一种评量学生对化学平衡观念精熟度的方法

2020-06-14    收藏260
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学生在学习化学平衡时,经常对于一些重要的概念产生混淆,诸如化学反应的可逆性 (reversibility);反应平衡时是反应完成或是终结?平衡是静态 (static) 或动态 (dynamic);平衡是否在振荡 (oscillating) 后完成…等,以致造成后续的学习困扰。有经验的教师在教导这些章节时,均会利用各种方法,以强化这些概念,并釐清迷思,更辅以评量试题,以诊断学生是否确实能精熟这些内容。但使用一般选择题的评量方式,很难看出学生选择某个选项后面的真正理由,无法得知产生迷失的所在。Marco Ghirardi 等作者曾提出以画出微观图像的评量方式(请参酌参考文献 4)做为替代方式,具有立即性的诊断效果,兹将其法引用于高中教学并介绍如后,供大家参酌。

现以高中化学常被提到的二个实例做说明,一为碳酸钙的加热分解反应,一为氯化亚钴溶液的变色实验。首先使用不同形状、颜色的简单图例,分别代表系统中各类物种的粒子,例如灰色的长方形为 $$\mathrm{CaCO_{3(s)}}$$、蓝色的圆圏为 $$\mathrm{CoCl^{2-}_4}$$、红色圆圏为 $$\mathrm{Co(H_2O)^{2+}_6}$$、星星代表异丙醇分子…等。接着要学生画出碳酸钙加热分解,如(式— 1)所示,分别在开放系统和密闭系统中的反应过程,以反应开始、反应中及反应完成的三幅微观图像呈现心中的想法。

$$\mathrm{CaCO_{3(s)}}\overset{\Delta}{\rightarrow}CaO_{(s)}+CO_{2(g)}$$ (式— 1)

学生会有许多不同的画法,以表达其心中所理解的反应过程及结果,老师能从其中看出其理解的程度及其误解的关键。图一及图二为参考答案,在(式— 1)的开放系统中分解碳酸钙,反应前如图一 (A) 只有碳酸钙存在,灰色的四方形只要画成聚集在一起即可、分成几堆也可以,但不能像气体一样四处飞扬,反应进行中如图 (B),有部分灰色的四方形转变为氧化钙的白色方形图例,尚有代表 $$\mathrm{CO_2}$$ 的红色圏圏生成,四处移动,有些飘至容器外头。至反应完成时,仅剩下白色方形物质,红色圏圏也几乎全数离开容器。

一种评量学生对化学平衡观念精熟度的方法

图一、碳酸钙在开放系统之分解反应过程示意图 (A) 反应前 (B) 反应中 (C) 反应完成。(作者绘製)

图二和图一最大的不同即前者为密闭系统,反应之前图二 (A) 的条件和前述开放系统完全一样,但反应进行中如图二 (B) 则不同,因为此时生成的二氧化碳无法离开容器,当反应完成时如图 (C) 中所示,所有系统中的物种均存在,固体物质沉积在底部,而气体则均匀分布在空气中。学生若能画出类似的图形则代表其可逆的关念已确立,此时请同学再画一幅,平衡后一段时间,系统中的微观图像,如果能画出类似 (C) 的模式,各粒子的总数不变,唯摆设的位置不同,则其动态平衡的概念已然确立,无庸置疑。

一种评量学生对化学平衡观念精熟度的方法

图二、碳酸钙在密闭系统中分解反应过程之微观示意图 (A) 反应前 (B) 反应中 (C) 反应完成。(作者绘製)

氯化亚钴溶于异丙醇后呈蓝色,属于非水溶液,水在此为反应物,当加入少量水时,溶液呈粉红色达到新平衡,如(式— 2)所示。

$$\mathrm{CoCl^{2-}_{4}+6H_2O\rightleftharpoons Co(H_2O)^{2+}_6+4Cl^-+heat}$$ (式— 2)

  蓝色                              粉红色

图三为氯化亚钴系统在反应前、反应中及达成平衡时的微观图像之一,评量学生的答案只要合乎下列几项条件即可。

一种评量学生对化学平衡观念精熟度的方法

图三、氯化亚钴平衡系统进行过程之微观示意图 (A) 反应前 (B) 反应中 (C) 反应完成。(作者绘製) 

其一、反应前即 (A) 图,代表异丙醇溶剂分子的星星图形,数量最多密布于容器中,而代表蓝色物质的圆圏及三角形的水分子较少,均匀分布在溶剂中。其二、反应中,如 (B) 图所示,有部分蓝色物质转成粉红色物质,蓝色物质居多数,此时有部分水分子消失,同时有代表氯离子的四方形生成,数量多少,不必要求太严格,唯需均匀分散。其三、反应完成时如 (C) 图,此时粉红色圏圏的数量比蓝色多,氯离子比 (B) 图更多,水分子更少,均匀分布。能合乎上列标準即表示通过评量。若要进一步测试,可在图 (C) 的状况下增添氯离子,询问学生其图像会如何改变?由图形的变化可以了解学生对勒沙特列原理的掌握程度。

在图二中如果固体没有画成聚集在一起或沉积底部,气体没有均匀的分布在容器各个角落,则代表学生对于固、气相物质的特性不了解。如果图二中所画的物种有一种完成消失,则代表学生对于可逆的观念尚不清楚,而平衡后画出的第一幅图像和第二图像完全一样,则学生可能对动态平衡的概念尚有迷失,只有在二幅图各物种的数量维持不变,而所在的位置变了,才是正确的理解。使用微观图像的评量方式,虽然没有传统选择题的方便和快速,学生的画法也会千奇百怪,但是教师恰恰可以藉此多元的表达方式,真正诊断出学生学习困难的徵结所在,并设法釐清及修正。另外,请学生上台分享个人的画法,也是一种变通的方式,可以消弥部分学生因不善于绘图的困扰,而使用口语叙说其心中的真正想法。


参考文献

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