創(chuàng)設(shè)真實情境提高化學(xué)計算教學(xué)實效

摘要： 在初中化學(xué)計算教學(xué)中運用實驗創(chuàng)設(shè)有趣而又有意義的情境，讓學(xué)生從不同的角度、不同的側(cè)面理解化學(xué)反應(yīng)中各物質(zhì)的數(shù)量關(guān)系，體會定量研究在化學(xué)科學(xué)中的價值，學(xué)習(xí)和提高化學(xué)計算的基本方法和技能。

關(guān)鍵詞： 實驗情境; 化學(xué)計算; 化學(xué)教學(xué); 教學(xué)設(shè)計

文章編號： 1005-6629（2018）11-0052-04中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

從化學(xué)計算的發(fā)展史來看，第一個把數(shù)學(xué)和化學(xué)相結(jié)合并取得重大成果的人是德國化學(xué)家里希特（1762～1807）[1]。里希特有很高的數(shù)學(xué)修養(yǎng)，他在質(zhì)量守恒理論的指導(dǎo)下第一次提出“化學(xué)計算”這一術(shù)語，創(chuàng)立了化學(xué)反應(yīng)中各種物質(zhì)之間質(zhì)量比的計算方法。在研究方法上，他也不只局限于對物質(zhì)變化的定性觀察，而是將數(shù)學(xué)、物理等知識與化學(xué)相融合，開展了定量分析，為化學(xué)發(fā)展成為一門可以用數(shù)字表示的真正的科學(xué)做出了貢獻。但“化學(xué)計算”不是空穴來風(fēng)，而是基于化學(xué)實驗事實。里希特試圖推導(dǎo)出適應(yīng)于所有化學(xué)反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)公式，結(jié)果失敗了，因為化學(xué)反應(yīng)千變?nèi)f化，反應(yīng)過程本身亦紛繁復(fù)雜。所以從量的角度解決化學(xué)問題并非單純的數(shù)學(xué)運算，也并非簡單的方法、技巧等技能的操練，而是以基本概念、基本理論、元素化合物知識為基礎(chǔ)，以化學(xué)式、化學(xué)方程式及溶液組成等蘊含的量的關(guān)系為依據(jù)，進行分析、判斷、推理、運算的過程。

從化學(xué)計算的教學(xué)方法來看，化學(xué)計算是初三學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的一個難點，也是造成學(xué)生兩極分化的一個原因。“依據(jù)化學(xué)方程式的計算”的教學(xué)，一些教師的習(xí)慣模式是“范例展示—模仿練習(xí)—錯誤分析—強化訓(xùn)練”，按照“設(shè)、式、量、比、算、答”的程序來組織教學(xué)。學(xué)生看似掌握了化學(xué)計算技能，但是實際上缺乏對定量研究物質(zhì)變化的理解。如何引導(dǎo)學(xué)生由感性到理性、由定性到定量來認識化學(xué)變化，正確理解與化學(xué)變化有關(guān)的定量計算問題，是擺在我們面前的重要課題。初中化學(xué)計算教學(xué)應(yīng)該依據(jù)課程標準，設(shè)計化學(xué)計算教學(xué)情境，幫助學(xué)生從宏觀與微觀、定性與定量相結(jié)合的視角去理解、掌握化學(xué)計算的基本方法和技能。

1 從課標的視角理解化學(xué)計算教學(xué)的內(nèi)涵

“依據(jù)化學(xué)方程式的計算”[2]是上海教育出版社義務(wù)教育化學(xué)教材（以下簡稱“滬教版教材”）第4章第3節(jié)的內(nèi)容，義務(wù)教育化學(xué)課程標準不僅要求“能根據(jù)化學(xué)方程式進行簡單的計算”，而且要求“認識定量研究對于化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重大作用”[3]。這就意味著我們不應(yīng)單純地從數(shù)字運算的角度教化學(xué)計算，更要讓學(xué)生明白在化學(xué)中“為什么要計算”以及“怎樣計算”？

“依據(jù)化學(xué)方程式的計算”是整個中學(xué)階段的化學(xué)計算所采用的基本計算方法，這節(jié)課的學(xué)習(xí)將為學(xué)生建立正確的化學(xué)計算的學(xué)科觀念打下基礎(chǔ)。

在滬教版教材的第3章中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了利用化學(xué)式計算化合物中元素的質(zhì)量分數(shù)的方法，在本節(jié)中又學(xué)習(xí)了質(zhì)量守恒定律和化學(xué)方程式，這些概念及原理為定量研究化學(xué)變化提供了基本依據(jù)。在教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在化學(xué)符號與其蘊含的數(shù)目、質(zhì)量等關(guān)系以及微觀與宏觀相結(jié)合方面存在較大的困難。因此在本課的教學(xué)中，要在學(xué)生的認知順序和心理發(fā)展順序的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生以化學(xué)計算為載體綜合運用實驗操作、物質(zhì)制備及其性質(zhì)等知識，加深對化學(xué)反應(yīng)中元素不變和質(zhì)量守恒的理解。為此，筆者對教材進行了深入的挖掘和創(chuàng)新，創(chuàng)設(shè)了有趣而又有意義的實驗情境，并依據(jù)實驗數(shù)據(jù)來設(shè)計計算題，使學(xué)生體會計量操作所得數(shù)據(jù)在化學(xué)變化中的意義，認識到化學(xué)計算是建立在化學(xué)基本概念、基本原理、符號表征基礎(chǔ)之上的，并且在實際生產(chǎn)和生活中具有廣泛的應(yīng)用價值。

2 設(shè)計具有真實應(yīng)用情境的化學(xué)計算

在化學(xué)實驗、化學(xué)科學(xué)研究和生產(chǎn)生活中存在著大量需要從量的角度去解決的化學(xué)問題，教師應(yīng)該善于將化學(xué)計算置于這些情境中。尤其是趣味實驗，以其簡單的操作，有趣的現(xiàn)象對初中學(xué)生會產(chǎn)生極大的吸引力。在課堂教學(xué)過程中，教師應(yīng)立足于學(xué)生的認知基礎(chǔ)，大力開發(fā)教材的實驗功能，以激活學(xué)生原有的知識[4]。筆者在本節(jié)課上設(shè)計了2個將反應(yīng)物“量化”的課堂演示實驗，創(chuàng)設(shè)了真實的實驗情境條件下的化學(xué)計算，用實驗穿針引線，把計算融入到對化學(xué)實驗探究問題的解決過程中，這樣就還原了化學(xué)計算的本質(zhì)——從定量的角度研究化學(xué)變化。

本節(jié)課實驗的設(shè)計重在創(chuàng)設(shè)真實的實驗背景，巧妙串聯(lián)教師精心設(shè)計的計算題及反思。由于不是實驗課，實驗操作要簡便易行，不糾結(jié)在繁雜的實驗細節(jié)上，突出計量操作所得數(shù)據(jù)的物理量的意義。在設(shè)計習(xí)題時，由于是新授課，按照逐步推進的基本教學(xué)原則嚴格控制問題的難度。

2.1 “象鼻牙膏”演示實驗

[實驗藥品及儀器]51mL 30%雙氧水、二氧化錳粉末、家用洗潔精、250mL錐形瓶

[實驗原理及過程]量取51mL雙氧水，向其中加入少量洗潔精，混合均勻，放在熱水浴中預(yù)熱1分鐘，注入裝有二氧化錳粉末（先用少量的水潤濕，以增大與雙氧水的接觸面積）的250mL錐形瓶底部，即刻有灰黑色的泡沫像擠牙膏似地從筒口不斷涌出，長長的、彎彎的泡沫片刻間溢出，酷似“象鼻子”。這是因為過氧化氫在二氧化錳催化下迅速分解生成大量氧氣，氧氣逸出與發(fā)泡劑形成泡沫。在泡沫涌出的過程中，教師請學(xué)生協(xié)助將帶火星的木條伸入“象鼻子”里，并提問帶火星的木條復(fù)燃的緣由。

[教學(xué)過程]教師告訴學(xué)生實驗中使用了含17g過氧化氫的雙氧水，并請一位學(xué)生上臺板演反應(yīng)的化學(xué)方程式。教師評價后簡述“象鼻子”實驗原理。

[提問]以過氧化氫分解反應(yīng)為例說明化學(xué)方程式能表示哪些含義？

[學(xué)生回答]表示過氧化氫在催化劑作用下分解生成水和氧氣這個事實。

[教師補充]

（1） 微觀意義

每2個過氧化氫分子分解成2個水分子和1個氧氣分子，分子個數(shù)之比為：

（2） 宏觀意義

每68份質(zhì)量的過氧化氫分解成36份質(zhì)量的水和32份質(zhì)量的氧氣，其質(zhì)量之比為：

[教師反問]“象鼻子”為什么會長這么長呢？

[教師啟發(fā)]形成象鼻子主要是由于反應(yīng)放出大量氧氣，氧氣越多，鼻子越長，我們能否估算實驗中放出多少氧氣？

[過渡提問]17g過氧化氫能生成多少克氧氣呢？

由此引出依據(jù)化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)之間質(zhì)量比的方法計算生成物的質(zhì)量的例題1。

設(shè)計意圖： 這個實驗有三個功能。一是激趣，夸張有趣的實驗有效地激發(fā)了學(xué)生積極的情緒并將學(xué)生帶入探究的課堂。帶火星的木條提醒學(xué)生自然聯(lián)想到泡沫中有氧氣，教師別出心裁的呈現(xiàn)方式開闊了學(xué)生的視野。二是借助雙氧水制取氧氣的反應(yīng)從微觀與宏觀相結(jié)合的角度復(fù)習(xí)化學(xué)方程式的含義，讓學(xué)生體會化學(xué)符號中蘊含的量的關(guān)系，為下面的化學(xué)計算做好充分的知識準備。三是根據(jù)這個實驗背景編寫了一個關(guān)于“象鼻子”長度的計算題。

[例題1]在上述“象鼻子”實驗中，使用了51mL含17g過氧化氫的雙氧水，在催化劑作用下最多能產(chǎn)生多少克氧氣？

設(shè)計意圖： 例題1中數(shù)據(jù)有真實的實驗背景，但在編制習(xí)題時根據(jù)實際實驗用量（30%雙氧水51mL、密度為1.11g·mL―1），避開學(xué)生沒有學(xué)到的溶液質(zhì)量分數(shù)等較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)，簡化為較接近學(xué)生認知水平的“17g過氧化氫”這一質(zhì)量數(shù)據(jù)。

例題1的作用是示范引領(lǐng)，是整節(jié)課的重點內(nèi)容。因此在教學(xué)中教師將5個步驟整齊地板書并重復(fù)強調(diào)。在算出氧氣質(zhì)量后，將計算“象鼻子”長度的物理和數(shù)學(xué)公式直接展示給學(xué)生，重點突出，難點分散，估算出的“象鼻子”長度與實驗中看到的視覺沖擊印象比較吻合，使這一實際問題有效解決。

[練習(xí)1]實驗室要用雙氧水制取8g氧氣，試計算有多少克過氧化氫參與反應(yīng)？

設(shè)計意圖： 練習(xí)1的作用是讓學(xué)生模仿練習(xí)，兩道題目都與過氧化氫的反應(yīng)有關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生做起來也饒有興趣，并且教師將題目變式為由生成物來計算反應(yīng)物。課堂采用學(xué)生板演、同桌互助的方式，便于檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)情況及時發(fā)現(xiàn)問題。

2.2 “固液”反應(yīng)演示實驗

師生共同配平化學(xué)方程式并復(fù)習(xí)配平化學(xué)方程式的依據(jù)。

以此實驗為真實背景，設(shè)計例題2與練習(xí)2并進行反思。

設(shè)計意圖： 氧化銅與鹽酸反應(yīng)的實驗是一個操作很簡便的試管實驗，但是它在本節(jié)課所承擔的作用卻不容低估： 一是自然地引入具有實驗情境的化學(xué)計算題;二是讓學(xué)生練習(xí)觀察實驗現(xiàn)象并養(yǎng)成準確進行語言描述的習(xí)慣;三是此處也是預(yù)設(shè)一個具體的問題情境，為解決反思性問題埋下伏筆。

[例題2]試計算0.4g氧化銅黑色粉末加入足量的稀鹽酸充分反應(yīng)后可以生成多少克氯化銅？

[練習(xí)2]0.4g氧化銅與足量稀鹽酸反應(yīng)生成氯化銅溶液，求鹽酸中參與反應(yīng)的氯化氫的質(zhì)量？（若生成氯化銅理論上須消耗0.365g HCl，由于稀鹽酸過量，回避了氯離子與銅離子形成配合物的復(fù)雜情形。）

設(shè)計意圖： 例題2與練習(xí)2中的數(shù)據(jù)也是演示實驗中的實際用量，在加熱條件下黑色氧化銅固體完全溶解形成綠色溶液。在實驗現(xiàn)象的輔助下，學(xué)生比較輕松地理解了反應(yīng)物“足量”的含義。教師與學(xué)生共同的練習(xí)使課堂學(xué)習(xí)的計算方法再次呈現(xiàn)，以加深學(xué)生對五個計算步驟的印象，進一步強化解題的規(guī)范，而且回避了“過量計算”問題。練習(xí)2的計算數(shù)據(jù)又可以幫助學(xué)生理解問題反思。

在習(xí)題呈現(xiàn)方式上設(shè)計了多種變式，這些教學(xué)措施的變換是根據(jù)學(xué)生的認知過程設(shè)計的，不但豐富了課堂形式，突出了教學(xué)重點，更重要的是消除了學(xué)生對化學(xué)計算的畏難情緒，學(xué)生在各種不同的訓(xùn)練中，嘗試到成功的快樂，逐漸對枯燥的計算課產(chǎn)生興趣。

3 提升學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)在化學(xué)計算中的應(yīng)用與理解能力

在中學(xué)化學(xué)計算教學(xué)中，教師投入大量時間和精力在計算技巧、方法的傳授上，甚至編出許多抽象、繁雜、脫離生產(chǎn)生活實際的“假題”讓學(xué)生反復(fù)練習(xí)，但學(xué)生還是不得要領(lǐng)。原因是忽略了計算的前提應(yīng)是具有可操作性的測量方法及其數(shù)據(jù)分析。筆者將計算問題置于真實的情境中，讓學(xué)生在解決實驗室及生產(chǎn)生活中有關(guān)“質(zhì)量、體積”等的實際測量問題時，真正體驗到定量研究的操作方法。教師通過反思性問題的提出也進一步延伸了實驗數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值。

[反思1]實驗室用含17g過氧化氫的雙氧水按照如圖1所示的裝置來制取并收集氧氣，能收集到8g氧氣嗎？

設(shè)計意圖： 通過這個問題的討論，讓學(xué)生體會“依據(jù)化學(xué)方程式的計算”僅僅是理論計算，實際測量中要考慮到裝置的合理性、氣體在水中的溶解性及排水法收集氣體的純度等各種因素。

因此練習(xí)1應(yīng)改為“實驗室要用雙氧水制取8g氧氣，試計算理論上至少要有多少克過氧化氫參與反應(yīng)？”因為過氧化氫要分解、氧氣還有一部分溶解在水中……這些都是得不到的氧氣。實際得到8g氧氣的話，真正消耗過氧化氫的質(zhì)量應(yīng)該超過理論計算量。

[反思2]將例題2中的“足量的稀鹽酸”改為“10mL含2g HCl的稀鹽酸”計算結(jié)果是否會改變？請你結(jié)合實驗現(xiàn)象說明理由。（學(xué)生對這個問題感到突然，大家不敢講話了。）

[教師引導(dǎo)]某同學(xué)敘述的哪個實驗現(xiàn)象說明反應(yīng)物的用量？

[學(xué)生]計算結(jié)果不變，因為黑色固體消失說明氧化銅完全反應(yīng)掉了，鹽酸是過量的。（一位同學(xué)舉手回答，全班響起了掌聲。）

設(shè)計意圖： 通過演示實驗讓學(xué)生觀察到0.4g CuO全部消失，要求學(xué)生根據(jù)氧化銅的質(zhì)量計算生成的CuCl2的質(zhì)量，在鹽酸中的HCl這個反應(yīng)物上進行了變式思考，先是足量鹽酸，再改成20mL含4g HCl的稀鹽酸，并且與化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象和練習(xí)2的計算結(jié)果相聯(lián)系，學(xué)生較容易理解在遇到多個數(shù)據(jù)時如何選擇。

通過以上有實驗背景的計算，學(xué)生不難從真實的“數(shù)據(jù)”中理解“真實的化學(xué)”，從而建構(gòu)有意義的深度學(xué)習(xí)。

綜上所述，“依據(jù)化學(xué)方程式的計算”實質(zhì)上也意味著化學(xué)計算的重點并不在單純的數(shù)字運算方法上，而是對化學(xué)概念、原理以及物理量關(guān)系的理解上。關(guān)鍵是看學(xué)生能否真正理解這類問題的化學(xué)意義并找到比例關(guān)系，即能否找到化學(xué)反應(yīng)中的相關(guān)物質(zhì)，以及已知量和未知量之間的對應(yīng)物理量關(guān)系。只有理解了建立在質(zhì)量守恒定律上的化學(xué)方程式中各種質(zhì)和量的物理量關(guān)系，才能依據(jù)條件選擇適當?shù)拇鷶?shù)關(guān)系進行計算[5]。

總體而言，這節(jié)課在充分把握教材的邏輯順序、學(xué)生的認知順序和心理發(fā)展順序的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)設(shè)真實和實用的情境，構(gòu)建了實驗和計算有機融合的個性化課堂，還原了化學(xué)計算的本質(zhì)。整節(jié)課突出了“依據(jù)化學(xué)方程式中物質(zhì)之間的質(zhì)量比關(guān)系”，通過有目的、有計劃地對問題進行合理的轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生從不同的角度、不同的側(cè)面去認識化學(xué)反應(yīng)中各物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系，在理解中學(xué)習(xí)，從而形成了一定的遷移能力，取得了良好的教學(xué)效果，為以后化學(xué)計算素養(yǎng)的提升奠定了基礎(chǔ)。

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