真實(shí)情境下的化學(xué)計(jì)算教學(xué)

楊婷

摘要：針對傳統(tǒng)化學(xué)計(jì)算教學(xué)“為計(jì)算而教計(jì)算”、教學(xué)情境素材老舊或脫離實(shí)際等問題，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境及問題情境，聯(lián)系中考題型及內(nèi)容，結(jié)合初高中銜接理念，開展一堂以樣品中碳酸鈣含量的測定為主要內(nèi)容的化學(xué)計(jì)算課，幫助學(xué)生理解化學(xué)計(jì)算的學(xué)科價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)計(jì)算解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：化學(xué)方程式;計(jì)算;真實(shí)情境;初高中銜接

一、教學(xué)理念的提出

2011年版初中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)在“課程基本理念”中強(qiáng)調(diào)：為學(xué)生創(chuàng)設(shè)體現(xiàn)化學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境相互關(guān)系的學(xué)習(xí)情境，使學(xué)生初步了解化學(xué)對人類文明發(fā)展的巨大貢獻(xiàn)。初中階段的化學(xué)計(jì)算包含化學(xué)方程式計(jì)算、溶液配制及稀釋的計(jì)算、溶液組成計(jì)算及有機(jī)物的相關(guān)計(jì)算等，而高中階段的化學(xué)計(jì)算多數(shù)是以此為基礎(chǔ)進(jìn)行延伸和深化，因此，化學(xué)計(jì)算是初高中銜接教學(xué)的重要內(nèi)容。初中化學(xué)計(jì)算以提高學(xué)生分析能力及運(yùn)算能力、培養(yǎng)學(xué)生定量思想及守恒觀為主要目標(biāo)，能夠幫助學(xué)生形成科學(xué)的學(xué)習(xí)和思考方法，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

從中考試題的命制角度來看，中考計(jì)算題已逐步摒棄“為計(jì)算而計(jì)算”的出題方式，走出“偏、難、怪”的命題誤區(qū)，這也和高考命題改革相一致?，F(xiàn)今人們普遍認(rèn)為，只有真實(shí)情景的化學(xué)計(jì)算，才能讓學(xué)生體會(huì)到化學(xué)計(jì)算的實(shí)用價(jià)值，才能讓學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用化學(xué)計(jì)算解決實(shí)際問題，才能讓學(xué)生真切地體驗(yàn)并感受到化學(xué)方程式計(jì)算的重要意義。

此外，化學(xué)方程式不是符號(hào)和數(shù)字的簡單組合，而是對化學(xué)反映宏觀事實(shí)和微觀本質(zhì)的符號(hào)表征。實(shí)踐證明，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(hào)構(gòu)成的符號(hào)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。化學(xué)方程式的計(jì)算也不僅僅是簡單地從數(shù)學(xué)運(yùn)算的角度進(jìn)行化學(xué)計(jì)算，而是要求學(xué)生結(jié)合情境，理解為什么要計(jì)算和如何先分析再計(jì)算。

從化學(xué)計(jì)算的常規(guī)教學(xué)角度來看，對于化學(xué)方程式計(jì)算的教學(xué)，在傳統(tǒng)教學(xué)中，一些教師的教學(xué)模式是“例題展示—模仿練習(xí)—錯(cuò)誤分析—強(qiáng)化訓(xùn)練”，按照“設(shè)、式、量、比、算、答”的程序來講解。誠然，這樣的模式也能讓學(xué)生較好地掌握計(jì)算的技能，但課堂顯得枯燥、乏味，不能充分體現(xiàn)“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)”的化學(xué)學(xué)科特點(diǎn)，更重要的是學(xué)生缺乏對定量研究物質(zhì)變化的理解。

綜上所述，筆者認(rèn)為，化學(xué)計(jì)算教學(xué)應(yīng)結(jié)合學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，與化學(xué)學(xué)習(xí)方法、化學(xué)觀念等融合，從而進(jìn)行有趣且高效的教學(xué)。

下面以“化學(xué)方程式的計(jì)算”為例，試圖創(chuàng)設(shè)一個(gè)真實(shí)且可以隨著學(xué)生知識(shí)的生成持續(xù)變化的教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)到化學(xué)計(jì)算并非單純的數(shù)學(xué)運(yùn)算，而是真正具有實(shí)際意義的計(jì)算。

二、課前準(zhǔn)備

（一）選擇適當(dāng)?shù)乃夭?/p>

由于本課實(shí)驗(yàn)只是輔助，因此所選用的實(shí)驗(yàn)需操作簡便、數(shù)據(jù)易得，同時(shí)需結(jié)合學(xué)生已有的知識(shí)和初中化學(xué)中典型的計(jì)算類型，最終筆者選擇了“樣品中碳酸鈣含量的測定”這一課題。其基本思路是：根據(jù)實(shí)驗(yàn)中收集到的CO2的量來推算CaCO3的質(zhì)量，從而算出樣品中CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)探究點(diǎn)是：如何測定實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的CO2的量。

對于氣體，可以用兩種方法進(jìn)行測量。一是直接稱量反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量，通過計(jì)算其差值即可算出氣體的質(zhì)量。二是通過測氣體的體積來推算氣體的質(zhì)量。對于本課CO2的質(zhì)量測定來說，這兩種方法都可以。本課則運(yùn)用這兩種方法分別測定同一種樣品中碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對比兩個(gè)結(jié)果，進(jìn)行誤差分析。

（二）選擇合適的藥品及用量

（1）藥品的選擇。筆者預(yù)先對以下幾種樣品進(jìn)行了選擇，分別是：大理石（石灰石），鈣片（主要成分為碳酸鈣），珍珠粉，碳酸鈣粉末?？紤]到本節(jié)課的重難點(diǎn)均不在實(shí)驗(yàn)操作或?qū)嶒?yàn)探究上，并且課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，實(shí)驗(yàn)要在短時(shí)間內(nèi)完成，因此反應(yīng)的快慢程度非常重要。經(jīng)過試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)：大理石（石灰石）反應(yīng)速率中等;鈣片反應(yīng)速率較慢;珍珠粉雖然反應(yīng)很快，但是會(huì)出現(xiàn)較多泡沫，把粉末“托舉”起來，使反應(yīng)不能完全進(jìn)行;而碳酸鈣粉末反應(yīng)很快且不會(huì)出現(xiàn)“泡沫托舉”現(xiàn)象。因此，筆者最終選擇碳酸鈣粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）藥品的用量。對于用稱量法來測CO2質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)，樣品的用量可以有較多的選擇。而對于通過測體積法來計(jì)算CO2質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)，樣品的用量就不能隨意選擇，藥品用量取決于集氣瓶的規(guī)格，必須控制產(chǎn)生的CO2體積在集氣瓶的容積以內(nèi)。經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)對比，筆者認(rèn)為取用1克左右的碳酸鈣樣品較為合適。

（三）選擇相應(yīng)的裝置和操作方法

（1）稱量法測CO2的質(zhì)量。因?yàn)镃O2是氣體，且1克左右的碳酸鈣與足量的稀鹽酸反應(yīng)，產(chǎn)生的CO2大約是0.44克，用普通托盤天平難以準(zhǔn)確稱量，所以需要選擇精度比較高的電子天平。

反應(yīng)容器的選擇：試管口徑較小，滴加稀鹽酸容易沖出，造成較大的損耗;放在錐形瓶中進(jìn)行，不會(huì)有液體沖出，但是因?yàn)镃O2的密度比空氣大，短時(shí)間內(nèi)難以全部逸出，容易造成較大的誤差。所以，我選擇在小燒杯中進(jìn)行。燒杯口比較大，氣體容易逸出，比較合適。

操作方法：向盛有樣品的小燒杯中滴加稀鹽酸，不宜選擇直接傾倒的方法，因?yàn)橹苯觾A倒會(huì)導(dǎo)致液體沖出，造成較大的誤差。

（2）體積法測CO2的質(zhì)量。用體積法測氣體的體積主要有以下幾種方法（裝置如圖1所示）。

筆者用第一種方法嘗試過多次，效果均不太理想。原因是樣品和稀鹽酸反應(yīng)很快，產(chǎn)生的CO2氣流不穩(wěn)定，所以排出水?dāng)鄶嗬m(xù)續(xù);另外，讀數(shù)時(shí)兩邊的液面要保持相平，否則會(huì)產(chǎn)生壓強(qiáng)差，使測定結(jié)果產(chǎn)生誤差。

用第二種方法直接在量筒里收集氣體，然后直接讀數(shù)，應(yīng)該是比較準(zhǔn)確的。但是，取1克左右的碳酸鈣樣品，產(chǎn)生的CO2大約為220毫升，實(shí)驗(yàn)室沒有大規(guī)格的量筒（若取用樣品的質(zhì)量較少的話，誤差會(huì)比較大），而且最關(guān)鍵的是不易操作。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，筆者認(rèn)為第三種方法比較好。選擇250毫升規(guī)格的集氣瓶，可以調(diào)節(jié)集氣瓶內(nèi)外壓強(qiáng)差，最后根據(jù)集氣瓶中留下的水的體積算出CO2的體積，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫度下的密度把體積換算成質(zhì)量。

用上述方法測得的樣品中碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)果有差異，體積法測定的結(jié)果偏低，稱量法測得的結(jié)果比較準(zhǔn)確。

三、課堂活動(dòng)（片段）

[問題]如何測定1g粉末樣品中碳酸鈣的含量？

[知識(shí)回顧]

1.空氣中的氧氣體積含量是如何測量的？（如圖2所示）

2.測定質(zhì)量守恒定律的實(shí)驗(yàn)為什么要在密閉容器中進(jìn)行？（如圖3所示）

[學(xué)生歸納]

1.紅磷燃燒消耗氧氣，通過測量水的體積間接測量氧氣的體積。

2.碳酸鈣和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w會(huì)跑掉，使天平不平衡。

[結(jié)論]可以通過直接稱量和間接測量的方法得出氣體的質(zhì)量，然后帶入化學(xué)方程式計(jì)算。

【設(shè)計(jì)意圖】根據(jù)布魯納的建構(gòu)主義理論，通過對已學(xué)知識(shí)的回顧為學(xué)生搭建腳手架。學(xué)生在對空氣中氧氣含量的測定及質(zhì)量守恒定律的學(xué)習(xí)中就接觸過氣體質(zhì)量的相關(guān)測定，用這兩個(gè)例子引入測量氣體體積和質(zhì)量的方法，也可為后面的化學(xué)計(jì)算做鋪墊。

[實(shí)驗(yàn)]

1.直接稱量法。

（1）用電子天平稱取1克左右的樣品放在小燒杯中，與過量的稀鹽酸一起稱量總質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。

（2）向粉末中滴加稀鹽酸，直到不產(chǎn)生氣泡為止，再次稱量總質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)（見表1）。

[學(xué)生活動(dòng)]將二氧化碳的質(zhì)量帶入化學(xué)方程式，計(jì)算碳酸鈣的質(zhì)量。

2.間接測量法。

（1）稱取1克左右的固體粉末放入錐形瓶，用250毫升的集氣瓶排水法收集氣體（如圖4所示）。

（2）從分液漏斗慢慢加入20毫升（確保過量）的稀鹽酸，直到不產(chǎn)生氣體為止。

（3）用量筒測量集氣瓶中剩余水的體積，記錄數(shù)據(jù)（見表2）。

[學(xué)生活動(dòng)]根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)算出二氧化碳的質(zhì)量，再根據(jù)化學(xué)方程式算出碳酸鈣的質(zhì)量。

[數(shù)據(jù)分析]

1.間接測量法所得結(jié)果偏低的原因可能有哪些？

2.如何減小誤差？

[學(xué)生回答]

1.可能有一些二氧化碳溶于水，使體積偏低;多步驟操作引起誤差;藥品分布不均勻……

2.一次試驗(yàn)存在偶然性，應(yīng)該多次實(shí)驗(yàn)，取平均值。

【設(shè)計(jì)意圖】筆者根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)可知，若是直接給數(shù)據(jù)代入方程式計(jì)算，絕大多數(shù)學(xué)生都能完成，但在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)或情境中，很多數(shù)據(jù)都是要進(jìn)行分析和處理的，并且數(shù)據(jù)通常較多，需要進(jìn)行有效選擇，而這正是學(xué)生欠缺的。因此，筆者設(shè)計(jì)這樣一個(gè)教學(xué)片段，讓學(xué)生在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作中尋找有用的數(shù)據(jù)，并且學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)分析處理，培養(yǎng)學(xué)生解決真實(shí)問題的能力，同時(shí)也為學(xué)生高中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理打下基礎(chǔ)。

四、課后反思

化學(xué)方程式計(jì)算的根據(jù)是質(zhì)量守恒定律，而質(zhì)量守恒定律是化學(xué)學(xué)習(xí)非常關(guān)鍵的一部分，要想學(xué)好化學(xué)計(jì)算，就必須正確使用化學(xué)基本術(shù)語和原理，順利找出相關(guān)物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系、列出比例關(guān)系。真實(shí)情境下的化學(xué)計(jì)算教學(xué)，需要學(xué)生解讀相應(yīng)的信息，設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)操作，搜集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，還要能對實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行一定的分析。這樣的教學(xué)層次比較高，學(xué)生必須具備一定的基本功，熟練掌握化學(xué)計(jì)算的基本格式和步驟。所以，一定的例題講解和模仿練習(xí)還是必要的，但切忌一味地講和練。教師應(yīng)該創(chuàng)設(shè)一些真實(shí)情境，為化學(xué)計(jì)算教學(xué)增添一抹亮色，從而讓學(xué)生逐步認(rèn)識(shí)到：化學(xué)計(jì)算并非單純的數(shù)字運(yùn)算，而是具有實(shí)際意義的計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[2]畢華林.化學(xué)新教材開發(fā)與利用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]楊硯寧.創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境提高化學(xué)計(jì)算教學(xué)實(shí)效：以“依據(jù)化學(xué)方程式的計(jì)算”的教學(xué)設(shè)計(jì)為例[J].化學(xué)教學(xué)，2018（11）.

[本文系中國化學(xué)會(huì)教育委員會(huì)“十三五”規(guī)劃課題“基于化學(xué)核心素養(yǎng)的初高中化學(xué)銜接教學(xué)”（課題號(hào)：HJ2020-0058）階段性成果]

（責(zé)任編輯：韓曉潔）