基于化學(xué)核心素養(yǎng)的化學(xué)式計(jì)算教學(xué)

基于化學(xué)核心素養(yǎng)的化學(xué)式計(jì)算教學(xué)

石劍

（晉安區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，福建福州350011）

基于化學(xué)核心素養(yǎng)挖掘化學(xué)式計(jì)算的學(xué)科價(jià)值，具體以創(chuàng)設(shè)情境引發(fā)問題、運(yùn)用問題串引導(dǎo)建構(gòu)計(jì)算原理、應(yīng)用計(jì)算原理解決實(shí)際問題并提煉方法提升認(rèn)識(shí)等手段，開展化學(xué)式計(jì)算教學(xué)，提高學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

化學(xué)核心素養(yǎng)；化學(xué)式計(jì)算；三重表征

初中生普遍認(rèn)為化學(xué)式的計(jì)算比較難，主要存在下列認(rèn)知障礙：如何在宏觀、微觀與符號(hào)三者之間建立定量聯(lián)系？宏觀物質(zhì)或元素的質(zhì)量與微觀粒子的相對(duì)質(zhì)量之間如何轉(zhuǎn)換？為什么化合物中元素的質(zhì)量比能用化學(xué)式中對(duì)應(yīng)原子所占的相對(duì)質(zhì)量之比來計(jì)算？為什么化合物中某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)能用化學(xué)式中該元素原子占有的相對(duì)質(zhì)量與化合物的相對(duì)分子質(zhì)量之比來計(jì)算？化學(xué)式計(jì)算教學(xué)的現(xiàn)狀是：一些教師局限在知識(shí)傳授本身，僅把化學(xué)式計(jì)算當(dāng)成計(jì)算技能來教，重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)模仿計(jì)算。這樣的教學(xué)沒有挖掘化學(xué)式計(jì)算教學(xué)的化學(xué)核心素養(yǎng)價(jià)值，忽視了計(jì)算原理的探究過程與“三重表征”思維的建構(gòu)過程，不能有效突破學(xué)生的認(rèn)知障礙，教學(xué)實(shí)效性差，不利于提高學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)。因此，筆者基于化學(xué)核心素養(yǎng)對(duì)化學(xué)式計(jì)算教學(xué)進(jìn)行了研究。

一、基于化學(xué)核心素養(yǎng)要求，挖掘化學(xué)式計(jì)算的學(xué)科價(jià)值

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)識(shí)、實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任等五個(gè)維度［1］。前三個(gè)維度強(qiáng)調(diào)學(xué)科觀念和學(xué)科思維，元素觀、微粒觀等是化學(xué)基本觀念，運(yùn)用“三重表征”思維認(rèn)識(shí)物質(zhì)，借助于實(shí)證推理、模型認(rèn)知等方法研究物質(zhì)是典型的化學(xué)思維；第四個(gè)維度強(qiáng)調(diào)的是化學(xué)學(xué)習(xí)和研究的方式，科學(xué)探究作為化學(xué)學(xué)習(xí)和研究的重要方式，是形成科學(xué)觀念、發(fā)展科學(xué)思維、培養(yǎng)科學(xué)精神的重要手段和途徑；第五個(gè)維度強(qiáng)調(diào)科學(xué)精神和態(tài)度。［2］化學(xué)核心素養(yǎng)源于三維目標(biāo)又高于三維目標(biāo)。［2］作為化學(xué)教育的啟蒙階段，初中化學(xué)教育要為學(xué)生的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展打下扎實(shí)基礎(chǔ)，教師理應(yīng)基于化學(xué)核心素養(yǎng)的要求開展教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

化學(xué)式計(jì)算中隱含哪些學(xué)科核心素養(yǎng)價(jià)值呢？化學(xué)式是表征物質(zhì)的重要化學(xué)符號(hào)，化學(xué)式計(jì)算是初中“化學(xué)式”單元教學(xué)的重要組成部分。初中化學(xué)關(guān)于化學(xué)式的計(jì)算，主要包括根據(jù)化學(xué)式計(jì)算相對(duì)分子質(zhì)量、化合物中元素的質(zhì)量比、化合物中某元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及化合物與元素之間的質(zhì)量換算等。對(duì)照《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求和化學(xué)核心素養(yǎng)的五個(gè)維度，我們不難發(fā)現(xiàn)：在化學(xué)式計(jì)算教學(xué)中，學(xué)生可以采用探究式的學(xué)習(xí)方式，體驗(yàn)相關(guān)計(jì)算原理建構(gòu)過程，學(xué)習(xí)“三重表征”思維與模型認(rèn)知、實(shí)證推理等化學(xué)研究方法，發(fā)展微粒觀、元素觀；在應(yīng)用計(jì)算原理解決實(shí)際問題時(shí)，學(xué)生可以提高應(yīng)用知識(shí)分析問題、解決問題的能力，并認(rèn)識(shí)到化學(xué)式計(jì)算在解決生產(chǎn)生活和科研問題等方面的重要作用，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。這些就是化學(xué)式計(jì)算中隱含的化學(xué)核心素養(yǎng)價(jià)值，也是化學(xué)式計(jì)算教學(xué)的目標(biāo)與出發(fā)點(diǎn)。

二、基于化學(xué)核心素養(yǎng)的化學(xué)式計(jì)算教學(xué)過程設(shè)計(jì)及解析

學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)蘊(yùn)含了學(xué)習(xí)方式和教學(xué)模式的變革，要求化學(xué)課堂教學(xué)要在與現(xiàn)實(shí)生活緊密關(guān)聯(lián)的、真實(shí)性的問題情境中展開，要采用基于問題的、基于項(xiàng)目的活動(dòng)方式，基于體驗(yàn)式的合作和探究的建構(gòu)式學(xué)習(xí)［3］。因此，在基于化學(xué)核心素養(yǎng)的化學(xué)式計(jì)算教學(xué)中，教師可以創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實(shí)緊密關(guān)聯(lián)的問題情境導(dǎo)入新課，設(shè)計(jì)層層遞進(jìn)的“問題串”，引導(dǎo)學(xué)生基于問題自主建構(gòu)有關(guān)化學(xué)式計(jì)算的原理，并用以解決實(shí)際問題，從中提煉化學(xué)研究方法，發(fā)展學(xué)科觀念，形成科學(xué)態(tài)度。主要環(huán)節(jié)如圖1。

圖1 基于化學(xué)核心素養(yǎng)的化學(xué)式計(jì)算教學(xué)環(huán)節(jié)

具體教學(xué)過程的設(shè)計(jì)及解析如下：

（一）創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)問題

【情境創(chuàng)設(shè)】農(nóng)民選用氮肥時(shí)，常要考慮氮肥中氮元素含量的高低等因素。常用的氮肥有碳酸氫銨（NH4HCO3）、尿素[CO（NH2）2]等，等質(zhì)量的這兩種氮肥中哪種含氮量高？要解決這個(gè)問題，必須研究與化學(xué)式有關(guān)的計(jì)算，學(xué)習(xí)從定量視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)真實(shí)教學(xué)情境，從氮肥的選用引入，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注探究目標(biāo)，揭示從定量角度研究物質(zhì)組成的重要性。

（二）運(yùn)用“問題串”引導(dǎo)建構(gòu)化學(xué)式計(jì)算的原理

【問題1】從水的化學(xué)式H2O，你知道關(guān)于水的宏觀組成和微觀構(gòu)成的哪些信息？請(qǐng)用磁扣擺出水的微觀模型圖。

問題解決：

宏觀上，水由氫、氧元素組成；

微觀上，水由許多水分子構(gòu)成，每個(gè)水分子由2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子構(gòu)成。

水的微觀模型圖見圖2。

圖2 水的微觀模型圖

設(shè)計(jì)意圖：化學(xué)式的意義建構(gòu)是化學(xué)式計(jì)算的基礎(chǔ)與起點(diǎn)。從學(xué)生熟悉的水的化學(xué)式含義設(shè)置問題，遵循由易到難的教學(xué)原則，幫助學(xué)生建立符號(hào)與宏觀、微觀的聯(lián)系。建立水的微觀模型，有利于加深對(duì)元素、分子、原子等概念的理解，化抽象為形象，為探究化學(xué)式計(jì)算做好鋪墊。

【問題2】已知Ar（H）=1，Ar（O）=16，怎么求氫原子、氧原子在1個(gè)水分子中所占的相對(duì)質(zhì)量以及水分子的相對(duì)質(zhì)量？

問題解決：

氫原子所占的相對(duì)質(zhì)量=水分子中氫原子數(shù)×Ar（H）=2×1=2

氧原子所占的相對(duì)質(zhì)量=水分子中氧原子數(shù)×Ar（H）=1×16=16

水分子的相對(duì)質(zhì)量=氫、氧原子所占的相對(duì)質(zhì)量的總和=2×1+1×16=18

即：化學(xué)式中某元素原子所占的相對(duì)質(zhì)量=該原子數(shù)目×Ar（該原子）

相對(duì)分子質(zhì)量（Mr）就是化學(xué)式中各原子的相對(duì)原子質(zhì)量總和。

以化合物AxBy為例：化學(xué)式中A元素原子所占的相對(duì)質(zhì)量=x·Ar（A）Mr（AxBy）=x·Ar（A）+y·Ar（B）

設(shè)計(jì)意圖：在符號(hào)表征與微粒之間由定性到定量建立聯(lián)系，是“三重表征”思維的重要組成部分。學(xué)生基于微觀模型認(rèn)知，自主建構(gòu)水分子中氫、氧原子所占的相對(duì)質(zhì)量以及水的相對(duì)分子質(zhì)量的計(jì)算方法，并由特殊到一般，歸納出化學(xué)式中某元素的原子所占的相對(duì)質(zhì)量以及相對(duì)分子質(zhì)量的計(jì)算方法。

【問題3】根據(jù)相對(duì)原子質(zhì)量的計(jì)算公式：A（r某原子）=m（該原子）/[m（碳12原子）]，怎么用相對(duì)原子質(zhì)量計(jì)算1個(gè)氫原子、1個(gè)氧原子以及1個(gè)水分子的質(zhì)量？

問題解決：

設(shè)計(jì)意圖：運(yùn)用公式推導(dǎo)，認(rèn)識(shí)微粒質(zhì)量與相對(duì)質(zhì)量間的關(guān)系，突破在實(shí)際質(zhì)量與相對(duì)質(zhì)量之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的思維障礙。

【問題4】若水中有n個(gè)水分子，怎么用相對(duì)原子質(zhì)量計(jì)算水中氫元素、氧元素以及水的質(zhì)量？

問題解決：

若水由n個(gè)水分子構(gòu)成，則水中共含有2n個(gè)氫原子和n個(gè)氧原子。

設(shè)計(jì)意圖：在“宏觀物質(zhì)或元素的質(zhì)量”與“微粒的相對(duì)質(zhì)量”之間建立起聯(lián)系，也是“三重表征”思維的重要組成部分。學(xué)生基于微觀模型認(rèn)知，推導(dǎo)出氫、氧元素以及水的質(zhì)量的微觀計(jì)算公式，經(jīng)第二次由特殊到一般的歸納，得出元素與物質(zhì)質(zhì)量的微觀計(jì)算公式。這一步的推導(dǎo)為計(jì)算化合物中元素的質(zhì)量比和某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)鋪平了道路。

【問題5】怎么計(jì)算水中氫、氧元素的質(zhì)量比以及水中氫元素所占的質(zhì)量百分比（即：水中氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）？

問題解決：

即：以化合物AxBy為例：

m（A）:m（B）=[x·Ar（A）]:[y·Ar（B）]

化合物中各元素的質(zhì)量比=化學(xué)式中各元素原子所占的相對(duì)質(zhì)量之比。

由此推出化合物中某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的兩種計(jì)算方法：

①宏觀上：可用元素質(zhì)量與化合物質(zhì)量之比計(jì)算；

②微觀上：可用化學(xué)式中該元素所占的相對(duì)原子質(zhì)量總和與化合物的相對(duì)分子質(zhì)量之比來計(jì)算。

聯(lián)系宏觀與微觀，變形公式可求得相關(guān)元素質(zhì)量或物質(zhì)質(zhì)量：

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}4解決后，學(xué)生解決問題5變得輕而易舉。經(jīng)第三次由特殊到一般的歸納，學(xué)生建立起符號(hào)與宏觀、微觀之間的定量關(guān)系，建構(gòu)出元素質(zhì)量比和元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式，并找到了元素質(zhì)量與化合物質(zhì)量之間的換算關(guān)系。這為運(yùn)用化學(xué)式計(jì)算解決實(shí)際問題掃清了障礙。

通過五個(gè)連續(xù)性的、層層遞進(jìn)的“問題串”引導(dǎo)，學(xué)生在理解化學(xué)式的定性含義基礎(chǔ)上，運(yùn)用模型認(rèn)知、實(shí)證推理等化學(xué)研究方法，建構(gòu)出化學(xué)式計(jì)算原理。學(xué)生的思維經(jīng)歷了由微觀到宏觀、由定性到定量、由特殊到一般的推理過程（思維路徑見圖3）。這樣，三重表征思維與元素觀、微粒觀都得到了深化與發(fā)展。

圖3 化學(xué)式計(jì)算原理思維路徑

（三）應(yīng)用計(jì)算原理解決實(shí)際問題，并提煉方法提升認(rèn)識(shí)

建構(gòu)化學(xué)式計(jì)算原理的目的是為了應(yīng)用計(jì)算認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成、解決生產(chǎn)生活和科研實(shí)際問題。因此，教師有必要設(shè)計(jì)典型的生產(chǎn)生活或科研問題，讓學(xué)生通過解決問題，形成知識(shí)應(yīng)用能力。為此，筆者設(shè)計(jì)了三道例題。

例1.寫出尿素的化學(xué)式CO（NH2）2表示的意義：

⑴表示的物質(zhì)是______；它是由______、_____、_____和______元素組成的。

⑵表示該物質(zhì)的1個(gè)__________；該物質(zhì)的每個(gè)分子由___個(gè)____原子、___個(gè)____原子、___個(gè)____原子和___個(gè)____原子構(gòu)成。

⑶該物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量是_______。

⑷該物質(zhì)中____、____、____和____元素的質(zhì)量比為____________。

⑸這些元素在該物質(zhì)中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為______、______、______和______。

例2.請(qǐng)根據(jù)碳酸氫銨（NH4HCO3）、尿素[CO（NH2）2]的化學(xué)式計(jì)算：

⑴碳酸氫銨、尿素兩種氮肥中哪一種含氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高？

⑵120g尿素與多少克碳酸氫銨中含有的氮元素質(zhì)量相等？

例3.笑氣是一種醫(yī)學(xué)麻醉劑，研究發(fā)現(xiàn)它是一種氮氧化合物，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其中氮、氧元素的質(zhì)量比為7:4，求笑氣分子中氮、氧原子數(shù)目比。

（變式：已知笑氣中氮元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.64%，求笑氣分子中氮、氧原子數(shù)目比。）

設(shè)計(jì)意圖：通過例1反饋教學(xué)效果，練習(xí)有關(guān)化學(xué)式的簡(jiǎn)單計(jì)算，以尿素為例，總結(jié)出化合式的宏觀、微觀、定量含義，認(rèn)識(shí)化學(xué)式能比較全面地表征物質(zhì)的組成，培養(yǎng)元素觀和微粒觀。通過例2回扣并解決新課引入中提出的問題，揭示定量研究物質(zhì)組成的重要性，練習(xí)應(yīng)用化學(xué)式計(jì)算原理解決實(shí)際問題、規(guī)范解題格式，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。通過例3體驗(yàn)化學(xué)式計(jì)算的逆向應(yīng)用，總結(jié)元素質(zhì)量比、原子數(shù)目比、相對(duì)原子質(zhì)量比三者間的關(guān)系，認(rèn)識(shí)到在科研上可以通過測(cè)定元素的質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并運(yùn)用計(jì)算來確定物質(zhì)的化學(xué)式。

通過由易到難的三道例題的解答，學(xué)生應(yīng)用化學(xué)式計(jì)算，由全面認(rèn)識(shí)化學(xué)式含義，拓展到實(shí)際情境中解決問題，再提升到研究物質(zhì)的方法，鍛煉了分析和解決問題能力，提高了化學(xué)核心素養(yǎng)。

三、結(jié)語(yǔ)

與局限于知識(shí)傳授的教學(xué)對(duì)比，基于核心素養(yǎng)的教學(xué)的長(zhǎng)處是顯而易見的。首先，教學(xué)目標(biāo)定位更著眼于學(xué)生長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科思維、學(xué)科觀念、學(xué)科方法與科學(xué)態(tài)度等學(xué)科核心素養(yǎng)；其次，教學(xué)方式不再局限于“講記背練”，通常采用合作探究式的教學(xué)方式，突出探究與應(yīng)用的過程，展現(xiàn)深度思維；再次，教學(xué)設(shè)計(jì)更關(guān)注學(xué)生的學(xué)，更符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，更加以生為本。因此，教師應(yīng)加強(qiáng)核心素養(yǎng)的學(xué)習(xí)，按照化學(xué)核心素養(yǎng)的要求重新審視教學(xué)內(nèi)容，挖掘相關(guān)內(nèi)容的核心素養(yǎng)價(jià)值，以學(xué)定教，轉(zhuǎn)變教學(xué)方式，開展基于化學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)。

［1］王云生.基礎(chǔ)教育階段學(xué)科核心素養(yǎng)及其確定——以化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為例［J］.福建基礎(chǔ)教育研究，2016（2）.

［2］朱鵬飛.學(xué)科核心素養(yǎng)的研究進(jìn)展及其對(duì)中學(xué)化學(xué)教學(xué)的啟示［J］.化學(xué)教學(xué)，2017（1）.

［3］張賢金,吳新建.基于核心素養(yǎng)的高中化學(xué)課程改革如何“落地”［J］.化學(xué)教與學(xué)，2016（9）.

（責(zé)任編輯：張賢金）