基于真實問題解決的計算教學(xué)

崔廣瑾

摘要：根據(jù)化學(xué)學(xué)業(yè)水平考試和課堂教學(xué)調(diào)研情況，以本區(qū)域新入職教師實驗專項培訓(xùn)實況為真實情境，依托高錳酸鉀制取氧氣這一初中重要實驗，經(jīng)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、反思問題、總結(jié)反饋，展開化學(xué)計算的教學(xué)，以還原利用化學(xué)方程式進行簡單計算的學(xué)科本質(zhì)，提升學(xué)生分析能力、思維能力和計算能力。

關(guān)鍵詞：問題解決;計算教學(xué);化學(xué)方程式;學(xué)科本質(zhì);高錳酸鉀制取氧氣

文章編號：1008-0546（2022）03-0051-05???? 中圖分類號：G632.41???? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03.011

化學(xué)計算教學(xué)的意義是什么？化學(xué)計算教學(xué)的著力點應(yīng)該在哪里？這是開展化學(xué)計算教學(xué)必須明確的核心問題。

2020年無錫市初中學(xué)業(yè)水平考試化學(xué)試題第20題第4小題是利用化學(xué)方程式的簡單計算，該題分值為2分，主要考查學(xué)生基本信息處理能力和計算能力，難度不大。閱卷結(jié)果顯示，得0分的考生占20.62%，得 1分的占18%，全對的考生僅占61.38%。從答題情況來看，扣分主要集中在數(shù)據(jù)或單位使用錯誤，計算錯誤只排到第三位，且有相當(dāng)一部分計算錯誤出現(xiàn)在相對分子質(zhì)量算錯。由此可見，學(xué)科知識的理解才是化學(xué)計算最重要的基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)只是工具[1]，化學(xué)計算中出現(xiàn)的問題要從化學(xué)學(xué)科的角度來分析。

同年9月，筆者組織所在區(qū)域化學(xué)學(xué)科新入職教師實驗專項培訓(xùn)，匯報展示中，某新手教師演示高錳酸鉀制取氧氣，并利用所制氧氣演示硫、鐵絲在氧氣中的燃燒，最終由于高錳酸鉀取用量太少導(dǎo)致氧氣不足，實驗失敗，從另一側(cè)面說明從實驗出發(fā)走向定量教學(xué)實屬必要。

據(jù)此，筆者設(shè)計了基于化學(xué)實驗中真實問題解決的計算教學(xué)，以期還原利用化學(xué)方程式進行簡單計算的學(xué)科本質(zhì)，提升學(xué)生的分析能力、思維能力和計算能力。

一、教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

本課題位于人教版第五單元，教材依次編排了“質(zhì)量守恒定律”“如何正確書寫化學(xué)方程式”“利用化學(xué)方程式的簡單計算”3個課題。其中，質(zhì)量守恒定律從宏觀辨識和微觀探析的角度揭示化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，化學(xué)方程式是化學(xué)反應(yīng)的符號表征形式，本課題的計算則是引導(dǎo)學(xué)生認識化學(xué)反應(yīng)中的各物質(zhì)間存在定量關(guān)系，學(xué)習(xí)利用質(zhì)量關(guān)系、比例關(guān)系解決實際問題。故本課題的學(xué)習(xí)是學(xué)生進一步從“宏-微-符”三重表征層面立體理解化學(xué)反應(yīng)，從物質(zhì)變化、質(zhì)量關(guān)系及實際應(yīng)用角度認識化學(xué)反應(yīng)的一課，也是認識方式從定性進階到定量的關(guān)鍵一課，能幫助學(xué)生體會定量研究對于化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重大作用。

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)：本課題的教學(xué)常側(cè)重于對比例式計算方法的講解、強調(diào)帶單位計算等格式規(guī)范上的要求，而忽略了化學(xué)計算的學(xué)科本質(zhì)。課標要求“利用化學(xué)方程式的簡單計算”，重點是建立在概念、原理及量的關(guān)系的理解上而非單純的數(shù)學(xué)運算，其學(xué)科本質(zhì)是對化學(xué)問題的數(shù)學(xué)處理過程，即對物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的量化過程[2]。此外，大部分課堂教學(xué)采用工業(yè)生產(chǎn)或火箭發(fā)射等情境為載體，該類情境與學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活缺少直接的關(guān)聯(lián)，雖真實卻遙遠，且涉及的反應(yīng)原理大部分為陌生化學(xué)方程式，學(xué)生解決問題時需對化學(xué)方程式進行額外的解讀，存在一定的能力落差。

二、教學(xué)目標

1.通過創(chuàng)設(shè)真實情境幫助學(xué)生認識“量”的重要性;利用測量工具收集數(shù)據(jù)，將理論計算與化學(xué)實驗聯(lián)結(jié)，提出問題、分析問題并解決問題，提升分析解釋、說明論證、推論預(yù)測等能力。

2.進一步從“宏-微-符”三重表征思維方式層面理解化學(xué)反應(yīng)，建立反應(yīng)物、生成物的質(zhì)量關(guān)系，幫助學(xué)生理解計算的理論依據(jù)，充分認識到正確書寫化學(xué)符號對于化學(xué)計算的重要性，提升化學(xué)用語能力、計算能力和思維能力。

3.從物質(zhì)變化、質(zhì)量關(guān)系及實際應(yīng)用幾方面豐富對化學(xué)反應(yīng)的認識角度，實現(xiàn)認識方式從定性到定量的進階以及單元知識的結(jié)構(gòu)化，幫助學(xué)生體會定量研究對于化學(xué)實驗?zāi)酥量茖W(xué)發(fā)展的重大作用。

三、教學(xué)流程

見表1。

四、教學(xué)實錄

1.發(fā)現(xiàn)問題——分析實驗失敗的原因

【投影】照片1：實驗培訓(xùn)中某新手教師正在演示利用高錳酸鉀制取氧氣。照片2：排水法收集到的兩瓶氣體。第1瓶在集氣瓶底部留有少量水，被用于演示硫在氧氣中燃燒;第2瓶僅在集氣瓶口“留有”少量氧氣，被用于演示鐵絲在氧氣中燃燒。

【問題1】根據(jù)你的經(jīng)驗，哪一瓶氣體做實驗效果更好，現(xiàn)象更明顯？為什么？

【學(xué)生】第1瓶實驗效果好，氧氣多，第二瓶氧氣太少，不足以支持鐵絲燃燒。

【教師】的確如此，實驗中觀察到鐵絲只是瞬間冒了點小火星，未能持續(xù)燃燒。

【問題2】在裝置氣密性良好、操作無誤的前提下，第二瓶氧氣太少，最有可能的原因是什么？

【學(xué)生】高錳酸鉀太少。

【教師】與新手教師交流發(fā)現(xiàn)，取用的高錳酸鉀在試管中的高度大約比一個指甲蓋高一點。按照此標準取藥品稱量，大約為3.2 g。

任務(wù)1：加熱分解3.2 g 高錳酸鉀，可以得到氧氣的質(zhì)量是多少？

【問題3】寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式，從中反映出哪些信息？

【學(xué)生】板演、修正化學(xué)方程式、討論、匯報。

【教師】逐一追問該化學(xué)方程式中各處數(shù)字“2”的含義。

【學(xué)生】通過回答深刻理解微觀上反應(yīng)前后各原子種類和數(shù)目都不變。

【教師】請計算化學(xué)方程式中生成物氧氣、二氧化錳、錳酸鉀的相對分子質(zhì)量，反應(yīng)物高錳酸鉀的相對分子質(zhì)量的總和。

【學(xué)生】計算、研討、修正，小組同學(xué)分享計算結(jié)果和方法。過程中發(fā)現(xiàn)仍有少數(shù)同學(xué)對化學(xué)式中的數(shù)字理解不清，導(dǎo)致相對分子質(zhì)量算錯。計算反應(yīng)物時，大部分同學(xué)將高錳酸鉀的相對分子質(zhì)量乘以2，少數(shù)同學(xué)將氧氣、二氧化錳、錳酸鉀的相對分子質(zhì)量全都加在一起也得出相同的數(shù)據(jù)。

【板書】2KMnO4 K2MnO4+MnO2+O2↑

【問題4】結(jié)合同學(xué)們的計算方法，這些數(shù)據(jù)之間有什么關(guān)系？為什么？

【學(xué)生】316=197+87+32，符合質(zhì)量守恒定律。

【問題5】若反應(yīng)物高錳酸鉀的質(zhì)量減少為316的 一半，各生成物的質(zhì)量如何變化？

【學(xué)生】也變?yōu)樵瓉淼囊话搿?/p>

【問題6】為什么能利用化學(xué)方程式進行計算？

【學(xué)生】討論、匯報。

【教師】沒錯，以相對原子質(zhì)量為橋梁，將微觀粒子與宏觀質(zhì)量建立聯(lián)系，反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量保持不變，化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)之間存在著固定的質(zhì)量關(guān)系，正因如此，人們才能夠利用化學(xué)方程式進行計算。

【問題7】任務(wù)1 中涉及哪些物質(zhì)？已知條件是什么？需要求出什么？

【學(xué)生】已知高錳酸鉀質(zhì)量，求出氧氣質(zhì)量。【板書】2KMnO4 K2MnO4+MnO2+O2↑

【教師】將與本題不相關(guān)的物質(zhì)的相對分子質(zhì)量或總和舍去，只留下相關(guān)的。

【問題8】反應(yīng)物和生成物之間有著固定的質(zhì)量關(guān)系，如何建立3.2 g高錳酸鉀和未知量氧氣的質(zhì)量關(guān)系呢？換句話說，3.2 g和未知量應(yīng)該放在板書的什么位置，怎么表示未知量？

【學(xué)生】3.2 g應(yīng)該放在高錳酸鉀那里，設(shè)一個未知量x放在氧氣那里。

【教師】如果對“那里”做一個精準定位的話，數(shù)據(jù)與物質(zhì)應(yīng)該一一對應(yīng)，要將已知量和未知量放在各物質(zhì)相對質(zhì)量的下一行。

【板書】解：設(shè)氧氣的質(zhì)量為x。

2KMnO4 K2MnO4+MnO2+O2↑

【教師】由質(zhì)量關(guān)系可以列出比例式。

【學(xué)生】完成任務(wù)1：可以得到0.32 g O2。

【師生】總結(jié)利用化學(xué)方程式計算的方法、步驟及注意事項，完善板書。

【教師】正確書寫化學(xué)式、化學(xué)方程式、算準相對分子質(zhì)量或其總和是利用化學(xué)方程式計算的前提。計算表明，0.32 g O2標況下的體積約為224 mL，該教師實驗所用集氣瓶的規(guī)格為250 mL，用排水法收集，224 mL 氧氣不可能充滿2個集氣瓶，因此第2瓶實驗沒有成功。

2.解決問題——尋找圓滿完成實驗的方法

【問題1】為圓滿地完成兩個實驗，收集兩瓶氣體需要產(chǎn)生多少毫升氧氣？這些氧氣轉(zhuǎn)化成質(zhì)量是多少？

【學(xué)生】500 mL，大約為0.71 g。

【教師】考慮到實際操作中高錳酸鉀不能完全分解、操作不連續(xù)、計算較繁瑣等因素，將氧氣質(zhì)量定為0.8 g。

【問題2】完成任務(wù)2：要制得0.8 g氧氣，需要高錳酸鉀的質(zhì)量是多少？

【學(xué)生】獨立計算，結(jié)果為7.9 g。對照任務(wù)1 自評并進行組內(nèi)研討，反思計算過程中出現(xiàn)的錯誤及原因，找出克服的方法。

【學(xué)生】出現(xiàn)兩種不同的列式方法，一種是將數(shù)據(jù)橫著列比例式，另一種是將數(shù)據(jù)豎著列比例式;應(yīng)重點關(guān)注比例式中數(shù)據(jù)是否對應(yīng)匹配和帶單位計算等易錯問題。

【教師】將數(shù)據(jù)橫著比蘊含著化學(xué)方程式中對應(yīng)的質(zhì)量關(guān)系，更能體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的特點;將數(shù)據(jù)豎著比是純粹的數(shù)學(xué)比例關(guān)系，在計算時更便捷。兩種列式雖然有著學(xué)科意義上的不同，但不影響計算結(jié)果，同學(xué)們可以結(jié)合實際自主選擇列式方法。

【投影】照片3：稱量7.9 g高錳酸鉀。照片4：倒入試管中，高度大約為一個半指關(guān)節(jié)。照片5：將其加熱至完全分解，收集，恰好得到兩瓶氣體。足以保證硫和鐵絲在氧氣中燃燒的需要?？梢?，利用化學(xué)方程式計算出高錳酸鉀的質(zhì)量后再進行實驗，是一種精準的定量，精準的計算是基于對實驗事實的深刻理解[3]，是實驗成功的保障。

3.反思問題——推測實驗“異?！钡囊蛩?/p>

【投影】照片6：測得規(guī)格為250 mL 的集氣瓶實際容量為330 mL。

【教師】用排水法收集兩瓶氧氣的實際體積為 660 mL，比500 mL 多出一百多毫升，即實際收集到的 氣體體積大于理論計算值，請同學(xué)們分析實驗“異常”的原因。

【學(xué)生】本實驗制取的 O2是 0.8 g，比原計算值0.71 g多一點。

【學(xué)生】高錳酸鉀分解后除了生成氧氣還生成錳酸鉀和二氧化錳，會不會這些物質(zhì)也分解產(chǎn)生氧氣呢？

【教師】對！查閱文獻可知錳酸鉀也會少量分解產(chǎn)生氧氣。此外還有溫度因素，計算時使用了標準狀況下的密度，而本實驗是在常溫下進行，實際氣體體積比理論值偏大。同學(xué)們實驗中常用集氣瓶規(guī)格為125 mL，實測容積160 mL，分解7.9 g 高錳酸鉀，可以充滿4瓶。在沒有較精確的稱量工具時可以用指關(guān)節(jié)對7.9 g高錳酸鉀進行大概表征[4]，在試管內(nèi)加入一個半指關(guān)節(jié)高度的高錳酸鉀，可收集 2 瓶（250 mL）或 4瓶（125 mL）氧氣。今天我們解決問題的過程，就是從隨意的定性到精確的定量再到有依據(jù)的定性的過程，既能保證實驗成功又簡化操作，有理有據(jù)地解決了實際問題。

4.總結(jié)與反饋

【教師】今天我們學(xué)習(xí)了利用化學(xué)方程式的計算，知道定量研究對化學(xué)實驗的成功很重要，在實際生產(chǎn)、科學(xué)研究方面也功不可沒。請同學(xué)們總結(jié)一下利用化學(xué)方程式計算的理論依據(jù)和思路。

【學(xué)生】討論、回答。師生共同總結(jié)出本節(jié)課的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，見圖1。

【教師】學(xué)以致用：請同學(xué)們完成下題。

例題：利用一種新型“人造樹葉”將 CO2轉(zhuǎn)化為乙醇（C2H5OH）的反應(yīng)如下：

2CO2+ 3H2O? C2H5OH +3O2

研究顯示，1L“人造樹葉”每天能從空氣中吸收968 g CO2。計算1L“人造樹葉”工作1 天可得到乙醇的質(zhì)量（寫出計算過程）。

【學(xué)生】獨立完成。

當(dāng)堂反饋顯示：全班42人，2人扣2 分，7人扣1 分，得分率為86.9%，全對的考生占78.6%。該班為普通公辦中學(xué)的普通班，在新授課情況下，除個別同學(xué)外，整體掌握情況較好，本節(jié)課的學(xué)習(xí)達到了較為理想的效果，可以預(yù)知，經(jīng)過后續(xù)學(xué)習(xí)和練習(xí)，直至中考，該班學(xué)生的化學(xué)計算能力還將有長足的進步。

五、教學(xué)反思

初中階段的化學(xué)計算從整體上來說要求并不高，難度相對高中階段也是有限的，然而每一屆新初三的學(xué)生都會在此階段的學(xué)習(xí)中多多少少出現(xiàn)困難，值得化學(xué)教師深思，尋找困難的成因和解決的方法。從本節(jié)課的教學(xué)來看，主要在以下4點做了有價值的嘗試。

1.從學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗出發(fā)，搭建教學(xué)起點

實驗失敗是化學(xué)學(xué)習(xí)中的常見現(xiàn)象，利用高錳酸鉀制取氧氣的實驗中，現(xiàn)行人教版教材要求“在試管中裝入少量高錳酸鉀”[5]，并沒有對藥品用量作準確的定量要求，常有學(xué)生因為藥品放少而收集不到需求量的氧氣。該案例給學(xué)生帶來一定啟示，實驗前既要做好充分的知識準備又要建立充分的心理準備，要認清實驗的復(fù)雜性，失敗并不可怕，重要的是能通過對實驗操作、實驗方案、實驗數(shù)據(jù)的復(fù)盤反思實驗結(jié)果，提升實驗?zāi)芰?，從失敗中吸取教?xùn)，助力成長。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對這種回顧性的深入學(xué)習(xí)非常感興趣，課堂參與度很高，本節(jié)課甚至給學(xué)生帶來寬慰，原以為只有自己做實驗會失敗，原來老師做實驗也會失敗。由此可見，實驗是最好的情境[6]，深入探究真實實驗和真實數(shù)據(jù)有力地促進了學(xué)生認識的發(fā)展。演示實驗、學(xué)生實驗甚至課后實驗的價值功能并非“即時性”或“一次性”的，它們在過去發(fā)生，形成潛伏的經(jīng)驗，在未來的學(xué)習(xí)中，也能夠根據(jù)需要再次調(diào)用，成為教師組織教學(xué)的起點素材。

2.從學(xué)生的學(xué)習(xí)需求出發(fā)，確定教學(xué)難點

學(xué)生計算錯誤有背后的化學(xué)學(xué)科能力因素，此階段學(xué)生處于化學(xué)用語學(xué)習(xí)的初級階段，對化學(xué)式、化學(xué)方程式的認識還不夠深刻、運用時易出錯，相對分子質(zhì)量或其總和的計算也容易出錯，課堂教學(xué)時應(yīng)重點關(guān)注學(xué)生化學(xué)用語的使用，分析化學(xué)用語時宜慢不宜快，在學(xué)習(xí)化學(xué)計算的同時夯實各類化學(xué)用語，雙線并行。實踐表明，在本課題的教學(xué)中及時幫助學(xué)生提高化學(xué)用語能力就是在幫助學(xué)生掃除本課題學(xué)習(xí)道路上的攔路虎，切實解決了部分學(xué)生學(xué)習(xí)本課題的困難。此外，教學(xué)中教師是從化學(xué)學(xué)科本質(zhì)出發(fā)，帶領(lǐng)學(xué)生一路探索，在理解化學(xué)反應(yīng)原理的基礎(chǔ)上到達數(shù)學(xué)化的終點，課堂提問不是僅僅在于“算出來是多少？”，更多是側(cè)重于“涉及到哪些物質(zhì)？已知什么，要求什么？它們之間的質(zhì)量關(guān)系是什么？如何建立比例關(guān)系？”，找準難點，將教學(xué)與學(xué)生的實際需求匹配起來，提高教學(xué)的有效性。

3.從學(xué)生的學(xué)習(xí)能力出發(fā)，厘清教學(xué)重點

學(xué)科思維能力是在長期學(xué)習(xí)中逐漸生長的，非一日之功。本課題的標題為“利用化學(xué)方程式的簡單計算”，所謂“簡單計算”就是考慮到學(xué)生進入初三化學(xué)學(xué)習(xí)僅兩個月時間，學(xué)科能力有限，教學(xué)中不可隨意拔高要求，尤其是在新授課階段，跳躍式提問和趕進度式教學(xué)都是不適宜的。鑒于學(xué)生最大的困難就是不知道為什么能這樣算？怎么來算？因此，環(huán)節(jié)1是本節(jié)課教學(xué)最重要的一環(huán)，值得最細致的教學(xué)設(shè)計和最充足的時間安排，教師應(yīng)通過有層次的、完整的、專業(yè)的提問引領(lǐng)學(xué)生逐步構(gòu)建化學(xué)學(xué)科思維，將每一個問題都問到學(xué)生化學(xué)思維的起點，問到學(xué)生能著手解決的實處，有利于學(xué)生進入獨立思考和獨立鉆研的自由之地。

4.從學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)場出發(fā)，發(fā)現(xiàn)教學(xué)盲點

環(huán)節(jié)1 是教師引領(lǐng)學(xué)生完成任務(wù)1，學(xué)力不同的學(xué)生對新知識的接受程度不一樣，在有限的課堂時間內(nèi)存在哪些盲點教師很難逐一發(fā)現(xiàn)。環(huán)節(jié)2是學(xué)生在完成任務(wù)1基礎(chǔ)上的自主學(xué)習(xí)，因此，環(huán)節(jié)2應(yīng)給予學(xué)生充分的實踐和思考時間，自主建構(gòu)利用化學(xué)方程式計算完整有序的思維模型;給予小組研討充分的活動時間，組內(nèi)研討能促進學(xué)生學(xué)習(xí)的主動程度和合作能力，更實際的意義在于，有些學(xué)生此次解題沒錯不代表他完全掌握了學(xué)習(xí)內(nèi)容，由于認識不深刻，某些問題這次被掩蓋下次可能會暴露出來，而小組研討展示出組內(nèi)其他同學(xué)的各種問題，這些“豐富”的錯誤案例對他的觸動更有力，知識在“自我”與“共同體”的張力中不斷重構(gòu)[7]，有效促進學(xué)生批判式的深度學(xué)習(xí)。最終，學(xué)生通過“主動反思”解決了“被動聽講”中的盲點，學(xué)科能力素養(yǎng)得以提升。

參考文獻

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