā)、設(shè)計(jì)和放大以及優(yōu)化操作的目的。因此，安排學(xué)生到相應(yīng)企業(yè)實(shí)習(xí)是非常有必要的。近幾年，我們已建立了多家化工生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地，安排學(xué)生進(jìn)廠實(shí)習(xí)，了解化工生產(chǎn)中所用到的各類反應(yīng)器及輔助設(shè)備等，了解主要裝置的工藝流程及操作，使學(xué)生對(duì)各類反應(yīng)過程及所涉及的設(shè)備有了感性認(rèn)識(shí)，更容易接受理論教學(xué)，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高。
六、課堂教學(xué)與仿真教學(xué)相結(jié)合
仿真教學(xué)是理論和實(shí)踐間的橋梁，實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)與創(chuàng)造能力的有機(jī)結(jié)合，既是實(shí)踐教學(xué)手段，也是實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容[7]。仿真技術(shù)在工程實(shí)踐教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和手段，對(duì)于學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合起到了重要作用。我們通過化工生產(chǎn)中具有代表性的大型合成氨裝置的過程模擬，將化工單元操作、化學(xué)反應(yīng)、過程控制、能源綜合利用等現(xiàn)代化工過程進(jìn)行整合模擬訓(xùn)練，為拓展學(xué)生的思維空間，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，提供了良好的教學(xué)環(huán)境。
七、結(jié)語
化學(xué)反應(yīng)工程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的核心課程，理論抽象，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)。采用多種教學(xué)方法相結(jié)合，傳統(tǒng)教學(xué)手段和多媒體教學(xué)手段相結(jié)合的方式，充分提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性與學(xué)習(xí)效率。將理論教學(xué)與仿真教學(xué)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高了分析、解決工程問題的能力。結(jié)合時(shí)展需求，積極更新教育觀念，培養(yǎng)滿足化學(xué)工業(yè)發(fā)展所需的應(yīng)用型人才。
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一、中學(xué)生化學(xué)反應(yīng)三重表征的困難
1不能從微觀水平上理解化學(xué)反應(yīng)
相關(guān)文獻(xiàn)綜述表明，很多研究者對(duì)學(xué)生是否在分子水平上理解了化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了探查。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生即使能正確配平化學(xué)方程式，也不能在微觀上理解化學(xué)反應(yīng)，這可能與用數(shù)學(xué)化的方式配平化學(xué)方程式有很大關(guān)系。國外對(duì)這個(gè)問題的探查多是結(jié)合畫微粒圖和訪談等方法進(jìn)行的。例如，蓋貝爾（Gabel等設(shè)計(jì)了14個(gè)題目來考查大學(xué)生對(duì)事物微觀本質(zhì)的理解情況。題目用不同大小和形狀的圓圈來描述分子、原子，要求學(xué)生在物質(zhì)發(fā)生物理或化學(xué)變化后再畫一幅新的圖畫。分析結(jié)果令人吃驚：第一，有50%的學(xué)生忽視了微粒守恒和微粒的排列次序；第二，盡管學(xué)過化學(xué)的學(xué)生比沒學(xué)過化學(xué)的學(xué)生回答得要好，但這種差別并不顯著。這表明，盡管化學(xué)課程在一定程度上涉及物質(zhì)的微觀本質(zhì)，但通過微觀本質(zhì)的學(xué)習(xí)并沒有使學(xué)生較好地理解化學(xué)。另外，學(xué)生的回答中普遍出現(xiàn)的錯(cuò)誤有：（1當(dāng)液體變成氣體時(shí)，原子被畫大，而不是原子間的距離變大；（2用線條表示液體的水平面，而不是用頂層的微粒來暗示表面；（3氣體分子排列有序；（4在分子分解之后，仍用完整的單位來描述微粒，而不是用更小的原子等單元表示。這表明，盡管化學(xué)課程在一定程度上涉及物質(zhì)的微觀本質(zhì)，但通過微觀本質(zhì)的學(xué)習(xí)學(xué)生并沒有較好地理解化學(xué)。再如，亞洛克Yarroch要求成績中等以上的高二學(xué)生配平給出的化學(xué)方程式，并根據(jù)方程式畫出微觀圖像，以探查學(xué)生對(duì)化學(xué)方程式的理解。結(jié)果顯示，60%的學(xué)生能夠配平化學(xué)方程式卻不能解釋方程式的意義。這說明學(xué)生沒有從微觀水平上理解化學(xué)反應(yīng)。
可以看出，學(xué)生不能像化學(xué)家那樣進(jìn)行微觀表征，對(duì)學(xué)生而言，微觀表征復(fù)雜而抽象，這可以從學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)、溶液等特定內(nèi)容存有_定的相異構(gòu)想中窺見_二。在過去的三十年里，文獻(xiàn)中關(guān)于化學(xué)相異構(gòu)想的研究可謂數(shù)不勝數(shù)，其中相當(dāng)部分的內(nèi)容就集中在微觀表征上，這就反映出學(xué)生在微觀表征方面的困難。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)，學(xué)生也存在這樣的困難。
(二不理解化學(xué)方程式的符號(hào)含義
化學(xué)方程式既可以表征宏觀水平的物質(zhì)變化，也可以表征微觀水平上的粒子行為，符號(hào)表征指向的這種模糊性提供了_種思維轉(zhuǎn)換的流動(dòng)性，即借助于符號(hào)表征，思維可以很方便地在宏觀表征和微觀表征間轉(zhuǎn)換，這為交流和傳播解釋提供了強(qiáng)有力的工具。符號(hào)表征在任何時(shí)刻都具有特定的含義，這在專家看來是非常明確的，但對(duì)于學(xué)生而言，怡怡是符號(hào)表征指向的模糊性增加了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，學(xué)生必須能利用上下文和背景知識(shí)來明確符號(hào)表征的指向。
化學(xué)方程式隱含著豐富的信息，對(duì)化學(xué)方程式的理解也包含著多重含義：明確化學(xué)式和各個(gè)數(shù)字及箭頭的含義、理解化學(xué)反應(yīng)過程中鍵的斷裂和形成、考察化學(xué)變化的定量關(guān)系等。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)化學(xué)方程式的理解存在困難。如，桑格MJ.Sanger)讓學(xué)生根據(jù)微粒圖書寫化學(xué)方程式，他發(fā)現(xiàn)44%的學(xué)生對(duì)下標(biāo)和系數(shù)的理解有不同程度的混淆，有的學(xué)生將C3書寫成3C,學(xué)生只知道下標(biāo)表示某分子中的原子個(gè)數(shù)，卻不知道下標(biāo)可以表示組成物質(zhì)的元素比例；約翰斯頓Johnstone等人研究發(fā)現(xiàn)，離子方程式中沒有參與反應(yīng)的離子、氧化數(shù)和離子電荷給學(xué)生造成了最大的障礙；巴克（Bark〗探查德國學(xué)生對(duì)鎂條燃燒的理解，他對(duì)八、九、十年級(jí)的272名學(xué)生進(jìn)行了測(cè)驗(yàn)，結(jié)果顯示，30%的學(xué)生能正確寫出反應(yīng)方程式，并能正確進(jìn)行微觀表征，70%的學(xué)生只能記住方程式而不能正確理解其微觀含義，巴克由此得出結(jié)論，單純使用化學(xué)符號(hào)不能幫助學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)。
三難以在不同表征水平間進(jìn)行轉(zhuǎn)換
化學(xué)概念在本質(zhì)上是多重表征的，成功的化學(xué)學(xué)習(xí)應(yīng)該建構(gòu)三重表征的整體模型，在三重表征之間實(shí)現(xiàn)思維的自由轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)已公認(rèn)化學(xué)教學(xué)經(jīng)常包含宏觀表征和微觀表征間的轉(zhuǎn)換，用微觀表征解釋可觀察的宏觀現(xiàn)象，然而對(duì)學(xué)生而言，這種不同表征間的轉(zhuǎn)換是困難的，這不僅因?yàn)槲⒂^世界的抽象本質(zhì)，還因?yàn)閷?duì)學(xué)生來說轉(zhuǎn)換本身可能就是挑戰(zhàn)。教師與學(xué)生在知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)背景方面存在鴻溝，教師已經(jīng)能很流暢、很容易地實(shí)現(xiàn)不同表征間的思維轉(zhuǎn)換，而學(xué)生對(duì)物質(zhì)不是很熟悉，當(dāng)這種轉(zhuǎn)換發(fā)生時(shí)，學(xué)生可能會(huì)經(jīng)歷激烈的認(rèn)知沖突才能實(shí)現(xiàn)。作為宏觀水平和微觀水平中介的符號(hào)水平不僅增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的復(fù)雜性，而且由于它指向的模糊性，增加了初學(xué)者在宏觀表征和微觀表征間討論的困惑。
已有大量研究發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生能正確回答談話性的測(cè)試題目，然而進(jìn)一步測(cè)試表明，他們不是真的理解了概念，很多學(xué)生能夠解決計(jì)算問題，而不能解決概念性問題。例如，研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)生成功配平化學(xué)方程式并不能保證他們能用圖表的形式準(zhǔn)確表征相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)。[8]我們對(duì)這一發(fā)現(xiàn)的解釋是，能夠配平化學(xué)方程式是符號(hào)水平的理解，然而畫微粒圖的能力是微觀水平的理解，學(xué)生在聯(lián)系兩種表征水平方面存在困難，難以實(shí)現(xiàn)不同表征水平間的思維轉(zhuǎn)換，因此不能成功地解決問題。再如，對(duì)于化學(xué)平衡，即使是高等化學(xué)專業(yè)的學(xué)生也存在三重表征轉(zhuǎn)換的困難。研究發(fā)現(xiàn)，食鹽溶于水，達(dá)到平衡狀態(tài)即飽和時(shí)，很多學(xué)生會(huì)認(rèn)為反應(yīng)結(jié)束了，即將“平衡”等同于“結(jié)束”。這說明學(xué)生對(duì)平衡的動(dòng)態(tài)性缺乏理解，無法建立宏觀表征與微觀表征的聯(lián)系。還有很多學(xué)生認(rèn)為，當(dāng)溶液達(dá)到平衡時(shí)，化學(xué)方程式左邊的物質(zhì)數(shù)目就等于右邊的物質(zhì)數(shù)目，換句話說，學(xué)生經(jīng)常將化學(xué)反應(yīng)中的理解為“等于”，即如果達(dá)到化學(xué)平衡就意味著反應(yīng)物濃度等于生成物濃度。這種相異構(gòu)想可能緣于等號(hào)的應(yīng)用，也說明學(xué)生沒有將符號(hào)表征和宏觀表征、微觀表征建立起聯(lián)系。
專家可以在三重表征之間隨意轉(zhuǎn)換，而且可能是自發(fā)進(jìn)行的，而學(xué)生的三重表征轉(zhuǎn)換就困難得多。盡管如此，由于三重表征提供了科學(xué)概念不同水平上的信息，對(duì)概念理解是極其重要的，學(xué)生應(yīng)努力建構(gòu)起三重表征的內(nèi)在聯(lián)系，增進(jìn)對(duì)科學(xué)概念的理解。
二、中學(xué)生化學(xué)反應(yīng)三重表征困難產(chǎn)生的原因
從學(xué)生自身角度來看，三重表征困難的一個(gè)原因是，學(xué)生的思維受到他們已有的宏觀經(jīng)驗(yàn)的強(qiáng)烈影響，從而無法理解微觀表征，如，_滴水里含有大量的水分子，這些分子竟然在不斷運(yùn)動(dòng)著，這對(duì)于初學(xué)者來說很難接受；第二個(gè)原因是，他們有限的概念性知識(shí)和貧乏的空間想象能力，導(dǎo)致學(xué)生經(jīng)常不能將_種表征轉(zhuǎn)化為另_種表征。
本文主要討論化學(xué)反應(yīng)三重表征困難產(chǎn)生的外部因素，這是因?yàn)橥獠恳蛩乜梢栽诮虒W(xué)實(shí)踐中進(jìn)行可行性設(shè)計(jì)，對(duì)教學(xué)實(shí)踐更有啟發(fā)意義。
1微觀世界的抽象性
微觀表征關(guān)注的世界是一個(gè)不可視的世界，只能通過想象來觸及。由于學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)有限，缺乏空間想象能力，對(duì)微觀粒子的表征就很困難，很容易將宏觀性質(zhì)直接遷移過去，如，認(rèn)為微觀粒子有顏色、是連續(xù)的、有生命、不同狀態(tài)下質(zhì)量不同大小可變等。由于缺乏宏觀經(jīng)驗(yàn)的支持，學(xué)生的微觀表征就顯得異常困難。盡管存在各種模型和動(dòng)畫模擬等可視化教學(xué)的幫助，但大量研究顯示，學(xué)生對(duì)微觀世界的理解還是存有大量的相異構(gòu)想，過去二十年間化學(xué)教育文獻(xiàn)的研究熱點(diǎn)就是對(duì)學(xué)生相異構(gòu)想的探查，其中相當(dāng)部分的內(nèi)容集中在微觀表征上，由此可見，學(xué)生微觀表征的困難程度。
現(xiàn)代化學(xué)的重要特征之_，就是將微觀粒子間的相互作用模型作為解釋理論的基礎(chǔ)，這些粒子帶有科學(xué)猜想的性質(zhì)。對(duì)學(xué)生來說，粒子這個(gè)詞有_定的誤導(dǎo)性，學(xué)生可能把糖和鹽的細(xì)粒當(dāng)作教師提到的粒子，而不是相當(dāng)小空間水平內(nèi)的假定粒子。這些微觀水平上的粒子是分子、原子和電子等等，這些粒子存在空間如此之小以致量子效應(yīng)（對(duì)可以直接觀察的粒子來說是微不足道的變得非常顯著，這些“量子物質(zhì)”擁有屬性的方式和我們熟悉的宏觀粒子擁有屬性的方式有很大不同，它是解釋化學(xué)的微粒模型的一個(gè)有力證據(jù)。量子物質(zhì)不是堅(jiān)硬的難以穿透的有鋒利邊緣的實(shí)體，而是帶有量子規(guī)則模型化了的屬性的很多模糊區(qū)域。對(duì)化學(xué)反應(yīng)宏觀表征的解釋都是借助于這些微觀粒子的行為來解釋的，在科學(xué)上，微粒模型具有真實(shí)的和重大的解釋價(jià)值。
眾所周知，這種微觀表征模型的使用對(duì)許多學(xué)生來說具有很大的挑戰(zhàn)性，他們不能完全理解量子物質(zhì)顯著不同于熟悉的宏觀粒子屬性，學(xué)生通常采用一種虛假的解釋，這可能與中學(xué)生理解科學(xué)模型和科學(xué)本質(zhì)的水平有限有關(guān)系，即使是大學(xué)生也可能沒有形成有效思考微觀世界所需的心智模型?。
(二教材編制的局限性
教材的編制和內(nèi)容呈現(xiàn)具有1定的局限性，這嚴(yán)重影響了學(xué)生化學(xué)反應(yīng)三重表征的建構(gòu)。
首先，教材對(duì)有些知識(shí)的論述不是很明確，如，對(duì)原子的論述就是典型的例子。沒有人能說明原子是什么或者原子像什么，雖然通過原子級(jí)顯微鏡我們看到了金色的原子1個(gè)挨著_個(gè)一但是原子級(jí)顯微鏡的輸出結(jié)果是它自己的模型應(yīng)用的結(jié)果。很多教科書回避了原子是或像什么這個(gè)尷尬問題，只給出了關(guān)于原子性質(zhì)的論述，那么，學(xué)生很容易認(rèn)同教材中畫出的原子圖像就是原子本來的樣子。對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的描述也存在類似的局限性。
其次，文本、圖表或圖形的使用存在問題。如，教材中有的圖是這樣畫的：在一燒杯水中僅畫了幾個(gè)液態(tài)水分子，這會(huì)使得學(xué)生認(rèn)為_燒杯水中只含有那么多個(gè)水分子，而這種理解在學(xué)生看來是很自然的，因?yàn)樗麄兛吹降木褪沁@樣，和宏觀經(jīng)驗(yàn)是吻合的。在印刷的紙張上不能描繪一燒杯水中大量的水分子，這是文本編制與生俱來的問題。如果文本不對(duì)此作出說明或解釋，那么，學(xué)生就很容易產(chǎn)生相異構(gòu)想。
再次，教材內(nèi)容不能很好地體現(xiàn)微粒的立體性和化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)性?；瘜W(xué)微粒是立體的，化學(xué)反應(yīng)是動(dòng)態(tài)的，但是落實(shí)到教材文本中，只能以二維的和靜態(tài)的方式呈現(xiàn)，這是教材文本印刷難以克服的局限性。
三化學(xué)符號(hào)的復(fù)雜性
符號(hào)表征包含著大量的信息，初學(xué)者對(duì)其理解起來非常困難，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)更是如此。我們通常用化學(xué)方程式來表征_個(gè)化學(xué)反應(yīng)，這個(gè)方程式里內(nèi)含著大量的信息，包括_些抽象的概念，如元素、化合價(jià)、電負(fù)性、化學(xué)反應(yīng)、能量等，還包括_些普適性的書寫規(guī)則，如分子式的書寫規(guī)則、方程式的配平規(guī)則、離子式的書寫規(guī)則等?；瘜W(xué)符號(hào)本身就是人為表征的，因此，對(duì)學(xué)生而言，它更像是_些無意義的音節(jié)，要熟記這些復(fù)雜的符號(hào)系統(tǒng)，的確是非常困難的。更何況，化學(xué)符號(hào)表征的還是-些學(xué)生本身就覺得學(xué)習(xí)困難的知識(shí)。
為了使符號(hào)表征有意義，教師必須花費(fèi)大量時(shí)間讓學(xué)生熟知符號(hào)的含義，熟練掌握化學(xué)方程式的書寫規(guī)則，從一開始就注重從三重表征的角度建構(gòu)符號(hào)表征的意義。符號(hào)表征的意義在于，它是一種非常有利的交流工具，_旦建構(gòu)起正確的符號(hào)表征，就會(huì)便利我們快速地、有效地交流，并有助于我們?cè)谌乇碚鏖g的思維轉(zhuǎn)換。
因此，在教授符號(hào)表征的時(shí)候，教師應(yīng)清晰地認(rèn)識(shí)到：（1和專家相比，學(xué)生的符號(hào)表征能力不如專家有效；（2使用符號(hào)表征的方式可能增加感知的復(fù)雜性和任務(wù)認(rèn)知需求的復(fù)雜性；（3考慮化學(xué)符號(hào)指向?qū)ο笫欠袷悄：?，如果真是這樣，要明確符號(hào)在任1點(diǎn)元素、物質(zhì)、分子、原子等上的含義，注意方程式中符號(hào)使用的貫性。
四化學(xué)三重表征教學(xué)的困難性
化學(xué)教育的一個(gè)難題是，宏觀表征模型本質(zhì)上是連續(xù)性的，而微觀表征模型本質(zhì)上是分離的，如，氣體的流動(dòng)宏觀來看是連續(xù)的，而從微觀本質(zhì)上看氣體分子的行為是分離的。建立宏觀表征和微觀表征的聯(lián)系需要理解微觀世界的粒子是極小的。對(duì)于“粒子”微?！边@樣的主題詞，學(xué)生早就接觸過，因此，學(xué)生會(huì)借助已有的理解解釋微觀世界中的粒子行為。教師如果不注意聯(lián)系學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)，借助于宏觀表征和微觀表征的聯(lián)系進(jìn)行教學(xué)，很容易造成學(xué)生理解上的困惑。
如，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)是有新物質(zhì)的產(chǎn)生，對(duì)于什么是新物質(zhì)是從微觀水平上進(jìn)行判斷的，是我們應(yīng)用了微觀模型的結(jié)果。而從可觀測(cè)的宏觀表征上來看，新物質(zhì)就是明顯不同于原來的物質(zhì)，對(duì)于學(xué)生來講，冰融化為水也是_種新物質(zhì)，盡管在化學(xué)上它們具有相同的結(jié)構(gòu)，但宏觀來看，物理變化產(chǎn)生的新物質(zhì)就像1些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的新物質(zhì)那樣引人注目。很多化學(xué)方程式對(duì)于學(xué)生判斷是化學(xué)變化還是物理變化是有幫助的，因?yàn)樗鼈兛梢越沂疚镔|(zhì)的微觀粒子的行為，但文獻(xiàn)顯示，也有很多化學(xué)方程式對(duì)于學(xué)生的判斷幫助不大。如，對(duì)于碳酸鈣加熱生成氧化鈣和二氧化碳的反應(yīng)而言，很多學(xué)生不認(rèn)為這是1個(gè)化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)樘妓徕}沒有和任何物質(zhì)反應(yīng)。另外，一些學(xué)生將加熱看作是1種物質(zhì)，認(rèn)為碳酸鈣和熱發(fā)生了反應(yīng)。這可能是曰常生活中“反應(yīng)”的意思對(duì)理解化學(xué)術(shù)語的不利影響。
有研究者總結(jié)了化學(xué)教學(xué)導(dǎo)致三重表征的困難表現(xiàn)為三方面：（1化學(xué)教學(xué)中教師簡單強(qiáng)調(diào)符號(hào)表征和問題解決而不重視宏觀現(xiàn)象和微觀表征的聯(lián)系；（2化學(xué)教學(xué)中教師不能很好地結(jié)合宏觀、微觀和符號(hào)表征，使學(xué)生長時(shí)記憶中的信息分散零亂，不能系統(tǒng)全面地對(duì)化學(xué)知識(shí)進(jìn)行理解；（3片面、機(jī)械地強(qiáng)調(diào)宏觀、微觀和符號(hào)三種表征，而不能夠?qū)⑵渑c學(xué)生的曰常生活聯(lián)系在_起，學(xué)生無法達(dá)到深刻的理解。
五化學(xué)方程式配平的數(shù)學(xué)化
對(duì)于中學(xué)階段化學(xué)反應(yīng)的學(xué)習(xí)而言，熟練配平化學(xué)方程式是學(xué)生要達(dá)到的一個(gè)重要學(xué)習(xí)目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這_目標(biāo)，教育工作者研究了很多方法幫助學(xué)生熟練配平方程式，其中很多方法就是借助于數(shù)學(xué)或計(jì)算機(jī)程序。如，布拉克利Blakley證明了幾乎每-個(gè)化學(xué)方程式都能用線性代數(shù)的Fotoan程序配平。盡管用數(shù)學(xué)的方法能正確地配平化學(xué)方程式，但正如科爾布Kib所說，反應(yīng)物和產(chǎn)物在化學(xué)上真的是不同的物質(zhì)，化學(xué)方程式不像一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式，因此，它們不能在數(shù)學(xué)的感覺上等同起來，忽略數(shù)學(xué)上和化學(xué)方程式之間的細(xì)微差別增加了概念性錯(cuò)誤的可能性。?已有研究表明，學(xué)生即使正確地配平了化學(xué)方程式，他們也不一定理解已配平的化學(xué)方程式的含義。用數(shù)學(xué)方式配平化學(xué)方程式導(dǎo)致了學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的忽略，從而導(dǎo)致了學(xué)生的很多相異構(gòu)想的產(chǎn)生。出于對(duì)這種狀況的反思，很多研究者認(rèn)為，教師要幫助學(xué)生理解化學(xué)方程式的意義，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用化學(xué)的方式正確配平化學(xué)方程式。目前，國外在這方面的研究大都集中在探查學(xué)生配平化學(xué)方程式過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤及其相關(guān)教學(xué)建議上。
國內(nèi)有關(guān)配平化學(xué)方程式的教學(xué)研究主要是總結(jié)化學(xué)方程式配平的方法，或針對(duì)某類特定的化學(xué)反應(yīng)方程式的配平進(jìn)行具體研究，[14]目前，我國化學(xué)教學(xué)中仍然隨處可見各種各樣配平的口訣?？梢哉f，我國在配平化學(xué)方程式的教學(xué)上，許多教師并不以理解化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，而是以數(shù)學(xué)的方式配平，訓(xùn)練學(xué)生配平技巧的成分很大。如此導(dǎo)致的結(jié)果是，學(xué)生可能會(huì)用數(shù)學(xué)化的方法配平化學(xué)方程式，但不理解化學(xué)方程式所代表的含義，從而出現(xiàn)對(duì)化學(xué)方程式本質(zhì)的理解困難。