由計(jì)算到計(jì)量：初中化學(xué)用語計(jì)算教學(xué)的本質(zhì)回歸

汪定用

摘要：初中化學(xué)用語的計(jì)算教學(xué)存在簡單化和技能化傾向，忽略了學(xué)科本質(zhì)。從啟蒙和學(xué)科價(jià)值的角度來重新審視化學(xué)用語計(jì)算，并提出以計(jì)量思想為底色，走向?qū)W科智慧品質(zhì)，即在相對原子質(zhì)量中體現(xiàn)科學(xué)計(jì)量思想、用整體局部思想建構(gòu)有關(guān)相對分子質(zhì)量計(jì)算中的宏微關(guān)系、用符號表征思想領(lǐng)會根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的本質(zhì)等。

關(guān)鍵詞：觀念啟蒙；計(jì)量思想；化學(xué)用語；計(jì)算教學(xué)

文章編號：1008-0546（2017）07-0024-04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.006

從啟蒙的意義上看，初中化學(xué)不能視作化學(xué)學(xué)習(xí)的簡單階段，更不能視作所謂文科化的記憶階段，初三化學(xué)應(yīng)是從生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)并面向?qū)W科素養(yǎng)的學(xué)科啟蒙。在這個階段，學(xué)生的學(xué)習(xí)既離生活最近，又緊密聯(lián)系和建構(gòu)學(xué)科根基。這個階段的學(xué)習(xí)雖然說在知識上是少的，簡單的，但是在形成學(xué)科觀念上是豐富而深刻的。

初中化學(xué)用語計(jì)算是初中化學(xué)計(jì)算中的主體內(nèi)容，主要涉及有關(guān)相對分子質(zhì)量、化合物中元素質(zhì)量比、化合物中某元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、化合物純度和根據(jù)化學(xué)方程式的計(jì)算，分別安排在化學(xué)式和化學(xué)方程式的教學(xué)主題中。在教學(xué)實(shí)踐中，老師們認(rèn)為課程標(biāo)準(zhǔn)對這些化學(xué)計(jì)算定位得比較淺。比如化學(xué)式中元素質(zhì)量比的教學(xué)被簡單化地視為分子中相對分子質(zhì)量與原子個數(shù)乘積之比的模仿與操練過程，教學(xué)重心落在“純數(shù)字”的處理上，而忽視元素質(zhì)量比的概念含義和用分子中原子質(zhì)量比來量化宏觀元素的質(zhì)量比等諸多計(jì)量上的內(nèi)涵，忽略了化學(xué)計(jì)算在培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)上的啟蒙價(jià)值。因此，化學(xué)用語計(jì)算的教學(xué)需要由單一技能性知識教學(xué)轉(zhuǎn)向關(guān)注學(xué)科觀念本質(zhì)的智慧教學(xué)，需要由固定的教學(xué)模式即“教師示范、學(xué)生模仿、教師講解、學(xué)生操練”向生動深刻的學(xué)科理解性課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型。

一、計(jì)量思想催生了化學(xué)符號系統(tǒng)

質(zhì)和量是物質(zhì)存在的兩個基本屬性，其中量包括質(zhì)量和數(shù)量兩個基本物理量。計(jì)量是用一個規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)已知量作單位，和同類型的已知量相比較而加以檢定的過程?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)源自于希臘語stoicheion（元素）和metron（測量）。是在德國化學(xué)家里希特的建議下提出的，目的是要得到某些化合物中各元素之間的質(zhì)量比。近代科學(xué)史上的化學(xué)計(jì)量經(jīng)歷了當(dāng)量定律、定比定律、原子量測定、化學(xué)符號和分子學(xué)說等階段，由宏觀計(jì)量領(lǐng)域走向微觀計(jì)量領(lǐng)域?？梢哉f，計(jì)量的發(fā)展成就了化學(xué)學(xué)科發(fā)展，尤其是催生了化學(xué)符號系統(tǒng)的發(fā)展[1]。例如，化學(xué)用語“H2O”的發(fā)展過程，普魯斯特提出參與反應(yīng)的物質(zhì)，它們的質(zhì)量都成一定的整數(shù)比，即1克氫氣和8克氧氣化合生成9克水，假如不按此比例，多余的就要剩余而不參加反應(yīng)（即定比定律）。道爾頓在此基礎(chǔ)上又提出組成化合物時(shí)，不同元素的原子之間以簡單整數(shù)比相結(jié)合（即倍比定律），他認(rèn)為水為二元分子，即HO，并測定出氧的相對原子質(zhì)量為8。貝采里烏斯認(rèn)為道爾頓測定的相對原子質(zhì)量有誤，重新測定了氧的相對原子質(zhì)量為16，認(rèn)為一個水分子是由一個氧原子和兩個氫原子構(gòu)成，并更新了新的化學(xué)符號系統(tǒng)，從而為水的化學(xué)式“H2O”的最終確定奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

由此可見，化學(xué)用語是伴隨著計(jì)量產(chǎn)生和發(fā)展的，既是計(jì)量的結(jié)果，又具有計(jì)量的內(nèi)涵。由此，化學(xué)用語“語境”中的計(jì)算不只是簡單意義上的數(shù)的運(yùn)用，更不是一個單一的算的處理，而是計(jì)量層次上的內(nèi)涵表達(dá)。這就是作為啟蒙的初中化學(xué)用語計(jì)算的本質(zhì)所在。

二、計(jì)量思想在化學(xué)用語計(jì)算教學(xué)中的實(shí)踐

化學(xué)研究的物質(zhì)及其物質(zhì)變化存在著計(jì)量關(guān)系。從計(jì)量角度來看，物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系主要有兩個物理量，即數(shù)量和質(zhì)量，并由此延伸出濃度、酸堿度、反應(yīng)速率等物理量；從計(jì)量思想來看，定量觀是研究化學(xué)問題的重要思想方法，是用統(tǒng)計(jì)思想將宏觀事實(shí)與微觀本質(zhì)聯(lián)系起來，并將結(jié)果用符號來表征[2]。這里的計(jì)量思想主要是指在獲取、表達(dá)和分析物質(zhì)及其物質(zhì)變化存在的數(shù)量和質(zhì)量關(guān)系中提煉出來，有利于計(jì)量知識深刻理解的思維方法。初中化學(xué)定量觀的計(jì)量思想主要有科學(xué)計(jì)量思想、整體局部思想、符號表征思想和量變質(zhì)變思想。

1. 在相對原子質(zhì)量中體現(xiàn)科學(xué)計(jì)量思想

相對原子質(zhì)量既是原子質(zhì)量的計(jì)量，又是后續(xù)有關(guān)分子質(zhì)量和化學(xué)反應(yīng)計(jì)量的基礎(chǔ)，從計(jì)量思想的角度來把握相對原子質(zhì)量這個概念，是化學(xué)用語計(jì)算教學(xué)的關(guān)鍵開局。

教學(xué)片斷（人教版）

引入：微觀上原子雖小，但它也是有質(zhì)量的，不然宏觀上的物質(zhì)也就沒有了質(zhì)量。同學(xué)們估計(jì)一下，原子的質(zhì)量有多大呢？

呈示與說明：

（1）觀察圖1。

（2）6.02×1023個碳原子雖說是一個天文數(shù)據(jù)，但卻只有12g。

（3）出示與12g碳質(zhì)量相當(dāng)?shù)捻来a，即兩個5g砝碼和兩個1g砝碼。

感受：碳原子質(zhì)量很小。

講述：碳原子質(zhì)量大約是1.993×10-26kg，氧原子質(zhì)量約為2.657×10-26 kg，氫原子質(zhì)量約為1.67×10-27 kg，可見用千克、克等計(jì)量單位來衡量原子的質(zhì)量不合適，它使得數(shù)值太小，書寫和使用都不方便。

思考：原子質(zhì)量用怎樣的計(jì)量單位來衡量比較合適？

討論與匯報(bào)：用接近10-27 kg的計(jì)量單位。

介紹：

（1）以一種碳原子原子質(zhì)量的1/12作為標(biāo)準(zhǔn)，即圖2。

（2）列出氧原子、氫原子、碳原子等與這個標(biāo)準(zhǔn)的比式及比值。

（3）相對原子質(zhì)量H-1、C-12的比較（見圖3）。

（4）相對原子質(zhì)量的定義。

練習(xí)：查閱鐵原子和鋅原子相對原子質(zhì)量；由鐵的相對原子質(zhì)量56和鋅的相對原子質(zhì)量65，可以得出鐵原子和鋅原子在質(zhì)量和數(shù)量上的哪些信息？

相對原子質(zhì)量屬于微觀計(jì)量，以上片段包含三個教學(xué)環(huán)節(jié)：第一是通過天平情境勾勒出計(jì)量背景，在微觀與宏觀的聯(lián)系中建立微觀直觀，并體會原子質(zhì)量的真實(shí)存在和極其微小，為探尋合適的計(jì)量單位打下伏筆，并為高中“物質(zhì)的量”提前建立一致性關(guān)聯(lián)；第二是尋找合適的計(jì)量單位，并在求算中體驗(yàn)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和相對原子質(zhì)量的概念，這是教學(xué)的難點(diǎn)；第三是在具體情境中運(yùn)用相對原子質(zhì)量，體會相對原子質(zhì)量的計(jì)量意義。而這三個環(huán)節(jié)都是圍繞科學(xué)計(jì)量思想這個核心來展開。讓學(xué)生感受到使用什么樣的標(biāo)準(zhǔn)而使計(jì)量結(jié)果準(zhǔn)確簡約是計(jì)量智慧層面上的思考，亦即科學(xué)計(jì)量思想。而這里科學(xué)計(jì)量思想的啟蒙對于后續(xù)化學(xué)用語計(jì)算，還有溶液的濃度表示、溶解度等教學(xué)具有遷移作用。

2. 用整體局部思想建構(gòu)有關(guān)相對分子質(zhì)量計(jì)算中的宏微關(guān)系

有關(guān)相對分子質(zhì)量的計(jì)算包括相對分子質(zhì)量、物質(zhì)組成中元素質(zhì)量比和物質(zhì)中某元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)三部分內(nèi)容，其中相對分子質(zhì)量是基礎(chǔ)，宏觀上的元素質(zhì)量比、元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與微觀上的分子中原子質(zhì)量比、原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)建立實(shí)質(zhì)性聯(lián)系是教學(xué)難點(diǎn)。

教學(xué)片斷（人教版）

環(huán)節(jié)一：相對分子質(zhì)量

談話：

誰的質(zhì)量大，如何來說明？

指出：相對原子質(zhì)量是原子質(zhì)量計(jì)量上的偉大發(fā)明。

引入：

誰的質(zhì)量大？大多少？

思考與匯報(bào)：44>18，說明二氧化碳分子質(zhì)量大；比例為44∶18。

追問：44和18是怎么來的，分別表示了什么？

學(xué)生說明：12×1+16×2=44，1×2+16×1=18，即分別表示二氧化碳和水的相對分子質(zhì)量。

追問：相同質(zhì)量的水和二氧化碳中，誰所含的分子個數(shù)多？

學(xué)生說明：（1÷44）<（1÷18）或44a = 18b，可以說明水分子個數(shù)多。

形成：相對分子質(zhì)量。

精要練習(xí)（略）

環(huán)節(jié)二：元素質(zhì)量比與元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

對話：H2O中，1×2∶16×1=1∶8，表示的是什么？

得出：1∶8表示了水分子中氫原子與氧原子的質(zhì)量比。

思考與討論：宏觀上水是由氫元素和氧元素組成的，水中氫元素的質(zhì)量與氧元素質(zhì)量的比值即為氫、氧元素質(zhì)量比，那么如何求算這個質(zhì)量比呢？

匯報(bào)與提煉：1.宏觀上氫元素、氧元素的質(zhì)量就是微觀上所有氫原子、氧原子的質(zhì)量，所以氫元素與氧元素的質(zhì)量比在數(shù)值上等于所有水分子中氫氧原子質(zhì)量比，又因?yàn)槊恳粋€水分子都相同，所以這個質(zhì)量比又等于一個水分子中的氫氧原子質(zhì)量比，即1×2∶16×1=1∶8；2.宏觀上水的質(zhì)量就是微觀上所有水分子的質(zhì)量和，因?yàn)槊總€水分子都相同，所以宏觀上的水與微觀上的水分子是對應(yīng)的，于是水中氫、氧元素質(zhì)量比在數(shù)值上等于一個水分子中的氫、氧原子質(zhì)量比。

指出：宏觀上物質(zhì)組成元素的質(zhì)量比可以通過微觀上一個分子來計(jì)量，即以點(diǎn)代面。

追問：如何求算水中氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（即氫元素的質(zhì)量與各元素的總質(zhì)量之比）？

匯報(bào)：與求算元素質(zhì)量比一樣，可以通過水分子中氫原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)來求算，即1×2/18×100%。

環(huán)節(jié)三：提煉計(jì)算公式與鞏固（略）

環(huán)節(jié)一中，先通過比較碳原子、氧原子的質(zhì)量來溫習(xí)原子質(zhì)量的計(jì)量即相對原子質(zhì)量的概念，接下來在比較二氧化碳與水分子質(zhì)量的情景中引出對分子質(zhì)量的計(jì)量，并在對“44、18”的列式與表述中讓學(xué)生體會分子的質(zhì)量為各原子質(zhì)量和，反之各原子相對質(zhì)量和就是相對分子質(zhì)量，即計(jì)量中的整體局部思想，從而形成相對分子質(zhì)量的概念。環(huán)節(jié)二中進(jìn)一步應(yīng)用了整體局部思想，體現(xiàn)在“為什么水中氫氧元素質(zhì)量比在數(shù)值上等于一個分子中氫氧原子質(zhì)量比和如何求算水中氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)”的思考與追問之中，讓學(xué)生感受到圖6所呈現(xiàn)的完整的整體局部思想[2]，即物質(zhì)質(zhì)量與元素質(zhì)量，元素質(zhì)量與原子質(zhì)量，物質(zhì)質(zhì)量與分子質(zhì)量，分子質(zhì)量與原子質(zhì)量等。

3. 用符號表征思想領(lǐng)會根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的本質(zhì)

根據(jù)化學(xué)方程式的計(jì)算是從量的方面研究物質(zhì)的變化，而量的關(guān)鍵并不是具體計(jì)算問題中的數(shù)字，也不是計(jì)算過程中所列的比例式，而是深刻領(lǐng)會化學(xué)方程式這個符號表征所蘊(yùn)含的計(jì)量。

教學(xué)片斷（人教版）

環(huán)節(jié)一：體會化學(xué)方程式中的計(jì)量數(shù)

回顧：根據(jù)微觀圖示，寫出對應(yīng)的化學(xué)方程式。

評價(jià)：

讀：化學(xué)方程式。

追問：如果增加一個氫分子，即圖8

對應(yīng)的是幾個水分子？

闡述：還是兩個水分子。

體會：化學(xué)計(jì)量數(shù)是成比例的，比例是固定的。

環(huán)節(jié)二：領(lǐng)會根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的“根據(jù)”

辨析：根據(jù)化學(xué)方程式判斷“8g氫氣與4g氧氣燃燒后生成12g水”的說法是否正確？

思考與交流

匯報(bào)：1.根據(jù)化學(xué)方程式的計(jì)量數(shù)關(guān)系：v（H2）∶v（O2）∶

v（H2O）=2∶1∶2，得出：m（H2）∶m（O2）∶m（H2O）=2×2∶1×32∶2×18，因?yàn)?∶4∶12≠4∶32∶36，所以不可能生成12g水；

2.根據(jù)化學(xué)方程式，在質(zhì)量上m（H2）∶m（O2）=2×2∶1×32即1∶8，所以8g氫氣與4g氧氣中，8g氫氣有剩余，不可能生成12g水。

體會：化學(xué)方程式中的各物質(zhì)質(zhì)量比是固定的，這是根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的根本依據(jù)。

追問：如何計(jì)算生成的水的質(zhì)量呢？

展示：計(jì)算思路與格式。

環(huán)節(jié)三：鞏固（略）

化學(xué)方程式作為化學(xué)學(xué)科中獨(dú)特語言，它將宏觀反應(yīng)事實(shí)準(zhǔn)確、簡潔地用數(shù)字和符號來表示，變繁為簡地將宏觀與微觀聯(lián)系起來，是化學(xué)反應(yīng)定性與定量思維的核心工具。學(xué)生能否理解“可觀察的宏觀世界，分子、原子和離子構(gòu)成的微觀世界，化學(xué)式、化學(xué)方程式和元素符號構(gòu)成的符號世界”這三者之間的聯(lián)系，是影響學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的重要因素，而這也是符號表征思想的基本內(nèi)涵[3]。以上教學(xué)就是緊扣符號表征思想，先由微觀示意圖入手引出化學(xué)方程式，然后通過增加一個氫分子后生成幾個水分子的追問，讓學(xué)生體會化學(xué)方程式中計(jì)量數(shù)的微觀計(jì)量內(nèi)涵，為后續(xù)“定量”打下基礎(chǔ)。在教學(xué)環(huán)節(jié)二中通過對定量化的具體反應(yīng)實(shí)例的辨析和體會，讓學(xué)生深刻領(lǐng)悟微觀計(jì)量與宏觀計(jì)量的聯(lián)系，并體會宏觀上反應(yīng)中的各物質(zhì)質(zhì)量比的確定性，從而確立根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的本質(zhì)。

綜上所述，關(guān)注計(jì)量思想的化學(xué)用語計(jì)算教學(xué)，是為了將計(jì)算教學(xué)由單一技能向智慧層面提升，是試著從計(jì)量的角度抵達(dá)學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)踐探索。當(dāng)然，由計(jì)算到計(jì)量的教學(xué)轉(zhuǎn)向，并不排斥計(jì)算技能，而是給計(jì)算技能一個溫暖的學(xué)科本質(zhì)的底色，是朝向?qū)W科核心素養(yǎng)的回歸。

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