基于定量探究的初中化學深度學習
——以“邂逅蘇打水——化學計算專題”為例

陳 婷 蔣 健

（瀏家港中學 江蘇太倉 215433）

隨著《義務(wù)教育化學課程標準（2022 年版）》的頒布，以素養(yǎng)、能力為本的教學已經(jīng)成為當前初中化學教學的主要落腳點和生長點，其基本內(nèi)涵就是基于真實的情境，通過解決較為復(fù)雜，具有挑戰(zhàn)性的問題來逐漸培養(yǎng)發(fā)展學生創(chuàng)新精神所需的素養(yǎng)和能力，而深度學習恰好為這一目標的實現(xiàn)提供了一條可行的路徑。

由于初中生知識水平、心理水平等因素的影響，初中化學的學習探究活動主要是以定性探究形式開展的，而定性探究是認識物質(zhì)的基礎(chǔ)，很多情況下表現(xiàn)為較為淺層的學習，導(dǎo)致學生無法理解微觀本質(zhì)原理，在陌生情境中，對知識遷移解決相關(guān)問題的綜合能力略顯薄弱［1］。定量探究是定性探究的補充與發(fā)展，也是實現(xiàn)深度學習的一種方式。

一、深度學習與定量探究

1.深度學習

深度學習起源于上世紀70 年代，發(fā)展至今，國內(nèi)外學者普遍認為［2，3］：深度學習是在教師引領(lǐng)下，基于原有知識能力，圍繞有挑戰(zhàn)性的學習主題，以學習者主動參與為前提，重視知識結(jié)構(gòu)的建立和認知策略的原認知，獲得發(fā)展的有意義的學習過程，以知識遷移和認知策略遷移來解決實際問題為最終目標。深度學習是一種高階思維主導(dǎo)的學習方式、學習策略和學習過程，也是一種教學思想，是教學變革的方向。初中化學深度學習可以認為是在教師的引導(dǎo)下，學生圍繞較為復(fù)雜的、有挑戰(zhàn)性的、真實的化學相關(guān)學習主題或問題情境，從化學的學科特點、學科觀念視角出發(fā)，主動開展以實驗為主要手段的探究活動，通過證據(jù)推理、質(zhì)疑批判等高階思維學習過程，解決實際問題，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，促進化學學科素養(yǎng)和能力的發(fā)展與提升。

初中化學深度學習應(yīng)該是一個真實情境下的主題式的學習過程，是主動參與、主動構(gòu)建系統(tǒng)知識體系的學習過程，是質(zhì)疑、批判、遷移等高階思維活動不斷提升發(fā)展的學習過程，是化學觀念、學科思想不斷內(nèi)化，能力不斷提升的學習過程（如圖1）。

圖1

2.定量探究

定性、定量都是科學探究的主要方法和思維形式。定量相對定性而言，更側(cè)重于量的角度，通常在化學學習過程中，往往需要在定性探究基礎(chǔ)上，借助數(shù)學工具對物質(zhì)進行數(shù)量方面的探究分析，將問題與現(xiàn)象等用數(shù)據(jù)、模型、圖形等方式表示，從微觀視角、量化角度研究，最終揭示物質(zhì)及其變化的本質(zhì)與特征。定量探究是化學學習的學科方法之一，也是對相關(guān)知識開展深度學習的表現(xiàn)形式之一。因此，從定量的角度開展深度學習，對認識、理解、應(yīng)用物質(zhì)具有重要的理論和現(xiàn)實實踐價值。

二、基于定量探究的深度學習案例

1.學習目標

（1）通過對真實情境中蘇打水中碳酸氫鈉含量的定量測定、自制一定濃度蘇打水實驗以及實驗誤差的分析，發(fā)展學生合作探究、質(zhì)疑思辨、證據(jù)推理、比較綜合、遷移應(yīng)用等高階思維能力。

（2）通過真實情境中化學定量實驗的設(shè)計，提高學生分析探究及實驗設(shè)計的能力，發(fā)展定量思維能力。

（3）通過真實情境中的定量探究，進一步培養(yǎng)科學探究與實踐能力、科學態(tài)度和社會責任，促進學生深度學習能力的不斷提高。

2.學習過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境、確立主題

×××蘇打水廣告視頻——介紹蘇打水對人體的好處。

展示：購買的蘇打水。錨定最終學習任務(wù)：自制蘇打水。

師：誰能給我們介紹一下蘇打水中的主要成分碳酸氫鈉（小蘇打）？

生：觀看視頻，回顧交流碳酸氫鈉的性質(zhì)及用途。

設(shè)計意圖：調(diào)節(jié)課堂氣氛，激發(fā)學生的好奇心和探索欲望，復(fù)習碳酸氫鈉這種鹽的性質(zhì)及用途，為后續(xù)探究做好鋪墊。

環(huán)節(jié)二：定量實驗設(shè)計，引發(fā)深度思維

若要自制蘇打水，首先需要了解蘇打水中碳酸氫鈉的質(zhì)量分數(shù)。

［核心問題1］如何測定蘇打水中碳酸氫鈉的質(zhì)量分數(shù)？

資料：碳酸氫鈉與氫氧化鈣在過量與少量時發(fā)生的反應(yīng)：

學生小組設(shè)計、交流、展示實驗測定方案與裝置圖。

［生1］方案一：加足量的稀鹽酸，測定產(chǎn)生二氧化碳的質(zhì)量。

［生2］方案二：加足量的氫氧化鈣溶液，測定產(chǎn)生碳酸鈣沉淀的質(zhì)量。

［生3］裝置圖（如圖2、圖3）

圖2

圖3

［師］若利用方案一，需要測定哪些數(shù)據(jù)才能達到實驗?zāi)康模?/p>

［生］（1）實驗前蘇打水和稀鹽酸及所有裝置的總質(zhì)量；（2）實驗后所有溶液及裝置的總質(zhì)量。反應(yīng)前后的質(zhì)量差即為生成的二氧化碳的質(zhì)量（見表1）。

表1 實驗過程中的質(zhì)量變化關(guān)系

［生］分析數(shù)據(jù)可知：產(chǎn)生二氧化碳的質(zhì)量m（CO2）=211.821 g-211.805 g=0.016 g；

依據(jù)NaHCO3～CO2可計算出碳酸氫鈉的質(zhì)量為0.031 g；

蘇打水中碳酸氫鈉的質(zhì)量分數(shù)為0.031 g/50.000 g×100%=0.062%。

［實驗反思］如果沒有無水氯化鈣，實驗的結(jié)果會怎樣？鹽酸的用量應(yīng)該如何選擇？如何判斷？

［計算］依據(jù)實驗測定的結(jié)果，計算得出蘇打水中碳酸氫鈉的質(zhì)量分數(shù)。

設(shè)計意圖：學生討論實驗方案的可行性、通過交流確定可行的方案，通過定量實驗的探究，體現(xiàn)化學實驗的嚴密性和科學性，引導(dǎo)學生從實驗設(shè)計、質(zhì)疑批判、科學論證到進行定量計算，層層遞進，不斷提升學生思維的深度。

環(huán)節(jié)三：定量實驗分析，促進深度學習

［核心問題2］如要配制一瓶550 mL（已知密度）的蘇打水，需如何進行配制？

［生］說明配制步驟：計算、稱量固體、量取水、溶解。

［生］分組配制蘇打水。

［提高］老師這里還有一杯提前配制好的濃度較大的一定質(zhì)量分數(shù)的碳酸氫鈉溶液。（1）經(jīng)測定實際濃度偏小，可能是什么原因引起的？（2）可以如何配制成為我們需要的蘇打水？

［生］主要從溶質(zhì)溶劑質(zhì)量變化的角度分析實際濃度偏小的原因。

［生］從溶質(zhì)質(zhì)量不變的角度，計算說明濃溶液稀釋配制一定質(zhì)量分數(shù)的碳酸氫鈉溶液的方法。

設(shè)計意圖：通過完成蘇打水的配制實驗，體驗化學與生活的緊密聯(lián)系。從實驗數(shù)據(jù)的誤差分析，從溶液成分質(zhì)量的角度定量分析產(chǎn)生誤差的原因，從深層次認識溶液的組成。

環(huán)節(jié)四：定量計算指導(dǎo)生活，增加深度學習的深度

［核心問題3］說說飲用蘇打水的利與弊

［師］高血壓患者需要低鈉飲食，喝這樣的一瓶蘇打水，相當于吃了多少食鹽？

［生］計算鈉含量，從“量”的角度說明問題。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學生客觀地看待蘇打水，通過化學式計算理解飲食要注重“量”，體會化學定量研究對生活的重要意義，增加學生深度學習的深度。

三、教學反思

1.創(chuàng)設(shè)有深度的定量探究真實情境，促進高階思維發(fā)展

進階學習理論認為：學習前景與學習內(nèi)容的關(guān)聯(lián)度越高，學習內(nèi)容將變得更加形象具體，學生越容易進入一種深度學習的狀態(tài)，學習效率也越高。

真實有深度的情境蘊含著學科核心知識、觀念、價值、素養(yǎng)，必然是貼近學生的最近發(fā)展區(qū)，蘊含著驅(qū)動性的學科核心問題，能調(diào)動學生的探究欲望，要求學生以開放的形式，以證據(jù)推理、質(zhì)疑、批判等思維去尋找解決問題的策略和方法，促進知識的建構(gòu)和遷移運用。學生解決有挑戰(zhàn)性問題的過程，必然是學生認知發(fā)展、建構(gòu)的過程。在解決問題時，首先激發(fā)原認知自我意識，根據(jù)面對的問題判斷自身知識與能力水平，在此基礎(chǔ)上主動參與體驗探究活動過程，同時進行持續(xù)性的評價，據(jù)此及時調(diào)整、優(yōu)化，不斷自我監(jiān)控探究活動過程，不斷自我調(diào)節(jié)，將情境、問題、活動、知識技能、素養(yǎng)“五位一體”，高度融合，促進持久理解和高階思維發(fā)展，提高深度學習的深度。

2.基于模型認知的定量計算，促進知識傳遞走向深度學習

化學計算是化學學習的重要內(nèi)容，目的在于幫助學生從量的角度認識化學變化，感受“量”在化學變化中的意義，從而實現(xiàn)對化學定量研究意義的認知。當前，化學計算相關(guān)內(nèi)容多為教師示范、學生模仿練習或直接利用公式等較為淺層的學習方式，缺少高階思維活動，無法認識到知識的內(nèi)在本質(zhì)，而從模型認知的思維角度，建構(gòu)化學模型并運用化學模型解釋化學規(guī)律，幫助學生理解“量”的意義及其“量”變化的本質(zhì)原因。初中化學計算中常見的有“差量關(guān)系”模型（如圖4），利用化學模型可以解釋和預(yù)測分析某些情況下反應(yīng)前后質(zhì)量差產(chǎn)生的原因，即物質(zhì)的消耗與產(chǎn)生，如某種氣體的逸出、沉淀的析出或某種元素的轉(zhuǎn)移等等。

圖4

案例中是反應(yīng)前容器中所有物質(zhì)的質(zhì)量與反應(yīng)后所有物質(zhì)的質(zhì)量之間的質(zhì)量差，由化學反應(yīng)前后物質(zhì)種類變化情況可知，只有產(chǎn)生的二氧化碳氣體能從容器中逸出，其他的物質(zhì)不論轉(zhuǎn)化或剩余仍全部留在容器中，故產(chǎn)生質(zhì)量差的主要原因就是二氧化碳氣體這種物質(zhì)從容器中逸出，也就是說質(zhì)量差值就是二氧化碳的質(zhì)量。這種情況下，我們建立的差量模型就是反應(yīng)前后所有物質(zhì)的總質(zhì)量差，一般就是生成的氣體外逸或消耗外界氣體的質(zhì)量。

再如實驗室利用一氧化碳還原氧化鐵模擬煉鐵的實驗過程中，硬質(zhì)玻璃管中的物質(zhì)的前后質(zhì)量差，則又是另外一種情況。玻璃管內(nèi)的物質(zhì)反應(yīng)前是氧化鐵與空氣，反應(yīng)后則是鐵粉與空氣，這顯然是由氧化鐵轉(zhuǎn)化為鐵粉的過程中產(chǎn)生的質(zhì)量差，也就是氧化鐵中氧元素全部發(fā)生了轉(zhuǎn)移，氧元素的質(zhì)量就是反應(yīng)前后質(zhì)量的差值。這種情況下，我們建立的差量模型就是反應(yīng)前后某幾種物質(zhì)的質(zhì)量差，一般就是元素轉(zhuǎn)移的質(zhì)量。

在案例中，利用二氧化碳的質(zhì)量來推測碳酸氫鈉的質(zhì)量，就需要學生建立“宏觀-微觀-符號”化學模型，通過理解化學變化的微觀本質(zhì)，利用化學符號的表征能力去解決問題。從微觀角度來講，就是每個碳酸氫根離子反應(yīng)后能夠生成一個二氧化碳分子，也就是無論具體質(zhì)量如何變化，兩種微粒在化學反應(yīng)前后的個數(shù)比始終保持1∶1不變，碳酸氫鈉和二氧化碳之間的質(zhì)量比始終保持84∶44不變。以此類推，每一個化學變化都適用。

3.定量實驗設(shè)計，促進深度學習發(fā)展

初中化學教學強調(diào)的是基礎(chǔ)性，因此初中化學實驗教學更偏重定性實驗，輕視定量實驗，弱化了從“量”的角度認識化學變化的本質(zhì)，不利于學生高階科學思維素養(yǎng)的培養(yǎng)，但實驗從定性走向定量是化學發(fā)展的必然途徑，因此初中階段進行適當?shù)亩繉嶒灥脑O(shè)計與科學探究，對于學生定量思維意識的形成與發(fā)展有不可替代的作用，對學生深度學習的發(fā)展有其獨特的意義。

在案例中，要求辯一辯配制的蘇打水是否適合有心臟病的人飲用，表面是小蘇打的性質(zhì)與運用的分析，鈉元素對人體的作用與影響的考查，這樣的思考還停留在問題表面，實則是要求從鈉元素具體含量的角度入手，設(shè)計實驗測定其含量，轉(zhuǎn)化為主要含鈉物質(zhì)碳酸氫鈉的含量測定，過程中實驗方案和實驗裝置的設(shè)計以及改進、實驗現(xiàn)象分析、實驗數(shù)據(jù)記錄和分析、結(jié)論、誤差分析等等，都需要定量思維的推理過程，幫助學生從結(jié)論抽絲剝繭反推原理，再從原理進一步論證肯定結(jié)論，達到深度學習的目的。

4.實驗誤差定量分析，拓展深度學習深度

實驗誤差普遍存在于定性、定量實驗中，是無法避免的，雖然對于結(jié)論的推斷產(chǎn)生不利的影響，但是正確地利用實驗誤差，分析誤差產(chǎn)生的原因，對于學生思維的培養(yǎng)有很大的幫助。在分析化學實驗誤差的過程中，學生會質(zhì)疑每一個步驟的嚴謹性與正確性，實驗裝置的合理選擇與比較，不同實驗方案的優(yōu)劣對比，數(shù)據(jù)的推理演繹等，無不需要學生較高水平的思維過程。

案例中定量測定二氧化碳質(zhì)量的過程中，實際質(zhì)量肯定會出現(xiàn)偏大或偏小的情況，是什么原因呢？學生此時的思維得以發(fā)散，可能從多角度考慮：藥品問題、二氧化碳的性質(zhì)、裝置不足、操作錯誤、電子天平故障等方面。推測原因可能是鹽酸濃度過大、揮發(fā)逸出，水蒸氣隨氣體逸出導(dǎo)致質(zhì)量偏大，則計算所得碳酸氫鈉的質(zhì)量隨之偏大；二氧化碳殘留或溶于水，導(dǎo)致質(zhì)量偏小，則計算所得碳酸氫鈉的質(zhì)量隨之偏小等等，基于這些推測，學生就會對實驗的整個過程進行優(yōu)化改良，不斷地質(zhì)疑、推測、改進、論證，學生的思維能力不斷提升，深度學習不斷深化。

總之，在真實有效的情境中開展定量研究，能驅(qū)動學生的學習動機，增強學生的學習欲望，促進學生深度學習的發(fā)生。這就要求教師需要精準理解化學學科定量研究的核心內(nèi)容，從整體上設(shè)計和實施教學：明確的主題、驅(qū)動的問題、深度的活動、持續(xù)的評價等，帶領(lǐng)學生開展真實的學習。學生的“深度學”離不開教師的“深度教”。