“數(shù)據(jù)分析”在化學(xué)學(xué)習(xí)中的功能及教學(xué)思考

何雙安

摘要： ?通過對(duì)“數(shù)據(jù)分析”類高考試題的功能評(píng)價(jià)，從課程層面厘清“數(shù)據(jù)分析”在課程內(nèi)容要求中的功能，梳理教科書中部分“數(shù)據(jù)分析”內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，由下到上循序漸進(jìn)，體現(xiàn)學(xué)科觀念形成的階段性?；谥R(shí)的認(rèn)識(shí)功能理解“數(shù)據(jù)分析”在證據(jù)推理等核心素養(yǎng)發(fā)展中的重要作用。從教學(xué)層面，提出如何促進(jìn)學(xué)生定量意識(shí)形成、建構(gòu)“三重表征”思維模型以及避免認(rèn)識(shí)偏差的教學(xué)思考。

關(guān)鍵詞： ?數(shù)據(jù)分析; 證據(jù)推理; 定量意識(shí); 教學(xué)思考

文章編號(hào)： ?1005 6629（2022）08 0093 05

中圖分類號(hào)： ?G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： ?B

數(shù)據(jù)作為信息的主要載體，在定量研究中處于核心地位。從化學(xué)教學(xué)的角度來看，2020版新教材提供了大量的圖像、表格類的數(shù)據(jù)，以人教版選擇性必修教科書《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》為例， 共有元素的電離能、電負(fù)性、共價(jià)半徑，共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)、鍵能，不同羧酸的pKa，某些分子的范德華力，某些共價(jià)晶體的熔點(diǎn)和硬度等14個(gè)數(shù)據(jù)表格，為學(xué)生發(fā)現(xiàn)變化趨勢(shì)、分析原因、解釋現(xiàn)象、選擇生產(chǎn)適宜條件等提供了很好的學(xué)習(xí)素材。在教學(xué)中教師應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)據(jù)應(yīng)有的功能，引導(dǎo)學(xué)生分析、處理數(shù)據(jù)，提高獲取信息、證據(jù)推理的能力。

1 解讀評(píng)價(jià)高考化學(xué)“數(shù)據(jù)分析”類試題的學(xué)科功能

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）的頒布，教、學(xué)、評(píng)的視角從基于化學(xué)知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)向基于核心素養(yǎng)的發(fā)展。證據(jù)推理是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一。證據(jù)可能是某種確定的事實(shí)或者抽象意義的知識(shí)，也可能以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)。近年來高考命題以“素養(yǎng)”立意，基于“定量分析”亦或“量”證據(jù)推理的試題在高考試卷中頻頻出現(xiàn)，以2022年1月浙江高考化學(xué)27題（節(jié)選）為例：

某學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確定Al（NO3）3·xH2O的結(jié)晶水?dāng)?shù)目。稱取樣品7.50g，經(jīng)熱分解測(cè)得氣體產(chǎn)物中有NO2、 O2、 HNO3、 H2O，其中H2O的質(zhì)量為3.06g; 殘留的固體產(chǎn)物是Al2O3，質(zhì)量為1.02g。計(jì)算 ： x= ?????（寫出計(jì)算過程）。

如何理解該高考試題的學(xué)業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)功能？有的教師認(rèn)為這是一個(gè)計(jì)算題，計(jì)算結(jié)晶水的數(shù)目，考查學(xué)生的計(jì)算技能;也有教師認(rèn)為要依據(jù)反應(yīng)前后Al元素的守恒來列式，因?yàn)榻Y(jié)晶水中的氫元素加熱分解后部分進(jìn)入硝酸氣體產(chǎn)物中，考查學(xué)生元素守恒觀及計(jì)算技能。這兩種認(rèn)識(shí)都只是關(guān)注知識(shí)技能以及解題方法，還不具備新課標(biāo)的評(píng)價(jià)功能。如果能從學(xué)科本原上理解，這是定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)收集的三個(gè)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的合理篩選，考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究中數(shù)據(jù)的處理及計(jì)算能力，這樣就有了學(xué)科的功能;如果進(jìn)一步從課程目標(biāo)進(jìn)行解讀，本題以宏觀質(zhì)量的變化探究微觀組成，是基于“量”證據(jù)的計(jì)算推理，試題就有了考查學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的功能。這樣就上升到課程的視角認(rèn)識(shí)“數(shù)據(jù)分析”。

顯然，一道外表特征是化學(xué)計(jì)算的高考試題，對(duì)其解讀間接地映射出了一種認(rèn)識(shí)狀況。許多教師主要是關(guān)注教什么知識(shí)，對(duì)教什么背后形成的邏輯缺乏深層次的理解，更多關(guān)注的是教學(xué)領(lǐng)域問題，而較少關(guān)注課程領(lǐng)域的問題[1]。因此，從課程出發(fā)，回歸對(duì)學(xué)科教學(xué)的本原性認(rèn)識(shí)，根植于教師的教學(xué)實(shí)踐，其重要性不言而喻。

2 厘清“數(shù)據(jù)分析”在化學(xué)課程學(xué)習(xí)中的要求與功能

新課標(biāo)在內(nèi)容要求上規(guī)定了學(xué)生應(yīng)學(xué)習(xí)的內(nèi)容，還在學(xué)業(yè)要求中有預(yù)期學(xué)生在學(xué)完主題內(nèi)容后能做什么、有何素養(yǎng)能力表現(xiàn)、達(dá)到何種質(zhì)量的描述。

2.1 從課程內(nèi)容的表述明確所要學(xué)習(xí)的知識(shí)及其要求

關(guān)于必修主題1新課標(biāo)在內(nèi)容要求上的表述： 認(rèn)識(shí)化學(xué)科學(xué)研究需要實(shí)證與推理，注重宏觀與微觀的聯(lián)系。了解物質(zhì)的量及其相關(guān)物理量的含義和應(yīng)用，體會(huì)定量研究對(duì)化學(xué)科學(xué)的重要作用?；谧C據(jù)進(jìn)行分析和推理等對(duì)于科學(xué)探究的重要性……[2]。

從表述中可以發(fā)現(xiàn)，“數(shù)據(jù)分析”是科學(xué)探究過程中對(duì)物質(zhì)的組成、性質(zhì)和變化規(guī)律的“量化”過程，其本質(zhì)內(nèi)涵是定量研究物質(zhì)組成及其轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)處理過程，體現(xiàn)它的計(jì)量功能。它是幫助學(xué)生理解化學(xué)概念、逐步建構(gòu)化學(xué)觀念的有效途徑。

奧蘇伯爾指出： 在有意義學(xué)習(xí)中，新的學(xué)習(xí)總是建立在原先的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)之上的，而后繼的學(xué)習(xí)又可以鞏固和加深原先的學(xué)習(xí)。教材中部分“數(shù)據(jù)分析”內(nèi)容各個(gè)層次上彼此關(guān)聯(lián)的觀念由下到上循序漸進(jìn)的組織，如圖1所示。

從圖1可以清晰地看出各階段學(xué)科觀念的發(fā)展。初中階段主要從宏觀和微觀兩個(gè)視角理解三個(gè)概念的意義，理解質(zhì)量守恒定律，并從“量”的角度理解元素符號(hào)、化學(xué)式與化學(xué)方程式三者之間的聯(lián)系。如化學(xué)式是用元素符號(hào)表示純凈物組成及原子個(gè)數(shù)比的式子，隱含著化合物中各元素的質(zhì)量比及某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的意義;而化學(xué)方程式是用化學(xué)式表示化學(xué)反應(yīng)的式子，反應(yīng)前后元素守恒，通過化學(xué)式的相對(duì)分子質(zhì)量或相對(duì)原子質(zhì)量的計(jì)算揭示化學(xué)反應(yīng)中各反應(yīng)物與生成物之間的質(zhì)量關(guān)系。高中階段通過定量探究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及其變化的認(rèn)識(shí)活動(dòng)和實(shí)踐活動(dòng)，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)論證過程，提升證據(jù)推理能力。

2.2 從知識(shí)的認(rèn)識(shí)功能理解“數(shù)據(jù)分析”的素養(yǎng)發(fā)展功能

科學(xué)探究中的“數(shù)據(jù)”可以來自實(shí)驗(yàn)或文獻(xiàn)資料，新課程教材中也提供了大量的表格和數(shù)據(jù)，這些“數(shù)據(jù)”成為知識(shí)內(nèi)容的一部分。知識(shí)具有的認(rèn)識(shí)功能包含認(rèn)識(shí)角度、認(rèn)識(shí)路徑、推理判據(jù)。正是因?yàn)橹R(shí)的這些認(rèn)識(shí)功能，所以具有核心素養(yǎng)的發(fā)展價(jià)值[3]。

2.2.1 概念形成與應(yīng)用中的“數(shù)據(jù)分析”

從認(rèn)識(shí)角度看，借助可視化的宏觀現(xiàn)象分析微觀本質(zhì)是化學(xué)學(xué)科最具特征的思維方式。如濃硫酸的沸點(diǎn)很高（338℃），這與硫酸分子結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)—OH有關(guān)，由于形成分子間氫鍵而高度締合，表現(xiàn)為難揮發(fā)性和外觀粘稠狀;阿伏伽德羅定律的認(rèn)識(shí)路徑： 決定氣體體積的因素有氣體分子數(shù)目、氣體分子大小、分子之間的距離→氣體中分子之間的距離遠(yuǎn)大于分子本身的大小→氣體分子數(shù)目、分子之間的距離是氣體體積的決定因素→同溫同壓下，不同氣體分子之間的距離相等→同溫同壓下氣體體積取決于分子數(shù)目。在隱含的數(shù)據(jù)分析中建立起了概念。

物質(zhì)的熔點(diǎn)在初中科學(xué)中是通過實(shí)驗(yàn)建立起的概念，高中的學(xué)習(xí)要上升到構(gòu)成物質(zhì)的微粒作用觀來理解熔點(diǎn)的概念。通過熔沸點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實(shí)際問題。圖2為基于熔沸點(diǎn)數(shù)據(jù)解決實(shí)際問題的認(rèn)識(shí)路徑。

顯然，“數(shù)據(jù)”作為“量”的證據(jù)具有解釋功能，揭示數(shù)據(jù)背后隱含的微觀本質(zhì)，可發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理素養(yǎng)。

2.2.2 定量分析實(shí)驗(yàn)中的“數(shù)據(jù)分析”

“強(qiáng)酸和強(qiáng)堿滴定”測(cè)量溶液濃度是新課標(biāo)中明確規(guī)定的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，人教版教材設(shè)置的“方法導(dǎo)引”欄目，以便從實(shí)驗(yàn)中提煉更上位的“定量分析”的思想和方法。

水溶液中酸堿反應(yīng)本質(zhì)H++OH- H2O是學(xué)生學(xué)習(xí)酸堿中和滴定的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)。需要引導(dǎo)學(xué)生思考： 需要測(cè)定什么量？實(shí)驗(yàn)已知量是什么？理解宏觀現(xiàn)象要觀察什么？如何觀察？揭示化學(xué)反應(yīng)體系內(nèi)離子濃度變化的微觀本質(zhì)，建立起應(yīng)用離子反應(yīng)進(jìn)行物質(zhì)檢測(cè)的定量分析方法的認(rèn)識(shí)。經(jīng)歷以下認(rèn)識(shí)路徑： 強(qiáng)酸強(qiáng)堿中和滴定→溶液中H+或OH-濃度變化→測(cè)滴定過程中的pH→坐標(biāo)描點(diǎn)→滴定曲線;對(duì)滴定曲線圖的模型認(rèn)識(shí)，比較數(shù)據(jù)特點(diǎn)、pH變化趨勢(shì)， 發(fā)現(xiàn)其規(guī)律;找到“溶液pH的突變及指示劑顏色變化”是反應(yīng)已完全的判據(jù)（宏觀），得出反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)的推理，至此獲得滴定消耗標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，計(jì)算出待測(cè)液的物質(zhì)的量濃度。

從學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展功能上來看： 一是可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移。酸堿中和滴定實(shí)驗(yàn)，學(xué)生初步建立起處理定量實(shí)驗(yàn)問題的思維模型，并遷移到氧化還原滴定，從溶液濃度測(cè)定拓寬到物質(zhì)中元素、離子等成分含量的測(cè)定;二是有利于學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展?！澳苡脭?shù)據(jù)、圖表、符號(hào)等描述實(shí)驗(yàn)證據(jù)并據(jù)此進(jìn)行分析推理形成結(jié)論4-3”，這是學(xué)業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)水平的最高等級(jí)。

3 促進(jìn)學(xué)生定量意識(shí)形成避免認(rèn)識(shí)偏差的兩點(diǎn)建議

3.1 設(shè)計(jì)“元認(rèn)知知識(shí)”學(xué)習(xí)策略促進(jìn)定量意識(shí)的形成

定量類化學(xué)概念是定性概念的自然延伸和發(fā)展，其形成是以學(xué)生對(duì)其研究對(duì)象有一定感性認(rèn)識(shí)的積累為基礎(chǔ)的。

“某物質(zhì)在氧氣中燃燒，只生成二氧化碳和水，則該物質(zhì)中一定含有什么元素”“某物質(zhì)和二氧化碳反應(yīng)只生成碳酸鈉和氧氣，則該物質(zhì)中一定含有哪些元素”這兩個(gè)問題，并沒有數(shù)據(jù)顯示，但隱含了定量分析推理的過程。前一個(gè)問題是研究有機(jī)物分子組成時(shí)的一個(gè)經(jīng)典問題，解決該問題的模型是質(zhì)量守恒定律。根據(jù)產(chǎn)物判斷該物質(zhì)一定含有碳、氫兩種元素，還可能含有氧元素。后一個(gè)問題，學(xué)生很自然得出“只有鈉元素一定存在”的錯(cuò)誤結(jié)論，之所以會(huì)丟失氧元素，可能原因有： 一是受前一問題的負(fù)遷移;二是學(xué)生缺乏從“量”的視角分析事物變化的直覺思維（物質(zhì)定組成觀念），即定量意識(shí)的缺失。為改變這種狀況，通常在問題一之后，及時(shí)進(jìn)行教學(xué)跟進(jìn)，見表1。

常態(tài)教學(xué)中常用方法1進(jìn)行跟進(jìn)，但教學(xué)效果甚微，這是為什么呢？筆者認(rèn)為，方法1的設(shè)計(jì)是按照“程序性知識(shí)”進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生沒有形成元認(rèn)知。方法2按照元認(rèn)知知識(shí)進(jìn)行教學(xué)，基于課程目標(biāo)“能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，形成科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑”設(shè)計(jì)，可以引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量哪些數(shù)據(jù)、如何測(cè)量等問題。充分利用實(shí)驗(yàn)方案所呈現(xiàn)的有關(guān)“量”的證據(jù)，提升學(xué)生對(duì)于“量”的敏感性[4]。從定性感知走向定量描述，從元認(rèn)知出發(fā)促進(jìn)學(xué)生形成自動(dòng)化的“量化”思維習(xí)慣。

3.2 建構(gòu)相互聯(lián)系的“三重表征”思維模型促進(jìn)定量思維的發(fā)展

隨著化學(xué)知識(shí)內(nèi)容的深入，容易出現(xiàn)將化學(xué)方程式等同于化學(xué)反應(yīng)的過程，將所有反應(yīng)都當(dāng)作基元反應(yīng)處理的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。為此，將知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化方式的認(rèn)識(shí)，如圖3所示。

以熱化學(xué)方程式的符號(hào)表征為中介，把宏觀的放熱、吸熱現(xiàn)象與微觀世界的微粒運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來，即化學(xué)鍵的斷裂、生成是化學(xué)反應(yīng)中的焓變的本質(zhì)原因，通過數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)三重表征的意義建構(gòu)。但熱力學(xué)研究不涉及時(shí)間，即不涉及速率及反應(yīng)機(jī)理。對(duì)比化學(xué)反應(yīng)的焓變與反應(yīng)進(jìn)程中能量變化圖之間的本質(zhì)區(qū)別，建立起化學(xué)反應(yīng)是有“歷程”的認(rèn)識(shí)，以反應(yīng)歷程圖作為認(rèn)知模型，幾個(gè)基元反應(yīng)就包含幾個(gè)“能峰”，“峰”的高低表示活化能的大小，從而建立起“活化能”概念、活化能數(shù)據(jù)僅對(duì)基元反應(yīng)具有物理意義的認(rèn)識(shí)[5]，避免產(chǎn)生認(rèn)識(shí)誤區(qū)。

總之，從培養(yǎng)“量”的意識(shí)到發(fā)展“量”的思維，這樣形成的“定量觀”是對(duì)學(xué)科研究對(duì)象及研究過程的本原性認(rèn)識(shí)，具有超越課堂時(shí)空的持久價(jià)值和遷移價(jià)值。

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