數(shù)據(jù)分析法在化學(xué)概念教學(xué)中的特殊作用

戴南陽+胡志剛

一、問題的提出

有人說二十一世紀(jì)是用數(shù)據(jù)說話的世紀(jì)，形形色色的“大數(shù)據(jù)”正日益影響著我們的生活，能否“讀懂?dāng)?shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律”成為現(xiàn)代人是否具有科學(xué)素養(yǎng)的重要標(biāo)志。高中化學(xué)課程中有許多基本概念，對(duì)學(xué)生認(rèn)知的發(fā)展和科學(xué)素養(yǎng)的提升具有重要作用。傳統(tǒng)的概念教學(xué)重定義結(jié)論、輕認(rèn)識(shí)過程，重知識(shí)點(diǎn)記憶、輕理解感悟，重應(yīng)試技能訓(xùn)練、輕觀念形成，其弊端已日益顯現(xiàn)。如何實(shí)施基于觀念建構(gòu)的化學(xué)概念教學(xué)，關(guān)注學(xué)生對(duì)化學(xué)核心概念與思想方法的深層理解成為化學(xué)教學(xué)的熱點(diǎn)問題。在教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，新課程教材中編排了大量的表格和數(shù)據(jù)，許多性質(zhì)、規(guī)律就隱含在這些數(shù)據(jù)中。靈活運(yùn)用數(shù)據(jù)分析法，處處“用數(shù)據(jù)說話”，是幫助學(xué)生理解化學(xué)概念的本質(zhì)、逐步建構(gòu)化學(xué)觀念的有效途徑。

二、問題探究

（一）數(shù)據(jù)分析法對(duì)學(xué)生理解化學(xué)概念本質(zhì)的作用

教師在教學(xué)中依據(jù)教材提供的數(shù)據(jù)材料或通過實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，通過推理演算，引導(dǎo)學(xué)生在探索中得出相關(guān)概念，并進(jìn)一步理解概念的本質(zhì)，就是我們所提倡的數(shù)據(jù)分析法。

透過宏觀現(xiàn)象分析微觀本質(zhì)是化學(xué)學(xué)科最具特征的思維方式，引導(dǎo)學(xué)生建立宏觀—微觀—符號(hào)三重表征的有機(jī)聯(lián)系，是概念教學(xué)的根本任務(wù)。然而在實(shí)際教學(xué)中我們往往發(fā)現(xiàn)學(xué)生在跨越三重表征時(shí)存在思維障礙，影響對(duì)概念本質(zhì)的理解和應(yīng)用，此時(shí)充分運(yùn)用數(shù)據(jù)分析法可起到很好的教學(xué)效果。教師在教學(xué)過程中可以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的教學(xué)功能，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，增加有價(jià)值的討論、交流，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)的能力，促使其主動(dòng)構(gòu)建學(xué)科知識(shí)。

以《弱電解質(zhì)的電離平衡》的教學(xué)為例，本節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)是：建立弱電解質(zhì)電離平衡的概念，理解電離平衡常數(shù)的含義，能從定量的角度說明溫度、濃度及外加物質(zhì)對(duì)電離平衡的影響。為了探索數(shù)據(jù)分析法在學(xué)生知識(shí)建構(gòu)中的作用，我們?cè)趦蓚€(gè)平行教學(xué)班采用兩種教學(xué)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)班的綜合成績和化學(xué)學(xué)科成績基本相同，弱電解質(zhì)的電離平衡是在學(xué)生學(xué)習(xí)完強(qiáng)弱電解質(zhì)以及化學(xué)平衡概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行教學(xué)的。

A班的教法設(shè)計(jì)是回顧已學(xué)過的強(qiáng)弱電解質(zhì)和化學(xué)平衡知識(shí)，以化學(xué)平衡為指導(dǎo)書寫醋酸的電離方程式，思考醋酸的電離是否存在電離平衡，討論醋酸電離平衡的影響因素，從而得出弱電解質(zhì)的電離及電離平衡常數(shù)的概念，最后通過練習(xí)進(jìn)一步鞏固知識(shí)。

B班的教法設(shè)計(jì)是回顧已學(xué)過的強(qiáng)弱電解質(zhì)和化學(xué)平衡知識(shí)后，引導(dǎo)學(xué)生填寫《化學(xué)反應(yīng)原理》課本上的表格[1]（見表1），教師設(shè)置導(dǎo)學(xué)問題：①根據(jù)表中數(shù)據(jù)推測(cè)醋酸溶液中可能存在哪些微粒。②各微粒的濃度大小說明什么。③為什么兩種濃度溶液中醋酸的電離度不同。④弱電解質(zhì)的電離平衡常數(shù)應(yīng)如何定義。⑤根據(jù)計(jì)算結(jié)果推斷濃度對(duì)醋酸電離的影響，對(duì)醋酸電離度和對(duì)平衡常數(shù)的影響。⑥還可以通過改變哪些條件使醋酸的電離平衡發(fā)生移動(dòng)。在同學(xué)們充分討論的基礎(chǔ)上建構(gòu)弱電解質(zhì)電離平衡的概念。

表1醋酸電離達(dá)到平衡時(shí)各種微粒的濃度（25℃）

為了對(duì)比兩個(gè)教法對(duì)學(xué)生知識(shí)建構(gòu)的促進(jìn)效果，在完成上述教學(xué)過程后設(shè)計(jì)了如下試題：在100毫升pH為12的氨水中分別加入氫氧化鈉固體、100毫升pH=12的氫氧化鈉溶液和100毫升pH=10的氫氧化鈉溶液，氨水的電離平衡如何移動(dòng)？各離子濃度如何變化？經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，A班52位同學(xué)只有14位同學(xué)得出正確答案，而B班52位同學(xué)有32位得出正確答案。也就是說借助數(shù)據(jù)分析法，B班同學(xué)對(duì)弱電解質(zhì)的電離平衡有比較深刻的領(lǐng)會(huì)，能抓住K不變這一本質(zhì)迅速解決問題。（A班雖然也講過，但沒有親自體會(huì)概念推導(dǎo)過程）

由此可見，合理地運(yùn)用相關(guān)數(shù)據(jù)，增加有價(jià)值的討論、交流，可以幫助學(xué)生更深入地理解、領(lǐng)會(huì)化學(xué)概念的本質(zhì)，更好地掌握化學(xué)概念。

（二）數(shù)據(jù)分析法對(duì)學(xué)生定量觀形成的促進(jìn)作用

“學(xué)科觀念”是對(duì)學(xué)科研究對(duì)象及研究過程的本源和本體的見解或意識(shí)，具有超越課堂時(shí)空的持久價(jià)值和遷移價(jià)值。[2]“定量觀”是化學(xué)選修課教學(xué)中應(yīng)著力培養(yǎng)的重要學(xué)科觀念，應(yīng)用數(shù)據(jù)分析法教學(xué)在促進(jìn)學(xué)生定量觀的形成方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

“沉淀溶解平衡”是化學(xué)反應(yīng)原理模塊的教學(xué)難點(diǎn)之一，學(xué)生難于在頭腦中建立起“沉淀?溶解”的微觀動(dòng)態(tài)過程，更難于從定量的角度理解沉淀生成、溶解和轉(zhuǎn)化的實(shí)質(zhì)。我們?cè)诮虒W(xué)中巧妙設(shè)計(jì)問題鏈，處處引導(dǎo)學(xué)生“用數(shù)據(jù)說話”，在突破難點(diǎn)、幫助學(xué)生形成定量觀方面取得很好的教學(xué)效果。

本節(jié)課的教學(xué)是從演示實(shí)驗(yàn)“PbI2固體的溶解平衡”開始的。教師實(shí)驗(yàn)：在裝有少量難溶的PbI2黃色固體的試管中，加入約3mL蒸餾水，充分振蕩后靜置。待上層液體變澄清后，即得到PbI2的飽和溶液，向其中滴加幾滴0.1mol·L-1KI溶液，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，老師首先提出問題：難溶電解質(zhì)的溶解度為零嗎？PbI2飽和溶液中存在哪些微粒？接著從定量的角度提出四個(gè)層層深入的問題鏈：① PbI2飽和溶液中鉛離子和碘離子濃度之間可能存在怎樣的定量關(guān)系？②如何計(jì)算室溫時(shí)PbI2飽和溶液中鉛離子和碘離子的濃度？③如何使含有固體PbI2的PbI2飽和溶液中的固體質(zhì)量增加？④如何使含有固體PbI2的PbI2飽和溶液中的固體質(zhì)量減少？

教學(xué)中通過第一個(gè)問題的解決引入沉淀溶解平衡的概念和溶度積常數(shù)，幫助學(xué)生揭示沉淀溶解平衡的微觀本質(zhì)，練習(xí)書寫沉淀溶解平衡方程式。第二個(gè)問題既能使學(xué)生初步學(xué)習(xí)溶度積常數(shù)的應(yīng)用，又為后兩個(gè)問題的解決埋下伏筆。隨后學(xué)生對(duì)第三、四兩個(gè)問題的討論，使本節(jié)課的教學(xué)進(jìn)入高潮。

在討論中筆者始終堅(jiān)持用定量分析的觀點(diǎn)，讓學(xué)生在解決問題中感悟外界條件對(duì)沉淀溶解平衡的影響。endprint

（三）數(shù)據(jù)分析法對(duì)學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度的引導(dǎo)作用

尊重事實(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)是自然科學(xué)的生命力所在，引導(dǎo)學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度是執(zhí)教者的職責(zé)。高中新課程的教科書編排了大量的表格和數(shù)據(jù)，這些都是非常寶貴的教學(xué)資源，教師如能認(rèn)真加以分析利用，既能幫助學(xué)生理解概念本質(zhì)，形成學(xué)科觀念，又有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，全面提升科學(xué)素養(yǎng)。

如蘇教版《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》中有如下表格（表2）。

教師可以在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生通過分析對(duì)比，得出如下結(jié)論：①一般來說鍵長越短，鍵能越大。②成鍵電子數(shù)越多，鍵長越短，鍵能越大，如C-C的鍵長比C=C鍵長長，鍵能C-C比C=C小。③可以從原子半徑的大小預(yù)測(cè)鍵的長短。

在此基礎(chǔ)上教師還可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生注意以下兩個(gè)問題。

①C=C鍵長是133pm，鍵能是812kJ·mol-1，O=O鍵長是121pm，鍵能是498kJ·mol-1，這和我們前面推出的鍵長越短，鍵能越大的結(jié)論相悖。在提出質(zhì)疑讓學(xué)生思考的基礎(chǔ)上，教師再解釋其原因，即氧分子中每個(gè)氧原子有兩對(duì)孤對(duì)電子對(duì)，非鍵電子間的相互排斥力較大，非鍵電子對(duì)成鍵電子的排斥擠壓增強(qiáng)，導(dǎo)致軌道的重疊程度減少，共價(jià)鍵鍵能減弱。②多數(shù)情況下兩原子間的π鍵比σ鍵弱，但從表中數(shù)據(jù)可得N—N鍵能159kJ·mol-1，N=N鍵能418kJ·mol-1，N≡N鍵能946kJ·mol-1，由這三組數(shù)據(jù)我們可以看出氮氮鍵間的π鍵比σ鍵強(qiáng)。教學(xué)時(shí)教師先提出此現(xiàn)象，告訴學(xué)生應(yīng)尊重事實(shí)，而不是生搬硬套所謂的規(guī)律。當(dāng)然造成此現(xiàn)象的原因主要是N原子中，2s軌道和2p軌道的能量相差較小，可以線性組合。在形成分子軌道時(shí)，不僅2s之間重疊，2s與2px也會(huì)重疊，造成了σ2s電子的能量降低，σ2px電子能量升高，高于π2py和π2pz軌道，所以π鍵更穩(wěn)定。個(gè)中原因雖然不是教學(xué)的基本要求，我們卻可以通過數(shù)據(jù)分析法引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會(huì)共價(jià)分子結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性，同時(shí)通過數(shù)據(jù)尋找物質(zhì)的特殊性，在學(xué)好相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，使學(xué)生形成科學(xué)的自然觀和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，樹立可持續(xù)發(fā)展的思想。

三、探究結(jié)論

提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是化學(xué)教學(xué)的根本宗旨，在課堂教學(xué)中要注重從知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)方面幫助學(xué)生形成正確的化學(xué)觀，發(fā)展化學(xué)學(xué)科的科學(xué)素養(yǎng)?；趯W(xué)科觀念的化學(xué)概念教學(xué)，是一種超越事實(shí)、以領(lǐng)會(huì)蘊(yùn)含在具體事實(shí)和原理當(dāng)中的科學(xué)思想和科學(xué)方法為目的的教學(xué)。學(xué)生能否形成正確的學(xué)科觀念，不在于教師對(duì)概念的講解是否清晰到位，而在于老師能否幫助學(xué)生以事實(shí)性知識(shí)為工具和載體，引導(dǎo)學(xué)生自身探索，通過實(shí)驗(yàn)、推論以及不斷概括提煉而形成深層的可遷移的觀念性知識(shí)。數(shù)據(jù)分析法就是這種概括提煉的過程，如能在教學(xué)中充分運(yùn)用并內(nèi)化為學(xué)生的思維方法，將極大地提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。參考文獻(xiàn)：

[1] 王祖浩.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)反應(yīng)原理[M].南京：江蘇教育出版社，2009：65.

[2] 倪娟.論基于學(xué)科觀念的化學(xué)概念教學(xué)——以離子反應(yīng)教學(xué)設(shè)計(jì)為案例[J].化學(xué)教育，2014（1）：2.endprint