化學(xué)計(jì)算的學(xué)科本質(zhì)及其教學(xué)

摘要：化學(xué)計(jì)算的本質(zhì)是對(duì)化學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)處理過(guò)程，即對(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的量化過(guò)程。傳統(tǒng)化學(xué)課程中將“化學(xué)計(jì)算”作為一項(xiàng)基本技能，過(guò)于注重程式化教學(xué)，學(xué)生過(guò)分依賴(lài)機(jī)械訓(xùn)練、反復(fù)練習(xí)，并沒(méi)有真正習(xí)得計(jì)算能力?；趯?duì)化學(xué)計(jì)算本質(zhì)的理解，在化學(xué)計(jì)算教學(xué)中教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的應(yīng)用情境，凸顯化學(xué)學(xué)科思維，并精心設(shè)計(jì)樣例學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)計(jì)算；學(xué)科本質(zhì)；樣例學(xué)習(xí)

文章編號(hào)：1005–6629（2013）10–0006–04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在化學(xué)學(xué)科發(fā)展的歷史進(jìn)程中，人類(lèi)對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)從定性深入到定量，是化學(xué)發(fā)展過(guò)程中的里程碑。正是通過(guò)對(duì)物質(zhì)的定量認(rèn)識(shí)和對(duì)化學(xué)變化的定量分析，人類(lèi)的化學(xué)思維水平上升到一個(gè)新的高度，化學(xué)學(xué)科發(fā)展有了新的突破。運(yùn)用數(shù)學(xué)手段定量地研究化學(xué)物質(zhì)的組成及其變化，不僅是化學(xué)學(xué)科向縱深發(fā)展的結(jié)果，也是現(xiàn)代化學(xué)領(lǐng)域不可缺少的重要手段，更為化學(xué)科學(xué)成果向技術(shù)轉(zhuǎn)化提供依據(jù)。中學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)計(jì)算，則是從量的角度豐富和完善對(duì)物質(zhì)的組成、性質(zhì)和變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)?；瘜W(xué)計(jì)算歷來(lái)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中占有重要的地位，但由于長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)化學(xué)計(jì)算的定位使得化學(xué)計(jì)算教學(xué)過(guò)于程式化，而學(xué)生也過(guò)分依賴(lài)于機(jī)械訓(xùn)練、反復(fù)練習(xí)，對(duì)于化學(xué)計(jì)算的本質(zhì)及意義都缺乏較為深入的理解。

1 傳統(tǒng)教學(xué)中化學(xué)計(jì)算的定位及教學(xué)

從知識(shí)分類(lèi)的角度，按照傳統(tǒng)雙基觀，化學(xué)計(jì)算屬于基本技能?！缎睦韺W(xué)大詞典》對(duì)技能的定義是：“個(gè)體運(yùn)用已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)練習(xí)而形成的智力動(dòng)作方式和肢體動(dòng)作方式的復(fù)雜系統(tǒng)?！薄督逃筠o典》對(duì)技能的定義是：“主體在已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)練習(xí)形成的執(zhí)行某種任務(wù)的活動(dòng)方式?！痹谶@些定義中，技能都被看作是通過(guò)練習(xí)之后掌握的活動(dòng)方式。反映在教學(xué)實(shí)際中，往往強(qiáng)調(diào)的是對(duì)技能性知識(shí)的模仿和反復(fù)操練。受這種觀點(diǎn)的影響，在化學(xué)計(jì)算教學(xué)中教師往往會(huì)按照一定的操作程序進(jìn)行教學(xué)，如依據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的教學(xué)程序是“設(shè)、寫(xiě)、找、比、算、答”，然后讓學(xué)生模仿，反復(fù)練習(xí)。結(jié)果學(xué)生所形成的只是對(duì)計(jì)算技能的一種暫時(shí)性熟練，而非對(duì)從定量角度研究物質(zhì)變化的深層理解。

2 化學(xué)計(jì)算的學(xué)科本質(zhì)

門(mén)捷列夫曾多次指出，自然現(xiàn)象的質(zhì)和量是各種事物最重要的特征，兩者具有規(guī)律性的聯(lián)系，認(rèn)識(shí)這種聯(lián)系，對(duì)于化學(xué)家具有特殊的重要性，把握質(zhì)和量的統(tǒng)一，就能找到一條線索，使化學(xué)家們從片斷資料的迷宮中走出來(lái)?；瘜W(xué)是在分子、原子水平上，以研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)為基礎(chǔ)，著重研究物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律的科學(xué)。物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)是從反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為生成物的質(zhì)變，同時(shí)也伴隨著能量的轉(zhuǎn)化。但是僅僅知道轉(zhuǎn)化是不夠的，在生產(chǎn)實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)室中我們要獲得目標(biāo)產(chǎn)物，或者要利用化學(xué)變化產(chǎn)生的能量，都必須要從量的角度去研究化學(xué)反應(yīng)。

因此，化學(xué)計(jì)算的學(xué)科本質(zhì)是對(duì)化學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)處理過(guò)程，即對(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的量化過(guò)程。中學(xué)化學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)是物質(zhì)微觀粒子在化學(xué)變化中的“質(zhì)”與“量”的關(guān)系，這是化學(xué)學(xué)科中的數(shù)學(xué)計(jì)算與其他學(xué)科的本質(zhì)區(qū)別之處。化學(xué)中的計(jì)算離不開(kāi)有關(guān)的化學(xué)概念和原理的運(yùn)用，這不僅是因?yàn)檫@些概念和原理規(guī)定著化學(xué)計(jì)算的意義，而且還是因?yàn)樵S多計(jì)算方法就包含在這些概念或原理之中?；瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求“根據(jù)化學(xué)方程式進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算”，實(shí)質(zhì)上也就意味著化學(xué)計(jì)算的重點(diǎn)并不在數(shù)學(xué)運(yùn)算方法上，而是對(duì)概念、原理以及量的關(guān)系的理解上。只有理解了建立在化學(xué)基本概念、化學(xué)基本原理基礎(chǔ)上的各種化學(xué)符號(hào)語(yǔ)言所表示的質(zhì)和量的關(guān)系，才能依據(jù)條件選擇適當(dāng)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。

傳統(tǒng)化學(xué)課程將“化學(xué)計(jì)算”作為一項(xiàng)基本技能，但從量的角度解決化學(xué)問(wèn)題并非單純的數(shù)學(xué)運(yùn)算，也并非簡(jiǎn)單的方法、技巧等技能的操練，而是以基本概念、基本理論、元素化合物知識(shí)為基礎(chǔ)，以化學(xué)式、化學(xué)方程式及溶液組成等蘊(yùn)含的量的關(guān)系為依據(jù)，進(jìn)行分析、判斷、推理、運(yùn)算的過(guò)程。因此，從這一認(rèn)識(shí)出發(fā)，化學(xué)計(jì)算并非是“按照一套既定規(guī)則和操作程序去完成特定任務(wù)”的技能，而是“有意識(shí)、有意義、有目的、有方法的認(rèn)知和操作的共同體”，即是一種能力，是依據(jù)化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法解決物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、變化中“量”的問(wèn)題的能力。化學(xué)計(jì)算能力是學(xué)生化學(xué)學(xué)科能力的重要組成部分。

3 化學(xué)計(jì)算的教學(xué)策略

長(zhǎng)期以來(lái)，由于沒(méi)有明確化學(xué)計(jì)算的本質(zhì)，對(duì)學(xué)生化學(xué)計(jì)算能力的形成及其發(fā)展規(guī)律缺乏研究，導(dǎo)致不少教師在中學(xué)化學(xué)計(jì)算教學(xué)中往往把大量時(shí)間和精力投入到計(jì)算類(lèi)規(guī)則、技巧的教學(xué)中，讓學(xué)生反復(fù)感知，甚至編出許多抽象、繁雜、脫離生產(chǎn)生活實(shí)際的“假題”讓學(xué)生反復(fù)練習(xí)。學(xué)生不理解“為何要計(jì)算”以及“如何來(lái)計(jì)算”，不少學(xué)生依賴(lài)套公式解題或試誤性解題，并沒(méi)有真正地習(xí)得化學(xué)計(jì)算能力?；趯?duì)化學(xué)計(jì)算本質(zhì)的理解，在化學(xué)計(jì)算教學(xué)中教師應(yīng)注意應(yīng)用以下教學(xué)策略：

3.1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)的應(yīng)用情境

在義務(wù)教育和高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中，都明確提出“體會(huì)定量研究的方法對(duì)研究和學(xué)習(xí)化學(xué)的重要作用”，這就意味著我們不是為教計(jì)算而教計(jì)算，不應(yīng)該用一些沒(méi)有價(jià)值或?qū)嶋H意義的計(jì)算題來(lái)代替對(duì)化學(xué)計(jì)量關(guān)系的了解。而應(yīng)將計(jì)算問(wèn)題置于真實(shí)的情境中，讓學(xué)生在解決生產(chǎn)、生活以及實(shí)驗(yàn)室中有關(guān)“量的問(wèn)題”的過(guò)程中，真正體驗(yàn)到定量研究方法在化學(xué)科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，理解化學(xué)計(jì)算的應(yīng)用價(jià)值。

案例1 某鈣片的標(biāo)簽如右圖所示，已知此鈣片成分中只有碳酸鈣含有鈣元素。

問(wèn)題①：直接從晶胞中數(shù)出各原子個(gè)數(shù)是否正確？

問(wèn)題②：晶胞中原子是否完全屬于該晶胞？

問(wèn)題③：原子個(gè)數(shù)比與哪些因素有關(guān)？

第二步：分別對(duì)不同類(lèi)別的原子個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算；

問(wèn)題④：晶胞中原子按照位置可分為幾類(lèi)？

第三步：得出結(jié)論。

問(wèn)題⑤：根據(jù)計(jì)算規(guī)則得出結(jié)論。

（2）探究型樣例。即在樣例中并未給學(xué)生呈現(xiàn)明確的解題步驟，而是由探究性的問(wèn)題組成，包含了選擇題和開(kāi)放題，這些問(wèn)題以問(wèn)題解決進(jìn)程為主線，并將學(xué)生可能犯的錯(cuò)誤預(yù)設(shè)其中。同樣以“根據(jù)氯化鈉晶體結(jié)構(gòu)確定鈉原子和氯原子個(gè)數(shù)比”為例，解答部分加入了開(kāi)放性的問(wèn)題，如：

①同學(xué)甲認(rèn)為：由氯化鈉晶胞圖中可直接數(shù)出，該晶胞中有13個(gè)Na+，14個(gè)Cl-，因此個(gè)數(shù)比為13：14，你認(rèn)為這種說(shuō)法是否正確？為什么？

②圖1中，A表示頂點(diǎn)上的Cl-，同學(xué)甲認(rèn)為A完全屬于該晶胞，但乙卻認(rèn)為A其實(shí)被8個(gè)周?chē)木О灿?，只是圖中沒(méi)有畫(huà)出而已，你認(rèn)為哪位同學(xué)的說(shuō)法正確？為什么？

③你認(rèn)為個(gè)數(shù)比與下列哪些因素有關(guān)？為什么？

A. 離子的大小 B.離子在晶胞中的位置

C.離子的種類(lèi)

④如果讓你將晶胞中的離子按照位置分類(lèi)，你將分為哪幾類(lèi)？

問(wèn)題1預(yù)設(shè)了學(xué)生可能存在的錯(cuò)誤，即直接數(shù)出晶胞中的原子個(gè)數(shù)。問(wèn)題2對(duì)學(xué)生的這個(gè)錯(cuò)誤進(jìn)行提示，引導(dǎo)學(xué)生理解晶胞中原子共用的概念，改正原有的錯(cuò)誤。同時(shí)，開(kāi)放性問(wèn)題能夠?qū)W(xué)生的思路進(jìn)行追蹤?？梢?jiàn)，在該類(lèi)型樣例的解答部分，學(xué)生經(jīng)歷了問(wèn)題探究的過(guò)程和與錯(cuò)誤思路的碰撞，從而正確理解樣例中問(wèn)題的解答方法，將新知識(shí)建構(gòu)于原有的認(rèn)知系統(tǒng)中。

整體而言，樣例學(xué)習(xí)的模式如圖2所示。學(xué)生的樣例學(xué)習(xí)過(guò)程包含兩個(gè)階段：第一，學(xué)生在研究樣例的過(guò)程中提取樣例規(guī)則。第二，學(xué)生在利用規(guī)則完成練習(xí)、解決問(wèn)題的過(guò)程中，不斷反思，使規(guī)則更加完善，并內(nèi)化于自己的認(rèn)知體系中。

在樣例學(xué)習(xí)中，解題的方法和規(guī)則由學(xué)習(xí)者自己研究樣例、解決問(wèn)題而習(xí)得。教師講解的作用只在于提供必須的知識(shí)儲(chǔ)備，為學(xué)生化學(xué)樣例學(xué)習(xí)搭建腳手架。學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生先通過(guò)已有知識(shí)仔細(xì)研究樣例，總結(jié)出樣例中隱含的方法規(guī)則，隨后有目的性和針對(duì)性地完成所附練習(xí)。當(dāng)解題過(guò)程遇到困難時(shí)，學(xué)習(xí)者可以隨時(shí)參照樣例或者求助于教師。因此，樣例學(xué)習(xí)是一種自我建構(gòu)式的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生通過(guò)自我主動(dòng)的學(xué)習(xí)建構(gòu)起對(duì)知識(shí)的理解和體會(huì)，計(jì)算規(guī)則在學(xué)生心中自然生成，而非通過(guò)大量強(qiáng)化練習(xí)而得到。這樣獲得的知識(shí)更為牢固，也更有利于遷移。當(dāng)然，樣例學(xué)習(xí)對(duì)教師提出了更大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰處熅脑O(shè)計(jì)樣例及其呈現(xiàn)方式，在樣例中有效整合陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)以及策略性知識(shí)，還要考慮是否符合學(xué)生的認(rèn)知水平以及閱讀習(xí)慣等。

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