高一學(xué)生化學(xué)方程式書寫能力的調(diào)查研究

陳益++劉江田

摘要：對(duì)高一學(xué)生化學(xué)方程式書寫能力進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)判斷物質(zhì)是化學(xué)方程式書寫能力的“瓶頸”，配平是提高化學(xué)方程式書寫能力的“抓手”。針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了反思并提出了相關(guān)對(duì)策，即感知、記憶和推理并重，提高判斷物質(zhì)能力；系統(tǒng)規(guī)劃、逐步提升配平能力。

關(guān)鍵詞：化學(xué)方程式書寫；配平能力；調(diào)查研究；教學(xué)策略

文章編號(hào)：1005-6629（2016）2-0015-05

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問(wèn)題的提出

物質(zhì)的性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化是基礎(chǔ)化學(xué)教學(xué)的核心內(nèi)容，是化學(xué)基本概念和原理形成、理解和應(yīng)用的重要載體，也是彰顯化學(xué)學(xué)科特質(zhì)和價(jià)值的主要素材。化學(xué)方程式是表征物質(zhì)性質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的重要化學(xué)用語(yǔ)。化學(xué)方程式書寫能力在很大程度上反映了學(xué)生化學(xué)學(xué)科圖景構(gòu)建的清晰度、完整度，也是考查學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)能力的一個(gè)有效指標(biāo)。因此，在新課程的各地高考化學(xué)學(xué)科考查中以及化學(xué)學(xué)業(yè)水平測(cè)試中，書寫化學(xué)方程式_直是傳統(tǒng)的保留項(xiàng)目。

在中學(xué)教學(xué)中，化學(xué)方程式既包括常見(jiàn)的元素化合物之間反應(yīng)的化學(xué)方程式及其有關(guān)離子反應(yīng)方程式，也包括表示電離、電解、水解過(guò)程的電離方程式、電解（電極）反應(yīng)方程式、水解反應(yīng)方程式，以及熱化學(xué)方程式、有機(jī)反應(yīng)方程式等。其中元素化合物之間的化學(xué)方程式及其有關(guān)離子反應(yīng)方程式，是書寫各類化學(xué)方程式的重要基礎(chǔ)。

以人教版教材為例，書寫化學(xué)方程式的實(shí)踐和訓(xùn)練，主要集中在《化學(xué)1》“第三章金屬及其化合物”和“第四章非金屬及其化合物”教學(xué)過(guò)程中。從教材編寫邏輯看，第三章和第四章的學(xué)習(xí)安排在“第二章化學(xué)物質(zhì)及其變化”中有關(guān)“物質(zhì)的分類”、“離子反應(yīng)”、“氧化還原反應(yīng)”等相關(guān)概念之后，旨在將事實(shí)性知識(shí)的學(xué)習(xí)與概念性知識(shí)的應(yīng)用相互滲透、相互促進(jìn)。

通過(guò)一個(gè)模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生化學(xué)方程式書寫能力處在怎樣的層次？哪些因素制約了學(xué)生這一能力的提高？如何改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式促進(jìn)這一能力的發(fā)展？針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了調(diào)查和分析。

2 研究設(shè)計(jì)

2.1 化學(xué)方程式書寫能力的內(nèi)涵

廣義地說(shuō)，化學(xué)方程式就是用物質(zhì)符號(hào)表示化學(xué)變化的式子。書寫化學(xué)方程式要遵循客觀事實(shí)和質(zhì)量守恒定律。化學(xué)方程式書寫能力主要包括判斷物質(zhì)和配平兩個(gè)方面。

判斷物質(zhì)重在考查學(xué)生再現(xiàn)和辨析物質(zhì)性質(zhì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)和信息進(jìn)行分析推理的能力，這是化學(xué)方程式書寫能力的基礎(chǔ)。就能力水平可分為直接判斷和綜合分析判斷兩個(gè)層級(jí)。如“NaHCO₃固體受熱分解”、“鈉與水反應(yīng)”這樣簡(jiǎn)單和常見(jiàn)的反應(yīng)，其生成物通過(guò)記憶再現(xiàn)直接判斷；“Cl₂和SO₂混合（體積比1：1）通入H₂O中”、“在酸性溶液中Ca（NO₂）₂分解，產(chǎn)物之一是NO”，這樣復(fù)雜和陌生的反應(yīng)，其參與反應(yīng)物質(zhì)的判斷則需要再現(xiàn)和辨析物質(zhì)性質(zhì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)和信息進(jìn)行綜合分析推理。

配平則重在考查學(xué)生自覺(jué)和熟練運(yùn)用“電子得失守恒”、“離子電荷守恒”、“元素原子守恒”等學(xué)科思想進(jìn)行定量分析的能力，這是化學(xué)方程式書寫能力的核心。配平以元素原子守恒的微觀形式體現(xiàn)了宏觀的質(zhì)量守恒定律，同時(shí)通過(guò)微粒間的數(shù)量關(guān)系體現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的物質(zhì)倍比定律。就能力水平又可分為一般觀察法、守恒法以及綜合分析法三個(gè)層級(jí)。對(duì)于非氧化還原反應(yīng)和簡(jiǎn)單反應(yīng)，如“用氯化銨和氫氧化鈣固體反應(yīng)制氨氣”、“鋁與三氧化二鐵發(fā)生鋁熱反應(yīng)”，采用原子觀察法即可配平。對(duì)于“FeCl₃溶液腐蝕銅片”、“酸性KMn04溶液中加入FeSO₄溶液”這樣的反應(yīng)，需利用電子得失守恒和離子電荷守恒法配平。對(duì)于“在酸性溶液中Ca（NO₂）₂分解，產(chǎn)物之一是NO”、“濃HNO₃受熱分解”這樣的反應(yīng)，除應(yīng)用守恒法外，還涉及物質(zhì)判斷、配平方向和基準(zhǔn)物質(zhì)的選擇等問(wèn)題，需綜合分析方能配平。

此外，化學(xué)方程式中物質(zhì)表征符號(hào)（微?；瘜W(xué)式、狀態(tài)符號(hào)）的書寫和反應(yīng)條件的標(biāo)注等規(guī)范，也是評(píng)價(jià)化學(xué)方程式書寫能力不可或缺的。

2.2 化學(xué)方程式的分類

化學(xué)方程式按學(xué)生的熟悉程度和能力綜合程度可分為“教材基本反應(yīng)”、“課堂拓展反應(yīng)”和“信息遷移反應(yīng)”?！敖滩幕痉磻?yīng)”體現(xiàn)了中學(xué)最常見(jiàn)、最重要物質(zhì)的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化，是化學(xué)方程式書寫規(guī)范和能力訓(xùn)練的基礎(chǔ)?！罢n堂拓展反應(yīng)”指教材上只描述了現(xiàn)象和結(jié)論，而教師補(bǔ)充給出了反應(yīng)方程式；或是為了深化和豐富學(xué)生對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，通過(guò)演示或?qū)W生實(shí)驗(yàn)習(xí)得的物質(zhì)新性質(zhì)、新反應(yīng)?！靶畔⑦w移反應(yīng)”是指教材中未出現(xiàn)、平時(shí)學(xué)習(xí)中也不曾涉及到，但學(xué)生利用所學(xué)過(guò)的知識(shí)，依據(jù)信息提示，通過(guò)類比、遷移可以理解和書寫的一類化學(xué)方程式。這類反應(yīng)能很好地考查學(xué)生的思維能力、自學(xué)能力和學(xué)科素養(yǎng)，因而為考試評(píng)價(jià)所青睞，反映了化學(xué)方程式書寫能力的最高水平。

2.3 試卷設(shè)計(jì)與調(diào)查

根據(jù)化學(xué)方程式書寫能力內(nèi)涵和化學(xué)方程式的分類，分別按“教材基本反應(yīng)”、“課堂拓展反應(yīng)”、“信息遷移反應(yīng)”三個(gè)類別設(shè)計(jì)化學(xué)方程式，重點(diǎn)調(diào)查研究學(xué)生“判斷物質(zhì)和配平”這兩個(gè)重要的化學(xué)方程式書寫能力。接著，設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷進(jìn)一步了解哪些因素影響學(xué)生化學(xué)方程式的書寫能力，包括學(xué)生的準(zhǔn)備狀態(tài)、學(xué)習(xí)方法、難度感受等主、客觀因素。進(jìn)而在調(diào)查事實(shí)和數(shù)據(jù)的分析支持下反思和改進(jìn)教學(xué)。

以“高一年級(jí)化學(xué)反應(yīng)方程書寫大賽”之名，設(shè)計(jì)50個(gè)化學(xué)方程式，完成時(shí)間50分鐘，滿分100分。有關(guān)內(nèi)容設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。以筆者所在學(xué)校高一年級(jí)全體學(xué)生作為被試，涉及三個(gè)層次的13個(gè)班級(jí)。

3 結(jié)果分析

教師對(duì)所有被試書寫的化學(xué)方程式進(jìn)行批改。每個(gè)方程式2分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：（1）反應(yīng)物、生成物寫全，化學(xué)式全對(duì)得1分；（2）方程式配平，條件、符號(hào)使用正確得1分。選取一個(gè)中間層次班級(jí)，進(jìn)行結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析?；瘜W(xué)方程式書寫得分率見(jiàn)表2。endprint

3.1 判斷物質(zhì)是化學(xué)方程式書寫能力的“瓶頸”

“教材基本反應(yīng)”、“課堂拓展反應(yīng)”、“信息遷移反應(yīng)”三個(gè)類別化學(xué)方程式判斷物質(zhì)總得分率分別為0.91、0.74、0.45，與整個(gè)方程式書寫總得分率的結(jié)果呈正相關(guān)。典型錯(cuò)誤見(jiàn)表3。

“教材基本反應(yīng)”由于學(xué)生普遍重視，加之?dāng)?shù)量少、反應(yīng)簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)時(shí)第一印象深刻、記憶牢固，多為直接判斷或低水平的分析判斷，因而判斷物質(zhì)準(zhǔn)確率高，總體得分也最高。“課堂拓展反應(yīng)”或是“教材基本反應(yīng)”的同類推衍，或是“教材基本反應(yīng)”的異同比較，或是改變反應(yīng)物用量和反應(yīng)順序的變式，或是對(duì)物質(zhì)性質(zhì)認(rèn)識(shí)的深化和拓展，要求學(xué)生具有較高的推理、辨析和理解能力，大多為綜合分析判斷，加之?dāng)?shù)量增加、反應(yīng)復(fù)雜化，因而判斷物質(zhì)準(zhǔn)確率明顯下降，總體得分也隨之下降。對(duì)于書寫“陌生”化學(xué)方程式，高達(dá)63.6%的學(xué)生認(rèn)為“不會(huì)判斷反應(yīng)物和產(chǎn)物”，還有11.7%的學(xué)生感到‘心理恐慌，無(wú)從下手”。反映了學(xué)生對(duì)“信息遷移反應(yīng)”中的信息解讀不充分、遷移應(yīng)用能力不足，高水平的綜合分析判斷能力差，因而判斷物質(zhì)準(zhǔn)確率低，總體得分也低。

有67.2%的學(xué)生采用記憶和理解相結(jié)合的方法，表明大多數(shù)學(xué)生能自覺(jué)地將元素化合物事實(shí)性知識(shí)的學(xué)習(xí)與氧化還原和離子反應(yīng)概念性知識(shí)的應(yīng)用相互滲透、相互促進(jìn)，但仍有47.0%的學(xué)生停留在孤立和機(jī)械記憶的層次上。如“把Cl₂通入到Na₂SO₃溶液中”（書寫離子反應(yīng)方程式），大多能判斷出氧化產(chǎn)物“SO₄^2-”和還原產(chǎn)物“Cl^-”，但由于“離子電荷守恒”意識(shí)淡薄，未能判斷出產(chǎn)物中有“H⁺”，再判斷出反應(yīng)物中有“H₂O”，最終未能得分。

3.2 配平是提高化學(xué)方程式書寫能力的“抓手”

“教材基本反應(yīng)”、“課堂拓展反應(yīng)”、“信息遷移反應(yīng)”三個(gè)類別化學(xué)方程式配平總得分率分別為0.89、0.72、0.39，與判斷物質(zhì)一樣，三個(gè)類別化學(xué)方程式總得分率依次呈顯著下降。典型錯(cuò)誤見(jiàn)表4。

配平主要問(wèn)題一是只關(guān)注元素原子個(gè)數(shù)相等，被假配平所迷惑。如“FeCl₂溶液中通入Cl₂”（書寫離子反應(yīng)方程式）表達(dá)為“Cl₂+Fe²⁺=2Cl^-+Fe³⁺”；又如“FeCl₃溶液腐蝕銅片”（書寫離子反應(yīng)方程式）表達(dá)為“Cu+Fe³⁺=Cu²⁺+Fe²⁺”。其深層原因還是受初中簡(jiǎn)單觀察法禁錮，未能從氧化還原反應(yīng)的“電子得失守恒”和離子反應(yīng)的“離子電荷守恒”的視角全面觀察分析。二是對(duì)配平的程序策略應(yīng)用生疏，這在復(fù)雜反應(yīng)和陌生反應(yīng)的配平中表現(xiàn)得更明顯。如“NH₃在Pt催化下被O₂氧化”，將O₂得電子數(shù)基準(zhǔn)混淆為2，而導(dǎo)致配平失??；又如“濃硝酸受熱分解”，對(duì)于這樣的“特殊”反應(yīng)，如何確定電子得失的基準(zhǔn)物質(zhì)和配平順序，學(xué)生毫無(wú)頭緒。閱卷分析發(fā)現(xiàn)，不少化學(xué)反應(yīng)學(xué)生已全部或部分地判斷出物質(zhì)，但受限于配平能力，最終半途而廢，令人惋惜。事實(shí)上，配平能力不僅關(guān)系到化學(xué)方程式物質(zhì)計(jì)量數(shù)的確定，還影響到化學(xué)方程式相關(guān)物質(zhì)的判斷。如“Al與NaOH溶液反應(yīng)”，大多數(shù)學(xué)生能判斷出產(chǎn)物NaAlO₂和H₂，如能結(jié)合電子守恒和鋁、鈉原子守恒，寫出“2Al+2NaOH——2NaAlO₂+3H₂↑”一步，再觀察氫、氧原子，就不難判斷出H₂O參與反應(yīng)。又如“把SO₂氣體通入到酸性KMnO₄溶液中”，相當(dāng)多的學(xué)生運(yùn)用電子守恒寫到“5SO₂+2MnO₂=5SO₄^2-+2Mn²⁺”一步，如果再具有較強(qiáng)的“離子電荷守恒”意識(shí)，就可避免先人為主地將“H⁺”確定為反應(yīng)物，將“H₂O”判定為產(chǎn)物的錯(cuò)誤。

對(duì)于化學(xué)方程式的配平，77.5%的學(xué)生認(rèn)為“了解方法、應(yīng)用不熟”。而方法的內(nèi)化和技能的熟練需要足夠的時(shí)間訓(xùn)練，學(xué)生暴露的問(wèn)題反映了教和學(xué)兩方面投入都不足。

3 反思與對(duì)策

3.1 感知、記憶和推理并重，提高判斷物質(zhì)能力

化學(xué)方程式是聯(lián)結(jié)宏觀現(xiàn)象和微觀粒子的中允對(duì)物質(zhì)性質(zhì)和變化的觀察和記憶，需要通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中生動(dòng)、直觀現(xiàn)象的感知才能深刻和持久。因此，在教學(xué)中要把物質(zhì)性質(zhì)和轉(zhuǎn)化的教學(xué)融人社會(huì)、生活和生產(chǎn)應(yīng)用情境中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)注意力；盡可能多地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親歷體驗(yàn)物質(zhì)的性質(zhì)和變化。

在一個(gè)單元的學(xué)習(xí)結(jié)束后，要有目的地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化進(jìn)行歸納小結(jié)，如常見(jiàn)氧化劑和還原產(chǎn)物、還原劑和氧化產(chǎn)物的歸納（見(jiàn)表5），常見(jiàn)元素的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化、常見(jiàn)物質(zhì)氧化順和還原順的比較等等，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律、構(gòu)建體系，促進(jìn)知識(shí)的有序化和結(jié)構(gòu)化，并充分發(fā)揮離子反應(yīng)和氧化還原有關(guān)規(guī)律的指導(dǎo)作用，感知、記憶和推理并重，提高判斷物質(zhì)的能力。

3.2 系統(tǒng)規(guī)劃，逐步提升配平能力

教材反應(yīng)直接給出了化學(xué)方程式的配平結(jié)果，加之反應(yīng)少且簡(jiǎn)單，學(xué)生易形成記憶依賴，這不利于學(xué)生配平能力的培養(yǎng)和提高。教學(xué)過(guò)程中教師要有意識(shí)地根據(jù)反應(yīng)特征和類別，讓學(xué)生嘗試自主配平，從中領(lǐng)悟并歸納步驟和方法，突破關(guān)鍵、抓住要點(diǎn)（見(jiàn)表6）。

同時(shí)教師要加強(qiáng)示范和引領(lǐng)，讓學(xué)生感受配平的策略和程序，從模仿到自覺(jué)，并通過(guò)一定的同類和變式訓(xùn)練逐步形成程序化、自動(dòng)化的化學(xué)方程式書寫技能。如“把SO₂氣體通入到酸性KMnO₄溶液中”（書寫離子反應(yīng)方程式），步驟分解為：endprint

第一步，由物質(zhì)的氧化性和還原性判斷反應(yīng)產(chǎn)物：SO₂→SO₄^2-；MnO₄^-→Mn²⁺；

第二步，由“電子得失守恒”確定氧化劑和還原劑以及氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物物質(zhì)的量之比：5SO₂+2MnO₄^-——5SO₄^2-+2Mn²⁺；

第三步，由“離子電荷守恒”確定產(chǎn)物H⁺及其計(jì)量數(shù)：5SO₂+2MnO₄^-——5SO₄^2-+2Mn²⁺+4H⁺；

第四步，由“原子守恒”確定反應(yīng)物H20及其計(jì)量數(shù)：5SO₂+2MnO₄^-+2H₂O——5SO₄^2-+2Mn²⁺+4H⁺；

第五步，由三個(gè)守恒及其化學(xué)方程式表達(dá)規(guī)范（標(biāo)注反應(yīng)條件、物質(zhì)狀態(tài)符號(hào)等）檢查，完成配平：5SO₂+2MnO₄^-+2H₂O=5SO₄^2-+2Mn²⁺+4H⁺。

由于氧化還原反應(yīng)類型復(fù)雜，配平過(guò)程的思維跨度較大，學(xué)生的氧化還原反應(yīng)方程式配平技能不可能一蹴而就。在高一年級(jí)，化學(xué)方程式的書寫要控制難度，對(duì)于信息遷移反應(yīng)方程式的書寫，要采用漸進(jìn)式和分散式的教學(xué)策略，逐步達(dá)到高水平能力要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本調(diào)查研究在一定程度上反映了高一學(xué)生化學(xué)方程式書寫能力現(xiàn)狀，給教學(xué)提供了有價(jià)值的信息反饋，給改進(jìn)和優(yōu)化教學(xué)以有益啟示。51.6%的學(xué)生感到書寫的化學(xué)方程式數(shù)量偏多，難度偏大?？梢?jiàn)，化學(xué)方程式書寫能力的培養(yǎng)和提高，貫穿于整個(gè)高中化學(xué)教學(xué)過(guò)程，要遵循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，有計(jì)劃、分階段實(shí)施。高一年級(jí)重在依托“化學(xué)1”模塊的元素化合物知識(shí)作為學(xué)習(xí)載體，掌握一般方法、程序和規(guī)范，不可操之過(guò)急。隨著學(xué)生思維能力的發(fā)展，在其他相關(guān)模塊學(xué)習(xí)和高三復(fù)習(xí)過(guò)程中，逐步引導(dǎo)學(xué)生基于化學(xué)概念和事實(shí)進(jìn)行演繹、綜合，書寫較為復(fù)雜的反應(yīng)方程式。endprint