有關(guān)化學(xué)式計(jì)算的教學(xué)原理初探

聶軍 謝祥林

摘 要：主要研究了化學(xué)式計(jì)算的學(xué)習(xí)條件及學(xué)習(xí)的心理機(jī)制，學(xué)生在學(xué)習(xí)有關(guān)化學(xué)式的計(jì)算中，數(shù)學(xué)計(jì)算技能是滿足學(xué)習(xí)化學(xué)式計(jì)算要求的前提，但對(duì)于原子、分子組成，化學(xué)式表示物質(zhì)組成等概念不清將嚴(yán)重影響有關(guān)化學(xué)式的計(jì)算。另外，對(duì)相對(duì)原子質(zhì)量表示原子的質(zhì)量不理解，而且教學(xué)中強(qiáng)調(diào)相對(duì)原子質(zhì)量不表示原子的質(zhì)量，使學(xué)生喪失了學(xué)習(xí)化學(xué)式計(jì)算的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)式計(jì)算；化學(xué)教學(xué)；學(xué)習(xí)條件分析

有關(guān)化學(xué)式計(jì)算是化學(xué)科學(xué)中最基礎(chǔ)的知識(shí)，是九年級(jí)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容和難點(diǎn)內(nèi)容，化學(xué)學(xué)科的后續(xù)學(xué)習(xí)都要在具備清晰、熟練的化學(xué)式計(jì)算技能的條件下才能順利地進(jìn)行?；瘜W(xué)教師對(duì)有關(guān)化學(xué)式的計(jì)算教學(xué)進(jìn)行了一定程度的研究，提出了一些具有一定理論的、有一定效果教學(xué)方法，但從學(xué)生學(xué)習(xí)和教學(xué)實(shí)際來看，有關(guān)化學(xué)式計(jì)算的教和學(xué)的效率都不是太高。探討有關(guān)化學(xué)式計(jì)算教學(xué)的原理對(duì)于指導(dǎo)中學(xué)化學(xué)的教學(xué)具有很好的實(shí)際意義。

一、有關(guān)化學(xué)式計(jì)算的學(xué)習(xí)條件分析

化學(xué)式是用元素符號(hào)或元素符號(hào)與數(shù)字的組合表示物質(zhì)組成的式子，是一種可以表達(dá)多種含義的化學(xué)符號(hào)：表示某種物質(zhì)、表明了這種物質(zhì)的元素組成、表明一種物質(zhì)的分子（對(duì)于分子化合物）、表明分子的原子構(gòu)成情況等。表明物質(zhì)元素組成及分子的原子構(gòu)成是有關(guān)化學(xué)式計(jì)算的基礎(chǔ)。

有關(guān)化學(xué)式計(jì)算看上去十分簡(jiǎn)單，但由于是在分子和原子層次上認(rèn)識(shí)化學(xué)式并進(jìn)行計(jì)算，所以在學(xué)生學(xué)習(xí)中并不如想象的那么容易。學(xué)生必須具備以下幾項(xiàng)條件：

1.學(xué)生必須明了化學(xué)式表明了物質(zhì)最小組成

任何數(shù)量的物質(zhì)都是這種組成的按整倍數(shù)的擴(kuò)大，這一最小部分就代表了整個(gè)物質(zhì)，同樣這一小部分的相關(guān)量計(jì)算就代表了整個(gè)物質(zhì)相關(guān)量的計(jì)算”這一認(rèn)知基礎(chǔ)。

2.清晰的原子概念

學(xué)習(xí)者必須具備清晰的原子概念，必須知道原子在化學(xué)反應(yīng)中是一個(gè)不“破裂”的球，而且任何同種原子的質(zhì)量都相同，物質(zhì)的最小組成就是由化學(xué)式所表示的原子種類和各種原子的數(shù)目。

3.清晰的相對(duì)原子質(zhì)量概念

由于原子的質(zhì)量很小，其質(zhì)量是用相對(duì)原子質(zhì)量表示的，而不用千克（kg）質(zhì)量單位來表示原子的質(zhì)量。

二、有關(guān)化學(xué)式計(jì)算學(xué)習(xí)困難原因的調(diào)查研究

有關(guān)化學(xué)式計(jì)算類型較多，常見的有關(guān)化學(xué)式計(jì)算類型及各種計(jì)算類型學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的困難原因調(diào)查分析如下：

1.對(duì)分子質(zhì)量計(jì)算

這是最簡(jiǎn)單，最基礎(chǔ)的有關(guān)的化學(xué)式計(jì)算。這一計(jì)算在學(xué)生的學(xué)習(xí)中相對(duì)來說是簡(jiǎn)單，約90%的學(xué)生可以在課堂內(nèi)掌握概念和計(jì)算方法，因?yàn)橄鄬?duì)分子量是直接將化學(xué)式中各原子相對(duì)原子質(zhì)量加和。但是仍然有部分學(xué)生學(xué)習(xí)困難。經(jīng)訪談得知，原來學(xué)生并不清楚原子的概念，他們對(duì)原子是球形不清楚，對(duì)化學(xué)式里的符號(hào)與符號(hào)所表示的原子不能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因而沒法學(xué)習(xí)相對(duì)分子質(zhì)量的計(jì)算。這些學(xué)生不能用思維來掌握原子的形貌，因此也沒法認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成，對(duì)化學(xué)式的來源和表達(dá)物質(zhì)組成的意義不清楚。例如，有的學(xué)生在計(jì)算H2O的相對(duì)分子質(zhì)量時(shí)，因?yàn)橹恢馈癏2O”表示水的化學(xué)式，將其理解成表示水的符號(hào)，而不能理解為表示水分子的原子組成表達(dá)，不知道“H”“O”這兩個(gè)符號(hào)在整個(gè)化學(xué)式中既可以表示宏觀的水的組成元素，也可以表示微觀的分子的原子構(gòu)成，不理解符號(hào)可以表示氫原子和氧原子，從而無法下筆進(jìn)行計(jì)算。

2.根據(jù)化學(xué)式求組成元素中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

這種計(jì)算類型有兩個(gè)原理必須掌握，一是要理解對(duì)于物質(zhì)來說其組成是用“元素”而非原子表示的，在分子中講原子構(gòu)成，但對(duì)于物質(zhì)而言講元素組成。二是化學(xué)式所表示的原子構(gòu)成是物質(zhì)組成的最小單位，因此，計(jì)算物質(zhì)中各元素的百分含量的原理就是計(jì)算化學(xué)式中各種原子質(zhì)量占化學(xué)式中全部原子質(zhì)量的總和百分?jǐn)?shù)。對(duì)于百分?jǐn)?shù)的計(jì)算，絕大部分學(xué)生是熟悉的，學(xué)生學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的問題主要是不能將物質(zhì)中元素的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為化學(xué)式中原子的相對(duì)原子質(zhì)量，將物質(zhì)中元素質(zhì)量比轉(zhuǎn)化為一個(gè)分子中原子的相對(duì)質(zhì)量比。對(duì)學(xué)生進(jìn)行訪談顯示，出現(xiàn)這些問題的原因在于學(xué)生學(xué)習(xí)分子、原子、元素、化學(xué)式等概念時(shí)，知識(shí)機(jī)械的記憶理解概念，不會(huì)對(duì)宏觀的元素與微觀的原子這兩個(gè)概念進(jìn)行聯(lián)系，以及對(duì)化學(xué)式是表示分子組成的符號(hào)，在表觀上表示物質(zhì)的組成單元的這一原理進(jìn)行深度解析、二次加工。例如，在計(jì)算SO3中氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，要理解SO3分子是三氧化硫這一物質(zhì)的組成單元，三氧化硫這一物質(zhì)就是若干個(gè)SO3分子聚集而成的，SO3分子中氧原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就代表了氧元素在整個(gè)三氧化硫這種物質(zhì)中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.根據(jù)化學(xué)式計(jì)算物質(zhì)中各元素質(zhì)量比

此類問題同樣是從物質(zhì)組成單元（即化學(xué)式）中各元素原子的質(zhì)量比而推論為物質(zhì)中各元素的質(zhì)量比?；瘜W(xué)式表示物質(zhì)的最小組成單元（包括分子組成），而整個(gè)物質(zhì)中各元素的原子組成與化學(xué)式中各元素的原子組成是一致的，因此只要求出了化學(xué)式中各元素的原子質(zhì)量比，這個(gè)各元素的原子質(zhì)量比，就是物質(zhì)中各元素的質(zhì)量比。對(duì)于這類有關(guān)化學(xué)式的計(jì)算，學(xué)生出現(xiàn)的主要問題是沒有理解化學(xué)式的宏觀含義可以表示一種物質(zhì)以及表示該物質(zhì)的元素組成，不能將物質(zhì)中各元素的質(zhì)量比轉(zhuǎn)化為化學(xué)式中各原子的質(zhì)量比。究其原因，除了前面幾項(xiàng)學(xué)習(xí)中所產(chǎn)生的問題，學(xué)生對(duì)于化學(xué)式表示物質(zhì)的單元（分子）組成，而單元（分子）組成與整個(gè)物質(zhì)的組成是一致的這個(gè)原理不甚理解，因而造成了在計(jì)算物質(zhì)中各元素質(zhì)量比時(shí)出現(xiàn)概念指向不明及質(zhì)量與微粒數(shù)目概念混淆的問題。

4.根據(jù)化學(xué)式計(jì)算一定量物質(zhì)中所含某元素的質(zhì)量

這類計(jì)算是在前面三類計(jì)算的基礎(chǔ)上發(fā)展的較為高級(jí)的計(jì)算，其計(jì)算較之前三類計(jì)算多了一項(xiàng)計(jì)算技能，就是在已知某物質(zhì)中M元素含量為b%的基礎(chǔ)上，求a kg物質(zhì)中所含M元素的質(zhì)量。進(jìn)行此項(xiàng)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生必須有這樣的知識(shí)，即分子是物質(zhì)組成的最小單位，表示物質(zhì)的化學(xué)式其實(shí)也是表示了這種物質(zhì)的最小組成單位，然后轉(zhuǎn)化成所有物質(zhì)的組成就是這些小單位的無限重復(fù)。這類計(jì)算也可以看成是一個(gè)比例式的計(jì)算，只要將其換個(gè)形式理解，即百分含量是指每個(gè)組成單元中某元素原子的含量，這種計(jì)算就很容易被學(xué)生理解和接受了。

三、有關(guān)化學(xué)式計(jì)算的教學(xué)原理

有關(guān)化學(xué)式計(jì)算教學(xué)的研究說明，根據(jù)化學(xué)式進(jìn)行計(jì)算需要兩方面的基本技能，一方面是數(shù)學(xué)技能，另一方面是化學(xué)的基本概念要清晰。對(duì)數(shù)學(xué)技能的要求不高，主要是比例的計(jì)算，九年級(jí)學(xué)生進(jìn)行比例計(jì)算是較為熟悉的，但將比例計(jì)算技能運(yùn)用到化學(xué)式計(jì)算中產(chǎn)生困難的主要原因乃是化學(xué)基本概念掌握不牢固。在有關(guān)化學(xué)式的計(jì)算教學(xué)當(dāng)中，學(xué)生掌握原子的形貌和化學(xué)式所表達(dá)的意思是基礎(chǔ)，因?yàn)闊o論是分子或是化學(xué)組成單元，首先必須使學(xué)生理解到這些都是由不改變的原子組成的，而且每個(gè)原子的形貌和質(zhì)量都是固定且不改變的，這樣學(xué)生可以對(duì)分子和物質(zhì)的組成單元就可以清晰地從原子的角度理解，各種有關(guān)質(zhì)量的計(jì)算中就可以從他們的原有知識(shí)出發(fā)解決問題。其次是準(zhǔn)確地理解相對(duì)原子質(zhì)量，對(duì)相對(duì)原子質(zhì)量應(yīng)該理解為也是表示原子的質(zhì)量的一個(gè)量，只不過相對(duì)原子質(zhì)量不是以kg做單位，而是以一個(gè)化學(xué)科學(xué)中設(shè)定的一個(gè)值—— 一個(gè)碳原子質(zhì)量的十二分之一的質(zhì)量為一個(gè)單位來衡量原子的質(zhì)量。如果學(xué)生將相對(duì)原子質(zhì)量理解非表示原子的質(zhì)量，那么有關(guān)化學(xué)式計(jì)算就喪失了學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

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（作者單位 湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）