信息获取与加工视角下的化学平衡“数—图”模型认知研究

［摘 要］信息获取与加工能力是普通高中化学学业测评的重要维度。在化学平衡理论建构及问题解决过程中，将化学微观信息转化为“数—图”模型是不可或缺的一环。组织学生亲历基于实验或模拟数据的化学平衡“数—图”模型的建构过程，并提炼特定情境中化学平衡“数—图”信息的获取与加工策略，可以有效促进学生对化学平衡本质的理解和相关问题解决能力的提升。

［关键词］信息获取与加工；化学平衡；“数—图”模型；模型认知

［中图分类号］    G633.8                ［文献标识码］    A                ［文章编号］    1674-6058（2025）05-0052-06

化学平衡是可逆反应中客观存在的微观现象，通过数学建模和图像绘制可以建构可逆反应的微观过程模型。然而，在实际教学中，教师多采用传统教学法讲授勒夏特列原理来解决化学平衡问题，这导致学生缺少建构化学平衡“数—图”模型的实践训练和能力培养。本文首先介绍化学平衡“数—图”模型的建构历程，并在此基础上分类和提炼化学平衡“数—图”模型信息的获取及加工策略，为减轻师生教学负荷提供有益参考。

一、化学平衡“数—图”模型的建构历程

（一）气态体系——基于数据信息建构基础模型

1.化学平衡常数计量模型的建构

在500 ℃下，使用催化剂在一个密闭容器中进行合成氨的实验。通过改变初始浓度，测定达到平衡态时氢气、氮气和氨气的浓度来进行数据分析与探索，建构化学平衡常数的计量模型（如表1）。

表1的数据表明，同一温度下的化学平衡常数K是一个定值，因此，化学平衡常数是温度函数，其大小不随反应物浓度的变化而改变。由此可推知化学平衡常数的基础模型（Kc或Kp），即以化学计量数为指数的浓度商（Q）。

2.转化率与化学平衡常数的关系

生产实践的数据分析表明，当反应温度固定在490～500 ℃时，空速、氢氮比与合成氨转化率之间是一个三维曲面关系。当空速为16000～16500 Nm3·h-1，氢氮比为2.9～3.1时，合成氨的转化率为13.5%～15.5%，生产达到最优状态[1]。利用三段式计算方法，可大致计算出1 L密闭容器中，氢氮比为3∶1时的平衡浓度，并据此进一步揭示平衡常数的基本特性。相关数据如表2所示。

表2数据表明：①当转化率（[α]）为15.5%且不再增大时，化学反应达到平衡，此时Q=K≈0.007；②外界条件不变时，可逆反应是有限度的，描述反应限度的统计量为最大转化率或平衡常数；③在一定温度下的特定反应，若平衡转化率较高，其平衡常数值也相应较大，但这并不意味着平衡常数与转化率之间有明确的数学关系。因为转化率还受到其他因素的影响，如压强、升温速率、杂质、产物分离方法等。化学平衡常数的存在表明，在可逆反应体系中反应物的转化率不可能达到100%。因此，只能用质量守恒定律来计算消耗及生成部分的质量或物质的量。

综合表1和表2的数据分析，可得出如图1所示的认知模型。

至此，学生初步通过数据探索建构了较为直观的化学平衡定量思维模型。若能进一步结合定性理论模型进行分析，学生的理解将更为深入透彻。

（二）溶液体系——建构基于“分布系数-pH”曲线图的拓展模型

基于化学平衡的基础模型，师生可共同推导出多元弱酸中非水微粒的分布系数计算公式：

根据表3数据，可做出如图2所示的微粒分布曲线图。同样的方法，可做出如图3所示的H2SO3溶液微粒分布曲线图。

基于上述数据信息图示可发现、预测及拓展以下应用：

对图5所示的滴定曲线进行观察，可提出一系列值得探讨的问题。例如，起点（0，2）代表什么含义？突跃线段的长度或陡峭程度与哪些因素有关？常见的酸碱指示剂能否指示磷酸滴定的终点？调控pH的方法还有哪些？滴定过程中的“起点”“中性点”“半点”“中和点”分别位于曲线的什么位置？等等。

为了更具体地说明这些问题，下面以标准碱液滴定一元弱酸为例，其起点、中性点、半点、中和点（终点）的化学微粒变化信息如表4～表7所示。

对曲线信息的获取，需要一种基于好奇心和关联思维的持续追问精神。这种追问精神作为学习的内在驱动力，能够有效地促进经验、知识、观念、态度及能力等要素向学科核心素养的转化。

学生经历了上述数据处理、图示表征、实验验证等活动之后，从根本上形成了化学平衡“数—图”信息获取及加工的基本素养。这为他们后续自主探究沉淀溶解平衡时，进行算法模型建构、曲线表征、“数—图”信息关联理解、“图—图”信息关联理解等提供了学习经验和奠定了学习能力基础；也为他们解决学业水平测试情境中的信息获取与加工、逻辑推理与运算、创新实践及科学建构等问题提供了坚实的经验、知识、观念和能力支撑。在面对挑战时，学生不再因基础素养不牢固而出现“风雨飘摇”“信念失灵”的状况，从而更加自信地应对各种学习情况。

二、特定情境中的化学平衡“数—图”信息获取与加工策略

问题解决情境中的信息可分为支持性信息、限定性信息、明示性信息、隐蔽性信息和默认性信息等五种类型。通过合理调控这五种不同类型的信息，可有效测试或训练学生的信息素养。同时，利用信息分类与调控图（如图6），亦可分析任何一道学业水平测试题中的信息类别及信息量。

2.可迁移观念的建构

观念1    纯水电离和盐类水解的本质均是促进水的分解反应，这两个过程均为吸热过程。

观念2    多重变量协同作用引发的pH变化图线通常为曲线形态。以纯水升温为例，c（H+）=[KW]，pH= - lg[KW]，pH变化图线为曲线形态。

观念3    反向变化趋势，谁大显谁性。例如，CH3COONa溶液升温时，KW的增大效应大于c（OH−）的增大效应，导致溶液碱性增大的同时c（H+）也增大，从而使得pH随着温度的升高而减小。

观念4    建构自洽性良好的“数—图”信息解释模型，是解决同类问题的关键。这既需要具备必备的化学知识，又需要具备推理能力，两者缺一不可。

上述观念可以根据不同观察者的理解和经验进行添加或整合。观念抽提在解决类似问题或进行远迁移时具有较强的支持功能。

上述实例表明，观念抽提的过程是问题解决成功之后的再学习过程。这个过程中，需要调用系统思维、抽象思维和价值判断能力。系统思维指向对整个问题解决过程中信息获取与加工方式的整体认知；抽象思维指向超越事实本身的规律发现、策略提取或经验总结；价值判断指向问题解决过程中最具迁移功能的思维节点或思维方式。对于教师而言，观念抽提能力反映了其对教学内容的深化与拓展水平。教师对教学内容的深化与拓展水平，直接关乎其教学方法的应用效果。对于学生而言，观念抽提是一种指向能力提升的反思性学习过程。学业水平较高的学生，往往能够在潜移默化中习得观念性知识；而学业水平较弱的学生，则需要通过教师组织和引导下的观念外显化教学来习得可迁移观念。

三、小结与探讨

从信息获取与加工能力培养的视角出发，建构化学平衡“数—图”模型认知方式的教学具有重要的理论意义和实践价值：一方面，通过亲历实验或模拟数据建构化学平衡基础模型，为师生建立化学平衡知识的本源性理解及亲和性学习情感奠定了基础。另一方面，基于复杂问题解决的信息分类分析、信息缺损应对策略、“五阶双环”问题解决一般模型、观念抽提及其迁移应用等教学方法，为提升学生解决化学平衡类问题的成功率和成就感提供了有力支持。

然而，本研究仍存在如下问题需要进一步探索：如何将数字化实验研究的已有成果整合到基础模型的建构之中？如何进一步提升问题解决情境的真实性、科技前沿性和实践创新性？如何对化学平衡“数—图”模型中的信息加以系统分类，并探寻类别之间的进阶关系和可迁移观念？

［   参   考   文   献   ］

[1]  叶赤球，杨伍军，赵志刚.30万t/a合成氨装置等温变换工艺技术总结[J].氮肥技术，2016，37（6）：22-25.

[2]  李海春.分布系数在电解质溶液中的应用[J].教学考试，2020（41）：71-73.

（责任编辑    罗    艳）