基于學(xué)科本質(zhì)的化學(xué)計算一輪復(fù)習(xí)教學(xué)的實踐研究

歐陽志斌

摘要：基于高中化學(xué)計算成為教與學(xué)的突出難題的客觀實際和中學(xué)化學(xué)計算教學(xué)的研究現(xiàn)狀，大膽嘗試開展以草酸的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化為載體，開展基于學(xué)科本質(zhì)的化學(xué)計算一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)實踐，以期為當(dāng)前高中化學(xué)計算的教與學(xué)擺脫困局提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：學(xué)科本質(zhì);化學(xué)計算;復(fù)習(xí)教學(xué);草酸

文章編號：1008-0546（2021）07-0074-04 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.019

一、問題的提出

對學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查、對進(jìn)行教師訪談，統(tǒng)計結(jié)果表明，高中化學(xué)計算成為教與學(xué)的突出難題。其原因主要有：（1）部分學(xué)生缺乏自信，認(rèn)為自己的數(shù)學(xué)計算能力不濟(jì)，從初三開始就基本放棄了化學(xué)計算題，見到化學(xué)計算題就繞過去，久而久之，造成高中化學(xué)計算就演變成“縱使心有余也力不足”。（2）一些教師從應(yīng)試的角度建議學(xué)生戰(zhàn)略性放棄化學(xué)計算題，這種情況普遍存在，甚至一些名師、骨干教師、化學(xué)教研員在進(jìn)行教研活動或?qū)W科培訓(xùn)等場合都表達(dá)了上述看法，這也就導(dǎo)致部分一線并不重視化學(xué)計算的課堂教學(xué)。（3）教與學(xué)的缺位，由于部分教師對化學(xué)計算的不重視，導(dǎo)致他們在課前缺乏深刻的思考，課中關(guān)注學(xué)生的課堂生成不夠，更多的是生硬的講解、簡單的示范、熱衷于計算技巧的傳授，缺乏基于化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的化學(xué)計算教學(xué)設(shè)計，課后又沒有進(jìn)行教學(xué)反思，因此學(xué)生的學(xué)就是機(jī)械的模仿，陷于題海戰(zhàn)術(shù)，缺乏必要的化學(xué)思維活動。如何走出當(dāng)前高中化學(xué)計算教與學(xué)的困局，部分教師、學(xué)者和專家進(jìn)行了不斷的實踐與探索，那么化學(xué)計算教學(xué)的研究現(xiàn)狀如何呢？

二、中學(xué)化學(xué)計算教學(xué)的研究現(xiàn)狀

檢索中國知網(wǎng)，有關(guān)“中學(xué)化學(xué)計算”的研究文獻(xiàn)不少，董軍[1]認(rèn)為化學(xué)計算教學(xué)要落實到基礎(chǔ)知識、基本原理、基本觀念和基本的學(xué)科思想、學(xué)科思維和學(xué)科素養(yǎng)中去;楊玉琴[2]則基于對化學(xué)計算本質(zhì)的理解，通過創(chuàng)設(shè)真實的應(yīng)用情境服務(wù)于化學(xué)計算教學(xué)，并精心設(shè)計例題學(xué)習(xí)來凸顯化學(xué)學(xué)科思維;薛青峰[3]以案例形式探討了定量類化學(xué)概念的特點和教學(xué)思路，提出中學(xué)化學(xué)計算教學(xué)應(yīng)定位于以幫助學(xué)生理解物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與轉(zhuǎn)化為目的，建構(gòu)定量研究化學(xué)物質(zhì)及轉(zhuǎn)化的基本思維方式;林文興[4]針對當(dāng)前中學(xué)生計算能力薄弱的現(xiàn)狀，分析了中學(xué)化學(xué)教師在化學(xué)計算能力培養(yǎng)方面的常見教學(xué)誤區(qū)，并基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，對中學(xué)生化學(xué)計算能力采取進(jìn)階式培養(yǎng)策略。楊硯寧[5]、沈紅英[6]不約而同地以“依據(jù)化學(xué)方程式的計算”的教學(xué)為例，讓學(xué)生體驗真實情境中的化學(xué)計算，體會定量研究在化學(xué)科學(xué)中的價值，形成和提高化學(xué)計算的基本方法和技能;王新文[7]深刻闡述了2017年課標(biāo)視域下高中化學(xué)計算教學(xué)的意義、作用與實現(xiàn)途徑;方揚平[8]提出了初、高中化學(xué)計算教學(xué)銜接的有效策略。王寶斌[9]認(rèn)為化學(xué)計算的學(xué)科本質(zhì)是對化學(xué)問題的數(shù)學(xué)處理;李祥培[10]反思了化學(xué)計算問題解決困難的成因;王佳[11]以初中化學(xué)計算教學(xué)為載體，探究從化學(xué)與生活生產(chǎn)的結(jié)合點創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，使學(xué)生感受化學(xué)計算在生產(chǎn)生活中的價值。周維清[12]、柴勇[13]就如何在化學(xué)計算中運用假設(shè)法分析和解決化學(xué)問題的能力進(jìn)行了探析。周昌勇[14]通過具體案例例舉了“一鍋法”在化學(xué)解題中的應(yīng)用，基于元素守恒建立總反應(yīng)式的認(rèn)知模型以發(fā)展學(xué)生的整體思維能力;諸全頭[15]深入探析了培養(yǎng)學(xué)生守恒思維和解題能力的方法以幫助學(xué)生走出思維困境，提升化學(xué)計算能力。王云生老師[16]提出：“化學(xué)計算的核心在于綜合運用化學(xué)概念、原理學(xué)習(xí)和研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)化中的量和量變關(guān)系幫助我們更加深刻地理解和掌握物質(zhì)及其變化的規(guī)律，分析和解決真實的化學(xué)問題。遺憾的是，目前國內(nèi)研究文獻(xiàn)中并沒有發(fā)表以研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化為載體融合化學(xué)計算的一輪復(fù)習(xí)的研究成果。

三、化學(xué)計算一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)實踐

化學(xué)計算是一種定量研究物質(zhì)的組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)化的工具，貫穿于化學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)和研究的始終[17]。高中化學(xué)計算教學(xué)除了物質(zhì)的量的集中學(xué)習(xí)外，都是分散、滲透在元素化合物、反應(yīng)原理知識的教學(xué)中逐步推進(jìn)深入的，需要教師從整體上進(jìn)行把握，下面以草酸的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化為載體，開展基于學(xué)科本質(zhì)的化學(xué)計算一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)實踐。

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過對草酸分子式和結(jié)構(gòu)式的確定，復(fù)習(xí)物質(zhì)組成測定、結(jié)構(gòu)分析的研究方法，提高運用儀器分析和化學(xué)分析的方法定量測定物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的能力。

（2）通過草酸的弱酸性和還原性的實驗探究活動，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步理解基于物質(zhì)類別和化合價認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)的方法，深化對化學(xué)科學(xué)本質(zhì)和規(guī)律的認(rèn)識。提高以物質(zhì)的量為中心的化學(xué)計算，定量認(rèn)識和研究弱電解質(zhì)，電解質(zhì)溶液中粒子濃度的大小比較，氧化還原滴定的相關(guān)計算和實驗數(shù)據(jù)的處理Ksp的有關(guān)計算的能力。

2.教學(xué)思想

高中化學(xué)計算一輪復(fù)習(xí)，要努力創(chuàng)設(shè)真實而有價值的問題情境，讓學(xué)生做“真”題，而非做“假”題，凸顯化學(xué)計算的價值，讓學(xué)生積極參與有意義的知識建構(gòu)，這樣的一輪復(fù)習(xí)才有了堅實的基礎(chǔ)，才能提高復(fù)習(xí)的實效性，否則復(fù)習(xí)就變成了教師的獨角戲，學(xué)生成為戲外的看客。根據(jù)研究物質(zhì)的一般步驟和方法，結(jié)合必要的化學(xué)計算，精心命制以草酸的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化的化學(xué)計算習(xí)題，放手讓學(xué)生自主開展學(xué)習(xí)活動，使習(xí)題解答和真實問題的解決貫穿化學(xué)計算一輪復(fù)習(xí)課堂教學(xué)的始終，引導(dǎo)學(xué)生在習(xí)題解答過程中感受化學(xué)科學(xué)的本質(zhì)，在真實而有意義的問題解決中體會化學(xué)科學(xué)的應(yīng)用價值，促進(jìn)對化學(xué)計算工具屬性的認(rèn)識。

3.教學(xué)活動

PPT展示以下試題，通過命制以研究草酸的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化的具有層次清晰、梯度合適、指向明確的化學(xué)計算試題，讓學(xué)生當(dāng)場進(jìn)行化學(xué)計算，然后教師進(jìn)行講解。通過教學(xué)活動，深刻理解和感受化學(xué)計算是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化的基礎(chǔ)工具，讓學(xué)生體會化學(xué)計算的學(xué)科價值，從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行化學(xué)計算的興趣。試題及命制意圖如下：

（1）菠菜中富含草酸，為了研究該有機(jī)物的化學(xué)組成，利用燃燒分析實驗測定該有機(jī)物中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.67%，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.22%，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71.11%，經(jīng)質(zhì)譜測定，草酸的相對分子質(zhì)量為95，試求草酸的分子式。

（2）為了研究草酸的分子結(jié)構(gòu)，經(jīng)測定，其1HNMR只有一個吸收峰，紅外光譜圖表明有羧基（-COOH）吸收峰，試畫出草酸的結(jié)構(gòu)式。

命制意圖：1、2題要求學(xué)生基于草酸分子中元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和相對分子質(zhì)量的數(shù)據(jù)，計算出草酸的分子式，結(jié)合核磁共振氫譜和紅外光譜測試結(jié)果，分析確定草酸的結(jié)構(gòu)式，讓學(xué)生體會化學(xué)計算是研究物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的工具。

（3）請大家根據(jù)草酸的組成和結(jié)構(gòu)預(yù)測和分析草酸可能具有的化學(xué)性質(zhì)。

命制意圖：引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)類別（或官能團(tuán)）、化合價角度分析和預(yù)測物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，發(fā)展學(xué)生基于“價類”研究物質(zhì)性質(zhì)的學(xué)科思維，也為接下來草酸的弱酸性和還原性的實驗探究活動埋好伏筆。

（4）為了探究草酸的弱酸性和還原性，某化學(xué)興趣小組設(shè)計如下實驗。

△乙二酸的弱酸性：

為驗證草酸的性質(zhì)需480mL濃度為0.1mol/L的草酸溶液。

①配制該溶液需要_____g草酸晶體（H2C2O4·2H2O）。

②下列實驗事實能說明草酸是弱酸的是_____。

A.將草酸晶體加入含酚酞的氫氧化鈉溶液中，溶液褪色。

B.常溫下，0.1mol/L草酸溶液的pH為1.2。

C.將草酸溶液加入純堿溶液中，有CO2放出。

D.常溫下，測得草酸鈉溶液的pH大于7。

③該小組同學(xué)將0.1mol/L草酸溶液和0.1mol/L的NaOH等體積混合后，測定反應(yīng)后溶液呈酸性，則溶液中各離子的濃度由小到大的順序是_____。

△乙二酸的還原性：

①該同學(xué)向酸性KMn04溶液中滴入過量的草酸溶液，發(fā)現(xiàn)酸性KMn04溶液褪色，從而判斷草酸具有較強(qiáng)的還原性。該反應(yīng)的離子方程式為_____。

命制意圖：問題①考查學(xué)生對溶液配制實驗的認(rèn)識及計算公式n=c·V，m=n·M的運用。通過對所需草酸晶體的計算，讓學(xué)生熟悉容量瓶的規(guī)格，正確判斷溶液的溶質(zhì)并計算其物質(zhì)的量。問題②考查學(xué)生從定性和定量的角度分析弱電解質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到弱電解質(zhì)在水溶液中存在電離平衡，從微觀角度探析弱電解質(zhì)的電離平衡，并學(xué)會從宏觀角度進(jìn)行表征。問題③考查溶液中離子濃度大小的比較，幫助學(xué)生建立基于弱電解質(zhì)的電解平衡、鹽類水解平衡的離子濃度大小比較的認(rèn)知模型。問題提出都是考查學(xué)生基于氧化還原反應(yīng)原理判斷生成物，并利用質(zhì)量守恒、電子守恒、電荷守恒定律書寫離子反應(yīng)方程式，此設(shè)問也為采用酸性KMnO4溶液去滴定菠菜中的草酸含量做好了知識鋪墊，可謂設(shè)計巧妙，獨具智慧。

②某食品檢驗機(jī)構(gòu)檢測員用0.02mol/L的酸性KMnO4溶液去滴定草酸為了測定某產(chǎn)地菠菜中的草酸含量，實驗步驟如下：取菠菜樣品0.10g，預(yù)處理后，加適量水完全溶解配成100.00mL溶液，取25.00mL置于錐形瓶中，然后用0.02mol/L的酸性KMnO4溶液滴定至終點（雜質(zhì)不反應(yīng)），滴定前后讀數(shù)見下表1（單位：mL），則該菠菜樣品中草酸的純度為;滴定時，是否_____（填“是”或“否”）需要加入指示劑。

命制意圖：此題側(cè)重考查對基本理論的理解和運用、正確處理實驗數(shù)據(jù)，明確氧化還原反應(yīng)滴定實驗原理及實驗操作方法是解題關(guān)鍵。

（5）營養(yǎng)師建議食用高草酸蔬菜的同時，適當(dāng)攝入高鈣食物，使二者在腸道內(nèi)結(jié)合成草酸鈣沉淀（常溫下，草酸鈣的Ksp=4.0×10-8），并隨著糞便排出體外。以免草酸進(jìn)入血液中與人體內(nèi)的血鈣結(jié)合，提升了泌尿系統(tǒng)結(jié)石的風(fēng)險。常溫下，某菠菜汁中C2O42-的濃度為1.8×10-3mol/L，往菠菜汁中加入等體積濃度為4×10-5mol/L氯化鈣溶液，是否有草酸鈣生成？

命制意圖：考查學(xué)生學(xué)會運用化學(xué)知識（難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡原理）解決實際問題（適當(dāng)攝入高鈣食物以免食物中的草酸進(jìn)入血液中與人體內(nèi)的血鈣結(jié)合）的能力。

4.教學(xué)反思

（1）以研究有機(jī)物（草酸）的一般步驟（分子式的計算→分子結(jié)構(gòu)的鑒定→性質(zhì)的預(yù)測和分析→開展基于實驗探究的性質(zhì)驗證），融合定量研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的研究方法，開展基于化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的化學(xué)計算一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)實踐是一種大膽的創(chuàng)新與嘗試。

（2）基于真實的問題情境（測定菠菜中的草酸含量）的化學(xué)計算教學(xué)，有利于復(fù)習(xí)氧化還原滴定的相關(guān)知識和計算，培養(yǎng)學(xué)生正確處理實驗數(shù)據(jù)得出合理結(jié)論的能力，體會定量研究是學(xué)習(xí)和研究化學(xué)科學(xué)的重要方法。

（3）通過學(xué)生對精心命制習(xí)題的解答和教師對學(xué)生解答問題過程中暴露的知識錯誤和認(rèn)識誤區(qū)的學(xué)習(xí)活動，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激活了學(xué)生的化學(xué)學(xué)科思維，提升了化學(xué)計算的能力。

四、結(jié)束語

化學(xué)計算是高中化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，而化學(xué)計算能力是學(xué)生學(xué)習(xí)和研究化學(xué)科學(xué)的基本技能[18]?；瘜W(xué)計算是從定量的角度分析化學(xué)問題，解決化學(xué)問題，而非簡單的數(shù)學(xué)運算，更不是單一的計算技巧和方法的練習(xí)與強(qiáng)化，需要教師用心設(shè)計教學(xué)思路，組織教學(xué)內(nèi)容。在一輪復(fù)習(xí)階段，高中化學(xué)計算教學(xué)采取集中專題復(fù)習(xí)或基于元素化合物、化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行滲透復(fù)習(xí)策略，都是可行的。但無論采取什么樣的復(fù)習(xí)教學(xué)策略，都應(yīng)該努力達(dá)成“通過一輪復(fù)習(xí)加深學(xué)生對化學(xué)計算作為定量學(xué)習(xí)和研究的工具屬性的認(rèn)識，認(rèn)識化學(xué)計算的價值，發(fā)現(xiàn)知識漏洞、認(rèn)識和思維誤區(qū)、計算能力上的缺陷，提高學(xué)生運用化學(xué)計算分析和解決真實化學(xué)問題的能力，發(fā)展對化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”的教學(xué)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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