2017版課標視域下高中化學計算教學的意義、作用與實現(xiàn)

王新文，龔穎潮

（1.南京市天印高級中學，江蘇 南京 211100；2.南京市江寧區(qū)教學研究室，江蘇 南京 211100）

2017版課程標準中對化學計算沒有明確的要求，計算內(nèi)容也沒有規(guī)定，教材中對化學計算內(nèi)容沒有專門的安排，故計算教學在“難度把握”“內(nèi)容選擇”“教學評價”等方面均缺少必要的準則和借鑒，所以“自選動作”偏多而“隨意性”較強。面對統(tǒng)一的課程標準，厘清計算教學的價值與作用，確立計算教學應秉持的基本教學觀念，對當前計算教學及研究都至關重要。

一、高中化學計算教學的意義和作用

對中學階段化學計算的地位和價值的認識是定位計算教學意義、獲取計算教學基本觀念、保證計算教學有效性的前提。新課程視域下從學科、課程及計算之間的隸屬關系看，對化學計算教學所應秉持的基本觀念至少需從以下兩個方面認知。

（一）新課程理念——高中化學計算教學觀念的基石

1.化學的含義

化學是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結構、性質(zhì)及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)?！瘜W在促進人類文明可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的作用。[1]

無論從課程標準還是化學的未來來看，研究和創(chuàng)造物質(zhì)是化學的核心特征，計算在其中的地位可結合張嘉同教授在《化學哲學》中的觀點具體看待，張教授將物質(zhì)的組成問題、結構問題和反應問題確定為化學科學的基本問題。其中關于物質(zhì)的化學式、純度、晶體結構與密度，及圍繞物質(zhì)合成的“線路產(chǎn)率、速率限度”反應問題等均需要必要的計算。這樣看來，中學計算教學應以幫助學生理解物質(zhì)組成問題、結構問題、反應問題為目的，化學計算是重要的定量研究方法。

研究方法（技術）的涌現(xiàn)和學科理論的發(fā)展必然引起學科教學內(nèi)容的更新，化學計算的內(nèi)容也理應體現(xiàn)出學科的發(fā)展性。比如，有了pH計，復雜pH計算自然就要舍棄；“波譜”使分子結構的確定異常迅捷靈敏，自然要取代一些計算，這是化學尊重客觀事實的表現(xiàn)。計算的“舍”與“存”隨著化學實驗與技術的革新而變化，新技術的應用必將舍棄一些紙筆計算手段。就是說中學化學計算教學應站在化學科學發(fā)展的前沿進行組織。如2017版課標情景素材建議指出，選取波譜、色譜、X射線衍射、飛秒化學等向?qū)W生展示化學研究技術與應用，了解這些技術的價值就有利于規(guī)避無意義的計算教學。[2]

學科理論是化學獨立與發(fā)展的關鍵，化學計算正是理論（思想）的應用的范例之一。比如有了守恒理論的化學理解，便誕生了方程式配平及圍繞化學方程式的計算等。所以，計算教學的基本觀念必須站在化學的前沿，必須在了解化學發(fā)展的主要線索基礎上建構。

2.新課程的性質(zhì)

新課程強調(diào)通過基礎性、時代性等“主動”適應學生，這就需要教學以挖掘?qū)W科獨特的育人價值跟進?；瘜W新課程強調(diào)以發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)為主旨[3]，重視開展素養(yǎng)為本的教學，這需要教學將知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀進行有效整合，以教學促進健全的能適應未來社會發(fā)展的人為目標。所以，計算也應從社會發(fā)展的需要、學科發(fā)展的需要和學生發(fā)展的需要來合理使用教材，不應被束縛在過去的教學大綱和教材內(nèi)容體系中[4]，即“計算教學”的研究不應受教學大綱的“掣肘”。

為落實化學核心素養(yǎng)的課程目標，計算學習應體現(xiàn)出自主、合作、建構，計算教學應推動學生生成自己對計算價值與方法的認知，突出“1W2H”實施過程，即“why、howtodo和howabout”?！皐hy”指“為什么”：為何這樣聯(lián)結問題和已知；“howtodo”指“如何”：化學思想怎么用相應的載體、方法、程序及規(guī)范體現(xiàn)；“howabout”指“怎么樣”：結果與反思、評價等。

（二）學科能力——化學計算教學培養(yǎng)的具體目標

1.高中化學計算的特點

“化學計算”不再是課程標準及考綱中的獨立主題，所以也就沒有了大綱中規(guī)定的明確學習內(nèi)容。這決定于課標對“計算”的價值認識的導向，（參見表1）[5]。

表12017 版課程標準關于物質(zhì)的量的應用的要求

物質(zhì)的量的核心功用是“認識化學科學”，是具有“重要作用”的“定量研究”的方法。這和教學大綱單列化學計算的用意迥異：計算在教學大綱有“技能”傾向，在課標中則是解決化學問題的工具與方法，而且體驗性學習目標指出了教學需以幫助學生建構為主，二者對教材編寫及教學的指導很不相同?，F(xiàn)行教材已將物質(zhì)的量定位于化學量測提供理論和方法，為各類波譜及化學量測數(shù)據(jù)提供解析等[6]，如人教版必修1第一章第二節(jié)教材標題為“化學計量在實驗中的應用”[7]，契合了化學計量學的宗旨。

遵照課標意味著一定要杜絕將計算的重心置于“計算的本身”的教學，因為沒了具體規(guī)約，稍有不慎就會把化學計算技能當作知識教，進而導致走向“數(shù)學化”的計算，這并非危言聳聽。

早在2001年，宋心琦在《化學學科的現(xiàn)狀及基礎化學教育改革問題》就指出：“以數(shù)學計算來代替真正的理性化，不僅掩蓋了（至少淡化了）化學本身的特點……對于學生，要他們在基礎化學學習期間，通過計算來了解化學和對化學產(chǎn)生興趣，幾乎是不可能的……常聽到不少有經(jīng)驗的化學教師對于化學學習的過分‘數(shù)學化’所抒發(fā)的憂慮不僅表明他們有很好的化學學科本身的修養(yǎng)，同時表明他們已認同了現(xiàn)代教育學理論的基本觀點?！盵8]王夔在《中學理科教育中的創(chuàng)新教育問題》中指出，“學生把反應、性質(zhì)、定義、計算方法當作唯一的絕對的東西背下來，甚至有教師要求學生按照例題計算問題。這樣培養(yǎng)出的人很難有創(chuàng)新的愿望和素質(zhì)。”[9]

化學計算有別于數(shù)學、物理等學科計算的特點就是“物質(zhì)的量”，“摩爾是唯一一個專門針對化學量的SI基本單位，是化學計量的基礎”[10]。但并非使用了物質(zhì)的量的計算就能稱之為化學計算，物質(zhì)的量化學特色集中體現(xiàn)在三個方面：

首先，物質(zhì)的量的意義揭示了其特色（見表2）。“微觀量化”物質(zhì)組成和變化規(guī)律的可行性與必要性是三套教材的導語的共同特色，從認知過程來說，邏輯清晰：物質(zhì)是由微觀粒子構成的（初中）→構成物質(zhì)的微粒數(shù)目是可量化的→認知化學式的意義；物質(zhì)間是以一定的質(zhì)量比參加反應的（初中）→質(zhì)量比是微粒間數(shù)量比的宏觀現(xiàn)象→對物質(zhì)的定量化分析及定量化認知變化規(guī)律?？梢哉f，把物質(zhì)的量僅作為數(shù)學符號的計算教學是“數(shù)學化”的本源，只有將物質(zhì)的量用于對物質(zhì)或反應從“宏觀—微觀—符號”定性定量思維時，才是化學計算，物質(zhì)的量也才能表現(xiàn)出對化學的重大意義。

表2 三套現(xiàn)行教材關于物質(zhì)的量的導語

其次，物質(zhì)的量的概念是基于微觀世界形成的?？梢哉f物質(zhì)的量和摩爾的提出是化學計量學誕生的必然結果，之所以說是必然，是因為建立在“當量”基礎上的化學計量學必尋求對物質(zhì)組成的認識，在此探求過程中，定比定律、道爾頓原子理論、原子量測定、貝采里烏斯化學符號系統(tǒng)、阿伏伽德羅分子假說等理論先后提出，最終原子理論得以確立和發(fā)展，化合物、純凈物、元素、分子、原子等重要概念也在此思辨過程中得以建立，可以說對原子分子理論的接受可視為“物質(zhì)的量”和其單位“摩爾”的起源。[11]可見，物質(zhì)的量用于化學計量之所以方便，是因為它是“宏·微”轉(zhuǎn)化的橋梁，其深層價值在于獲取了剖析物質(zhì)組成的手段與方法，使研究分子創(chuàng)造分子成為可能。

第三，物質(zhì)的量對微觀粒子的感知想象作用具體表露了化學特色。物質(zhì)質(zhì)量的微觀實質(zhì)是什么？物質(zhì)體積的微觀模型是什么？微觀粒子有何特點？微粒形狀就是晶體形狀嗎？……物質(zhì)的量能引導學生有效建立對微粒物理屬性的感知（如圖1所示）。學生通過物質(zhì)的量豐富了對微觀世界的鏡像，具體與完善了微粒觀的內(nèi)涵，有助于建構起“符號”的靈動的化學意義，這是形成系統(tǒng)完備計算能力的基礎。

圖1 物質(zhì)的量相關概念對微觀世界的感知作用

可見，中學化學計算教學也不可狹隘地等同為解計算題的教學，就像數(shù)學教學和解數(shù)學題的教學。計算教學是為培育化學特有的思維方式，是為提高化學核心素養(yǎng)，解計算題的教學會過度關注“技能/技巧”的機械訓練，甚至為使用技巧而將計算淪為毫無意義的數(shù)字游戲。當然計算教學不排除解計算題的教學，但只有將解計算題的教學置于計算教學的系統(tǒng)下來看待，解題教學的目標、組織與過程才能夠和化學的含義、課標相匹配。

因此中學化學計算的基本特征為以物質(zhì)的量為工具，在化學思想指導下，定量化或半定量化加工化學信息獲取結論與證據(jù)，認識物質(zhì)組成、結構及處理簡單化學問題中數(shù)據(jù)、圖表的過程與能力。

2.高中化學計算的基本計算屬性

徐光憲在《今日化學何去何從？》中指出，“分子結構及其和性能的定量關系是化學的第二個21世紀難題，要大力發(fā)展密度泛函理論和其他計算方法”[12]。宋心琦在《化學學科的現(xiàn)狀及基礎化學教育改革問題》中指出：“……除去做必要的量子化學計算外，利用光譜計算某些組分的含量和推導反應動力學方程，以及常規(guī)的分子量、化學式量和產(chǎn)率計算等才是他們常作的計算工作。至于復雜體系的化學平衡狀態(tài)、理論計算也許在書寫論文時有人會加上一筆，在實際工作中，人們更相信用適當?shù)膶嶒灧椒ㄋ鶞y定的結果，而不是計算結果?！盵13]徐光憲所提的計算方法顯然超出了中學化學范疇，宋心琦所述的計算現(xiàn)狀與2003版課標和2018年考綱中的要求基本一致。

2017版課標對計算水平的要求（見表3）是置于解決實際問題的情境中來刻畫的，相比2003版課標較籠統(tǒng)，但學業(yè)要求中有類似的內(nèi)容。水平標準是極富內(nèi)涵的，要解決情境問題，先要理解所給數(shù)據(jù)的意義，甚至需要自己設計實驗或使用技術獲取數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選、分析、加工等過程，后從定量（半定量）角度對化學問題的分析與解決提供實證、推理或結果。鑒于當前數(shù)據(jù)獲取的渠道和手段隨著技術的成熟和跨學科能力的提升愈發(fā)豐富和多樣，使用不同設備、不同能力的人會用不盡相同的辦法，未必都需要計算，這就要求計算教學必須和具體科研、生產(chǎn)、生活相結合，進行真實的且必要的計算。立足核心素養(yǎng)培育教學主旨，教學應當積極落實或開發(fā)“基本計算”。

表32017 版課標中有關計算的要求

3.學科能力——高中化學計算教學的具體指向

這里“基本”有兩層含義：

第一，核心的。計算應以化學核心觀念（大概念）為“圓心”，用于診斷并發(fā)展學生對化學基本觀念、規(guī)律等形成的基本認識。通過計算學習，要使不同發(fā)展志向的畢業(yè)生能獲得必備的定量論證能力的素養(yǎng)。這種“基礎的、根本的、必備的”的內(nèi)涵可反映為“基本題型”。

第二，典型的。計算思維與技能應體現(xiàn)包容性和導向性，包容性強調(diào)基于基本觀念對解題思路與技能的進步抽象，表現(xiàn)為萬變歸一，導向性即引導學生做有意義的計算。通過計算學習，要能確實有助于在日常生活中合理地運用化學的量化方式處理與化學有關的各種事務。這種反映化學思維與方法的本質(zhì)的內(nèi)涵可解讀為“基本技能和基本方法”。

“基本”不排除創(chuàng)新，但不以創(chuàng)新為目的，無須為了創(chuàng)新而編撰數(shù)據(jù)或技巧化，必須且應該掌握的理念、思維與方法可以借鑒過往的規(guī)定（如2003版課標），但不可奉其為圭臬。2017版課標中基于問題解決的評價，從三維目標的融合與協(xié)同突出了整體育人要求，這對計算教學也是孕育創(chuàng)新實踐基因的。

計算教學的具體培養(yǎng)目標既是教學有效性的指標，也有助于教師組織及評價教學內(nèi)容，計算理應強調(diào)以考查學生的科學素養(yǎng)和化學學科能力為主旨。楊玉琴基于化學學科本質(zhì)及其特殊要求的分析，把化學學科能力要素確定為“符號表征能力、實驗能力、模型思維能力和定量化能力”[14]。從直接相關來說，符號表征能力是定量化能力的基礎。首先它隱含著“定量化”水平。比如常溫下溶液中某離子水解的“可逆”符號一般意味著“程度小、產(chǎn)物少（沉淀氣體成不了）”等。其次，對符號的理解水平?jīng)Q定著“定量化”能力與水平，如從化學式獲取物質(zhì)性質(zhì)信息及關系的結果（如圖2所示）?；诨绢}型、基本技能與方法，模型思維則是引導學生建構認知方式、思維、分析及表征范式的過程目標。

基于學科能力要素可知，“定量化/半定量化”是認知物質(zhì)性質(zhì)、概括/刻畫化學規(guī)律等的角度，它伴隨著整個化學學習過程，它在宏觀與微觀、經(jīng)驗與理性中交織，它客觀反映了學生的學科素養(yǎng)水平。學生對微粒觀的建構水平、變化規(guī)律的理解層次及符號表征水平，及對數(shù)據(jù)（曲線）關系中蘊含的化學含義及規(guī)律的理解解析能力均為計算能力的重要組成部分，所以化學計算教學不是只涉及計算的教學，是涵蓋化學綜合素養(yǎng)，是指向四種能力的教學。

圖2 從化學式獲取物質(zhì)性質(zhì)信息及關系

2017版課標將化學計算作為“方法”融入創(chuàng)造分子的“系統(tǒng)”：它被稀釋在“實驗探究、物質(zhì)與應用、反應規(guī)律及科學發(fā)展”的主題中，服務于對物質(zhì)結構性質(zhì)的認知，對概念原理的認知，對物質(zhì)微粒性的認知及對化學符號的認知之中，成為和其他化學素養(yǎng)難以剝離的重要組成部分。提高計算能力就須提升學生三維表征水平。一個化學基礎不好的學生，即便天天進行計算演練也難以抵達應有的高度。

基于2017版課標，中學化學計算是為了實現(xiàn)以量進行研究、證實或證偽的需要，主動獲取數(shù)據(jù)或合理選擇數(shù)據(jù)并整理加工的過程，是刻畫學生學習結果具體維度之一，盡管當前紙筆測試還是以考查數(shù)據(jù)加工策略與水平和運算能力為主，想必未來改革是必然的。當前計算教學的實質(zhì)是以學科理論或思想為指導，結合學習和生活實際問題以元素化合物知識為載體，以基本概念、基本理論和變化規(guī)律為思維基礎，以基本計算和化學用語技能為基本技能，從物質(zhì)的量的角度，促使學生對化學反應（現(xiàn)象）從定性和定量的結合分析和推理，其目的在于加強對概念原理的理解，在不同層面認識物質(zhì)，進一步認識和掌握元素及化合物的性質(zhì)及變化規(guī)律，培養(yǎng)和形成學生解決基本計算類化學問題的技能結構。

二、高中化學基本計算教學的實現(xiàn)

化學計算的有效教學應以符號描述物質(zhì)及其變化為核心的三重表征思維能力為基礎，針對化學計量問題，以學科思想觀念為指導，理解數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)變化中隱匿的化學過程，融合數(shù)學思維進行分析推理及表達獲取結果或結論的主動建構過程。具體落實需重視以下策略。

1.重視對變化的量化表征

要從計量視角理解化學變化，需要基于三重表征建構對變化的量化表征。“曲線表征”的核心價值就在于能引導學生通過“量變”去解釋并感知“質(zhì)變”，進而獲得“宏微符”不同層面的結論及規(guī)律。這就需要凸出實驗教學，加強對實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或曲線的化學理解。圖像是中學基本的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式之一，圖像表征是通過對反應過程中兩種變量之間數(shù)量對應關系的描述，形成的反映物質(zhì)變化趨勢、關系及幅度等特點的線段及其組合，它以“數(shù)”和“形”相結合的形式揭示了反應所遵循的化學原理與規(guī)律，故既可以根據(jù)反應的原理做出相應的圖像，也可以根據(jù)圖像推理得出物質(zhì)反應的原理。[15]量化表征意識和能力是學生計算能力的基礎，將量化表征貫徹于核心概念、原理的教學，能引導學生體驗到計量在三重表征思維形成中的工具性，并逐步轉(zhuǎn)化為將量變與質(zhì)變有效關聯(lián)的意識、方法及策略。如有了向AlCl3溶液中滴加NaOH溶液實驗的“沉淀量變”圖像模型，那么解決AlCl3和NaOH相互滴加的計算問題，思路與表達就會清晰而多元，解決方法自然會靈活很多。

建構“量”的含義及多維表征，就培養(yǎng)了讀懂數(shù)、型的化學語義的能力，自然就提升了應用的智慧。

2.突顯基于核心觀念的結構化

2017版課標修訂要求中明確提出“重視以學科大概念為核心，使課程內(nèi)容結構化”，這就需要教學的結構化與之匹配。大概念就是學科核心觀念，它是對物質(zhì)及其變化的本質(zhì)和其認識過程的高度抽象的思維產(chǎn)物。落實基本計算教學需要對基礎知識和認知策略圍繞基本觀念進行融合生成，并在解決實際問題中得以完善。比如“守恒”就是對化學反應用對立統(tǒng)一、聯(lián)系發(fā)展觀點考察的認知結果，教學要先幫助學生認知守恒后再應用。如果直接跳躍到用守恒解決計算問題，會讓守恒成為“空中樓閣”且體現(xiàn)不出計算的基本屬性的內(nèi)涵，而造成方法的“灌輸”，從而人為地制造了計算教學的難度。

基于學生的基礎知識構建守恒認知，包括知道化學視角的守恒主要有原子守恒、電荷守恒和得失守恒，了解各守恒的含義及適用背景，理解守恒是抓住“始末狀態(tài)”而忽略過程分析的思維推理方法，感悟自然科學的客觀規(guī)律在化學中的表述。如，能量既為一種客觀存在形式，那么依據(jù)守恒可知，它在變化中也應該是守恒的。盡管化學對能量守恒沒有進行刻意的實驗證明，但這種邏輯思維發(fā)展了認知能力。這就是基本觀念對于未知知識架構的積極意義?；趯κ睾愕睦斫?，學生能意識到計算就是挖掘出化學過程中隱匿的守恒關系并利用方程的思維方式求解未知量的過程。

基于核心觀念的結構化，就不會過分強調(diào)“差量法”“關系式法”等名稱之別，而抓住守恒的本質(zhì)進行教學。表現(xiàn)為“以不變應萬變”而避免“學生跟著習題跑”的教學智慧。

3.落實基本題型與基本技能

江蘇省2018年選修考綱在命題指導思想中明確提出以落實“立德樹人”為根本任務，將學生的科學素養(yǎng)和化學學科能力以化學基本思想、基本方法、基礎知識和基本技能為載體進行考查?；凇敖獭W、評”一體化，2018年考綱中示例的典型題可成為落實基本題型與基本技能的具體案例。

鐵黑產(chǎn)品中Fe3O4的含量是判斷產(chǎn)品等級的依據(jù)之一。某鐵黑樣品中混有的雜質(zhì)為FeO、Fe2O3中的一種。根據(jù)國標方法進行的測定實驗如下……請計算樣品中的質(zhì)量分數(shù)（寫出計算過程）。[16]

從基本題型來看，這是以元素化合物知識為載體的關于純度及化學式的計算。對此，從基本技能來看，需要落實有效數(shù)字處理、化學式含義、計算能力及守恒。從落實來看，應基于學生思維的解題過程，提出矯正與優(yōu)化，并做好示范建模：分析建模、書寫規(guī)范、表達規(guī)范。

除此外，還有針對化學平衡及溶液中離子濃度的計算試題（題略）。

從基本題型來看，這類題大都是將平衡常數(shù)隱匿在圖、表中，要能據(jù)圖像或表格中數(shù)據(jù)計算出來，并分析出對指定問題的結論，或像基于溶度積常數(shù)，判斷沉淀先后或解決共沉淀問題。離子濃度的大小涉及定量化和半定量手段，難點在于質(zhì)子守恒式的建立。從落實來看，應針對典型題型生成基本的思維及表達模式，以認知模型的建立和應用進行必要的訓練，也是不難掌握的。

針對題型的教學實現(xiàn)重在落實“范式”，“1W2H”教學策略是學生計算思維構建與完善的范式，數(shù)據(jù)處理及表征的范式（技能）即為基本方法。萬不可將基本方法絕對化，合理的表征都是可取的。學生未必選擇和教師一樣的“解法”，但也能走到正確的道路上來，這就是基于計算的“基本”內(nèi)涵而應有的教學理念。

自然科學中的計算脫離不了解方程或方程組的簡單數(shù)學思維，即解題的本質(zhì)在化學過程的“變”中尋得“定”來，進而通過等式求解出未知的“數(shù)”，但化學視域下的數(shù)、圖、表都是具有化學內(nèi)涵的，分析論證過程當是化學內(nèi)涵的關聯(lián)過程，可以借助數(shù)軸、數(shù)學思維等工具進行輔助解決，但不必過分強調(diào)數(shù)學方法而脫離“化學味”，很多化學計算是不可脫離化學理解的數(shù)學運算。所以在命題和教學中都應該牢牢抓住計算的“基本屬性”，不必也不可過分擴大“數(shù)學思維”與“技能”。

基于2017版課標，高中化學計算重在發(fā)展定量分析和研究問題的能力，注重對學生的思維品質(zhì)和化學技能的培養(yǎng)，這體現(xiàn)了化學作為一門成熟自然科學的特點。

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