基于CASES-T模型凸显化学学科价值*——以“化学平衡常数”教学为例

朱少娇

（广东华侨中学 广东 广州 510000）

培养学科核心素养离不开学科知识，然而，仅仅传授学科知识却无法达成素养目标。从学科知识到核心素养之间需要搭建知识载体才能顺利过渡，这个知识载体就是真实问题情境。课堂呈现的情境越真实，越接近原始探索知识的过程，学生就越能体会到知识的现实意义，更容易自然而然地内化知识。真实STSE问题、实验探究活动、化学史实都是有价值的情境素材，是联结知识和素养的有效载体。

郑长龙教授提出CASES-T模型是化学课堂教学系统的构造模型，见图1。［1］其中，“情境”回答在什么氛围下学的问题，可分为两种情况：第一种是建构性化学学习情境，意在帮助学生建构化学学科的核心概念和基本观念。第二种是迁移性化学学习情境，主要帮助学生学以致用，运用所建构的化学核心概念和学科基本观念解决实际问题。

图1 CASES-T模型

本文意图给学生创设迁移性化学学习情境，即将平衡常数的教学融入氢燃料电池车的制氢方式选择这一真实STSE问题情境中，充分激发学生认知需求，明确平衡常数概念，同时将平衡常数这一核心概念的迁移和应用与制氢反应的选择这一真实问题解决过程有机结合起来，使学生充分感受平衡常数用于表征反应限度，判断平衡移动方向、预测平衡状态的功能价值，感受平衡常数用于选择反应和调控反应的重要应用价值，同时进一步发展学生的“变化观念与平衡思想”素养。

一、教学内容分析

化学平衡常数是人教版高中化学选择性必修1第二章第二节的第二部分内容。本节课的内容是建立定量描述平衡状态的数学模型——平衡常数，以及运用平衡常数和浓度商判断反应状态及平衡移动方向。

2017版新课标对化学平衡常数的内容要求如下：认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量，知道化学平衡常数的含义，了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向的联系。［2］

学习平衡常数知识可以增进学生对化学平衡状态和基于勒夏特列原理的平衡移动规律的理解，为学生提供分析平衡移动问题的新思路和方法，从定量的角度进一步培养学生“变化观念与平衡思想”素养。此外，平衡常数这一节内容所构建的定量表征反应限度的认知模型，对后续章节中水的离子积、弱电解质的电离平衡常数以及难溶电解质的溶度积的学习和理解会有很大的帮助。

学生对化学平衡的认识呈现从无到有，从静态到动态，从定性到定量的思维进阶。初中阶段，学生对化学反应的认识还不存在“反应限度”这一角度。必修阶段，由于可逆反应的出现，学生初步建立了“化学反应限度”这一认识角度，但仅局限于“可逆反应是有限度的，在一定条件下可逆反应达到反应限度时即化学平衡状态”这一定性认识阶段，学生此时只能分析达平衡状态的化学反应特征，对化学反应限度的认识处于静态的认识阶段。选择性必修阶段，主要发展学生对化学平衡认识的动态、定量思维，丰富学生对化学平衡认识的角度，包括会用K定量表征反应的限度、用Qc和K的关系判断平衡移动的方向、用K来预测平衡状态。

二、素养目标设计

目标1：通过提出驱动性任务“为电动汽车燃料电池所需氢气选择制备反应”，驱动学生对平衡常数的内在认识需求。

目标2：通过了解K的建构过程，同时对教材2-1表格数据的处理和分析，认识平衡常数的表达式、意义、与浓度商Qc的关系以及影响因素，逐步培养“证据推理与模型认知”素养。

目标3：结合工业制氢的两个反应在不同温度下的平衡常数数据，解决情境任务，体会平衡常数用于表征反应限度，判断平衡移动方向、预测平衡状态的功能价值，感受平衡常数应用于选择反应和调控反应的重要价值，培养“变化观念与平衡思想”素养。

三、教学思路及流程

图2 教学思路及流程

四、教学片段精选

1.感知平衡常数

情境任务：图3是氢燃料电池车的架构，它采用氢氧燃料电池作为动力来源。充氢3min，续航650km，它被称作是新能源车的终极目标。氢燃料电池车上需要储存氢气作为发电能源，科学家正研究2种制备氢气的方法，水煤气制氢和甲醇水蒸气制氢。假如投入的起始量相同，为了得到更多的氢气来为电动汽车中的燃料电池提供原料，你会选择哪个反应来制氢气，你是从什么角度来考虑的呢？

图3 情境任务：氢燃料电池车及其燃料电池构造

【学生1】反应①，因为反应是放热反应，热量可以加以利用。

【学生2】反应②，因为理论上每摩尔的甲醇反应可以得到3摩尔的氢气，比一氧化碳的多。

【学生3】这两个反应都是可逆反应，不同反应的限度不一样，不能只根据方程式来判断氢气产量。

过渡：我们迫切需要知道这两个反应的限度，才好比较。学完今天的内容，我们就能多一个角度来解决这个问题。上面的反应比较复杂，我们从一个简单的反应入手，先来研究反应的限度。

【问题1】表1中可知，每一次实验的条件是什么？

表1 I（2g）+H（2g）2H（Ig）ΔH=-9.48kJ/mol在457.6℃时反应体系中各物质浓度

表1 I（2g）+H（2g）2H（Ig）ΔH=-9.48kJ/mol在457.6℃时反应体系中各物质浓度

反应温度457.6℃457.6℃457.6℃457.6℃起始浓度mol/L c（H2）1.197×10-2 1.228×10-2 0 0 c（I2）6.944×10-3 9.964×10-3 0 0 c（HI）0 0 1.52×10-2 1.287×10-2平衡浓度mol/L c（H2）5.617×10-3 3.841×10-3 1.696×10-3 1.433×10-3 c（I2）5.94×10-4 1.524×10-3 1.696×10-3 1.433×10-3 c（HI）1.270×10-2 1.687×10-2 1.181×10-2 1.000×10-2用各物质平衡浓度进行以下计算c2（HI）/［c（H2）·c（I2）］

【问题2】这些实验都达到了平衡，但是各平衡状态的物质浓度却并不相同。科学家想寻找这些平衡状态之间的联系，如果找到了它们之间的联系就可以预测改变投料后的新平衡状态，例如457.6℃时，向体积为1L的密闭容器中充入1molH2和1molI2，平衡时各物质的浓度分别是多少？如果可以预测平衡状态，就可以预测产量，实现工业生产的计划性。

【问题3】科学家经过苦苦寻找，尝试计算了很多比例式，最终发现用平衡时各物质的浓度代入的值存在联系，其中，分母是各反应物平衡浓度的积，分子是生成物平衡浓度的2次方（对应方程式中HI前的系数为2），分子也可以理解为生成物HI和HI的平衡浓度之积。下面大家分组计算四个实验的值，看看有什么联系。

【学生】分小组计算，得出结论。再尝试写出几个具体反应的平衡常数表达式，推广到一般式。

2.认识平衡常数

（1）平衡常数K有什么用？

思考与讨论1：根据定义式，你认为K值的大小反映了什么问题？

【学生】讨论得出：K值越大，说明平衡体系中生成物所占比例越大，它的正向反应进行的程度越大，即该反应进行得越完全，反之亦然。

【教师】Cl2和Br2与氢气化合成卤化氢的平衡常数表达式与反应很相似，是同一种类型，请用平衡常数来解释氢化物稳定性：HCl＞HBr＞HI。（25℃时

【学生1】K越大，HX越稳定。（单从数据得出，没有理解K的意义）

【教师】追问：为什么K越大，HX越稳定？

【学生2】K越大，卤素单质与氢气的化合反应正向反应进行的程度越大……也就是逆向进行的程度越小，意味着HX越不容易分解，越稳定。

【教师】追问：你是怎么推断出K越大，正向反应进行的程度越大？

【学生2】因为K越大，说明生成物的浓度之积越大，也就是生成物的浓度越大，反应进行的程度就越大。

【教师】一般来说，如果一个反应的平衡常数大于105，通常可以认为反应进行得比较完全。上述三个反应中，前两个反应可以认为进行得比较完全，所以我们也可以不写可逆符号，直接写等号，而第三个反应我们一般会写可逆符号。

思考与讨论2：反应未达平衡时，是否存在此比例数值？

【教师】我们在实际生产过程中，如何确定一个反应已经达到限度了？

【学生1】压强不变了。

【教师】对于气体分子数不改变的反应，压强不能作为判断平衡的标志。

【学生2】颜色不变了。

【教师】对于反应前后无颜色变化的反应，颜色不能作为判断平衡的标志。

【学生3】速率不变。

【教师】测速率要测Δc和时间，还不如直接测浓度。

【学生4】那就测各物质浓度，浓度不再改变时就平衡。

【教师】测几次？

【学生4】至少2-3次，测到不变为止。

【教师】如果这个反应要一个多月才到达限度，那怎么办？

【学生4】只能一直测了。

【教师】这样虽然最终能达到目的，但效率太低了。而且下一次生产时要扩大生产，相同温度下投料不同，又有新的平衡状态，这么辛苦测来的数据下次又不可再利用。实际生产过程中不可能频繁地测各物质的浓度，有什么其他的好办法呢？

【学生】平衡状态不同，但是每次的K值都一样。

【教师】反应未达平衡时，是否存在此比例数值？

【学生】反应未达平衡时，也存在此比例数值，此数值不等于K。

【教师】我们把任意时刻该比例数值称作浓度商，用Qc表示，c代表浓度。计算实验①②起始浓度时的Qc，我们发现其值为0；计算实验③④起始浓度时的Qc，我们发现其值为无穷大；达平衡时Qc的值为48.5，刚好等于平衡常数K。通过Qc与平衡常数K相比较，可以用于判断反应是否达到平衡状态。请预测它们之间的大小与平衡状态的关系？

学生分小组讨论，得出结论：

Qc＜K时，反应向正反应方向进行；

Qc=K时，反应达到平衡状态；

Qc＞K时，反应向逆反应方向进行。

【教师】回到我们刚刚的问题，在实际生产过程中，我们怎样评估一个反应是否达平衡呢？

【学生】测出任意时刻的Qc，跟K进行对比，看是否平衡。

【教师】很好，而且如果我们发现Qc与K比较接近了，说明反应进行得差不多了；有时反应很慢，但Qc与K相差甚远，则说明还有很多原料可以利用，我们可以想办法提高反应速率，而不会错以为反应快到达限度。

师生共同总结提升：从表1中数据还可以看到，同一温度下，不同的起始状态，对应着不同的平衡状态，这些平衡状态都有相同的浓度商。平衡状态下的浓度商就是化学平衡常数，如图4。

图4 起始状态、平衡状态与平衡常数之间的关系图

得知了平衡常数的数据，我们就可以用起始浓度来预测新的平衡状态。例如800℃时，可逆反应CO（g）+的K=1，向体积为1L的密闭容器中充入2molCO和2molH2O，平衡时各物质的浓度分别是多少？

（2）平衡常数K会不会改变？

【教师】请根据表2数据，计算425.6℃时该反应的平衡常数，你发现了什么？上述表格体现了平衡常数K受什么条件影响？不受哪些因素影响？

表2 I（2g）+H（2g2H（Ig）ΔH=-9.48kJ/mol反应体系中各物质浓度

表2 I（2g）+H（2g2H（Ig）ΔH=-9.48kJ/mol反应体系中各物质浓度

反应温度/℃457.6 457.6 457.6 457.6 457.6 425.6催化剂无无无无有无起始浓度mol/L c（H2）1.197×10-2 1.228×10-2 0 0 0 1.067×10-2 c（I2）6.944×10-3 9.964×10-3 0 0 0 1.196×10-2 c（HI）0 0 1.52×10-2 1.287×10-2 1.287×10-2 0平衡浓度mol/L c（H2）5.617×10-3 3.841×10-3 1.696×10-3 1.433×10-3 1.433×10-3 1.831×10-3 c（I2）5.94×10-4 1.524×10-3 1.696×10-3 1.433×10-3 1.433×10-3 3.129×10-3 c（HI）1.270×10-2 1.687×10-2 1.181×10-2 1.000×10-2 1.000×10-2 1.767×10-2化学平衡常数K 48.3 48.6 48.5 48.7 48.7 54.3

【学生1】平衡常数K的大小受温度影响。

【学生2】平衡常数K不受到反应物起始浓度、平衡建立的方向、有无催化剂等因素影响。

【教师】请根据表3数据，描述平衡常数K与反应温度之间的关系。

表3 两个制氢反应在各个温度下的化学平衡常数［3］

【学生3】对于放热反应，反应温度越高，化学平衡常数K越小；对于吸热反应，反应温度越高，化学平衡常数K越大。

3.应用平衡常数

（1）运用K选择反应

【教师】假如投入的起始量都是1mol，为了得到更多的氢气来为电动汽车中的燃料电池提供原料，你会选择用哪个反应制备氢气呢？请说明你的理由。

小结学生回答的角度：

Ⅰ.从节能的角度，选反应①，温度为125℃时K的值比反应②大，反应进行程度大；

Ⅱ.从速率的角度看，温度稍高些有利于提高反应的速率，选反应②。因为在225℃左右的反应②的平衡常数远比反应①大，该温度时反应正向进行的程度比反应①大很多，相同的起始量可以更快得到更多的氢气。

Ⅲ.从反应进行的限度看，选反应②，反应②在200～300℃平衡常数接近105，反应进行得比较彻底，原料利用率高且可以得到更多的氢气。

……

（2）运用K调控反应

【教师】假如选择反应②来制取氢，为了得到更多的氢气，你会采取哪些措施？

小结学生回答的角度：

Ⅰ.直接升温，通过增大K值提高反应的限度，以获得更多氢气。

Ⅱ.可以采取减压的方式，使Qc小于K，促使反应正向进行，以获得更多氢气。

Ⅲ.移除生成物，使Qc小于K，促使反应正向移动，以获得更多氢气。

Ⅳ.增加水蒸气的量，使Qc小于K，促使反应正向移动，以获得更多氢气。

……

五、教学效果与反思

本课通过给学生创设氢燃料电池车选择制氢方式这一迁移性情境任务，充分激发了学生的认知需求，让学生带着任务学习和认识平衡常数，不再是被动地进行数据分析处理，被老师牵着鼻子走，变被动学习为主动求知。

学生在感知平衡常数的过程中，通过了解科学家提出平衡常数模型的历程，由现实的局限性体会到平衡常数模型提出的必要性，进一步激发对平衡常数的认知动力。

在探索平衡常数“有什么用”、“会不会变”的过程中，通过三个“思考”的讨论、感悟、小结、升华，深度认识平衡常数的概念，进一步完善平衡常数模型的建构，学生逐步建立从定量、动态的角度认识化学平衡。

在应用平衡常数环节，学生讨论并完成迁移性真实情境的两大任务，在解决情境任务的过程中，学生表现出了极大的积极性。学生在思考、运用所学知识选择制氢反应的过程中，能从多角度对选择进行讨论，给出了多角度的观点和解决方案，较全面地运用了前面所构建的平衡常数概念模型解决真实问题。同时，在考虑如何获得更多氢气的措施中，有不少学生能学以致用，能从Qc与K关系的角度、K与温度的关系的角度去思考提高产率的办法。在讨论和交流的过程中，学生学会了从平衡常数这一定量的新角度来选择反应、判断反应和调控反应，很好地完成了素养目标。

总的来说，本设计选择了给氢燃料电池车选择制氢反应这一STSE真实情境作为迁移性化学学习情境素材，为平衡常数概念知识与“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”等核心素养之间搭建了有效的知识载体，使学生充分感受到平衡常数用于表征反应限度、判断平衡移动方向、预测平衡状态的功能价值，体会到平衡常数用于选择反应和调控反应的重要应用价值。