指向?qū)W科能力的化學(xué)試題對(duì)教學(xué)的啟示*
——對(duì)溫州市初中學(xué)業(yè)水平考試科學(xué)試卷中“化學(xué)方程式計(jì)算題”的分析

翁慶雙 胡聲偉

（1.瑞安市教育發(fā)展研究院 浙江 溫州 325200；2.瑞安市飛云中學(xué) 浙江 溫州 325200）

學(xué)科核心素養(yǎng)的實(shí)質(zhì)是學(xué)生順利完成學(xué)習(xí)理解、應(yīng)用實(shí)踐和遷移創(chuàng)新的學(xué)科認(rèn)識(shí)活動(dòng)和問(wèn)題解決活動(dòng)的穩(wěn)定的心理調(diào)節(jié)機(jī)制，即學(xué)生的學(xué)科能力。［1］定量計(jì)算能力是初中科學(xué)學(xué)科核心能力的構(gòu)成要素之一，化學(xué)方程式計(jì)算是定量計(jì)算中的重要組成部分。

在依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)命題的背景下，考試不再是缺乏“人與發(fā)展”的狹義評(píng)價(jià)。課程標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)完整的評(píng)價(jià)體系，能讓考試有機(jī)地融入到教育之中，成為教育過(guò)程中的重要一環(huán)。［2］溫州市初中科學(xué)學(xué)業(yè)水平考試重視對(duì)學(xué)生學(xué)科核心知識(shí)、基本技能和科學(xué)思想、方法的考查，全面考查學(xué)生的科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。化學(xué)方程式計(jì)算所涉及到的知識(shí)和能力是初中科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，在近5年的學(xué)業(yè)考試中，化學(xué)方程式計(jì)算的考查都是重點(diǎn)內(nèi)容。

一、化學(xué)方程式計(jì)算的考查評(píng)價(jià)方式與特征

在每年的學(xué)業(yè)水平考試中，化學(xué)方程式計(jì)算的試題不斷推陳出新，但它們都具有鮮明的共同特征。

1.試題突出對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查

從試題三要素的角度看，它們具有如下特點(diǎn)：

（1）考查目標(biāo)相同?？疾槟繕?biāo)是對(duì)考核內(nèi)容的方向性思考和把握。近5年的試題以課程標(biāo)準(zhǔn)為命題依據(jù)，考查目標(biāo)相同。從知識(shí)目標(biāo)看，試題考查的內(nèi)容是：知道化學(xué)方程式的意義、能根據(jù)化學(xué)方程式進(jìn)行生成物和反應(yīng)物之間的計(jì)算。［3］從能力目標(biāo)看，化學(xué)學(xué)科能力包含學(xué)習(xí)理解、應(yīng)用實(shí)踐和遷移創(chuàng)新三個(gè)層次。［4］學(xué)習(xí)理解考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)性內(nèi)容的理解，應(yīng)用實(shí)踐考查學(xué)生應(yīng)對(duì)簡(jiǎn)單變式、利用知識(shí)解決常見(jiàn)問(wèn)題的能力，遷移創(chuàng)新考查學(xué)生對(duì)真實(shí)復(fù)雜問(wèn)題的解決能力以及創(chuàng)造性思維的能力。［1］試題主要考查學(xué)生遷移創(chuàng)新的能力。

（2）試題情境有效。整理近5 年溫州市學(xué)業(yè)水平考試卷中“化學(xué)方程式計(jì)算題”的情境（見(jiàn)表1），具有如下共同特點(diǎn)：

表1 近5 年溫州市學(xué)業(yè)水平考試科學(xué)試卷中“化學(xué)方程式計(jì)算題”試題情境匯總

①真實(shí)性：情境源于真實(shí)的生產(chǎn)生活實(shí)際、科研或?qū)嶒?yàn)。②適切性：符合學(xué)生的閱讀習(xí)慣和認(rèn)知特點(diǎn)。③思想性：隱含解決問(wèn)題可以遷移的思想方法。④關(guān)聯(lián)性：與設(shè)問(wèn)關(guān)聯(lián)程度高，目標(biāo)指向明確。

（3）設(shè)問(wèn)指向明確?；瘜W(xué)方程式計(jì)算題中多涉及物質(zhì)成分的變化，需要提供多種形式的信息。試題合理設(shè)置問(wèn)題指向、詳細(xì)說(shuō)明相關(guān)操作及影響、建立數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，讓學(xué)生分析信息，完成相關(guān)計(jì)算。

2.試題立足高水平學(xué)科能力的考查

學(xué)生定量化能力的形成和發(fā)展是一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由基礎(chǔ)到綜合、由具體到抽象的過(guò)程，它經(jīng)歷了從低水平到高水平的學(xué)習(xí)進(jìn)階：認(rèn)識(shí)概念或符號(hào)中所蘊(yùn)含的數(shù)量關(guān)系→直接運(yùn)用數(shù)量關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算→整合或轉(zhuǎn)換數(shù)量關(guān)系進(jìn)行綜合運(yùn)算→運(yùn)用科學(xué)思想方法進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算。［5］由此構(gòu)建根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的“學(xué)習(xí)進(jìn)階”構(gòu)架（見(jiàn)圖1）。

圖1 根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的“學(xué)習(xí)進(jìn)階”架構(gòu)

例1：溫州2021-31（1）（2）

“化學(xué)氧自救呼吸器”是一種在缺氧環(huán)境中通過(guò)制氧劑臨時(shí)供氧的裝置。制氧劑的主要成分是超氧化鉀（KO2），產(chǎn)生氧氣的主要原理是超氧化鉀與人體呼出的水汽反應(yīng)，其化學(xué)方程式為：4KO2＋2H2O＝4KOH＋3O2↑。制氧劑中其他成分不能生成氧氣。

（1）小明設(shè)計(jì)化學(xué)氧自救呼吸器時(shí)，為確定制氧劑的用量，除了查閱人體每分鐘呼吸次數(shù)外，還需了解哪些與人體呼吸相關(guān)的數(shù)據(jù)？▲（例舉一個(gè)）。

（2）若該呼吸器需為使用者提供48 g 氧氣，則至少需要含超氧化鉀80%的制氧劑的質(zhì)量是多少？

“化學(xué)氧呼吸器”在特殊人群日常保健和礦井急救中都有重要作用，本題的解答是真實(shí)情境下的問(wèn)題解決過(guò)程。在實(shí)際制作過(guò)程中，使用者的用量決定了裝置的大小和結(jié)構(gòu)，（1）（2）小題分別從不同角度考查化學(xué)方程式計(jì)算的相關(guān)要素。學(xué)生需要運(yùn)用科學(xué)思維，綜合應(yīng)用各類方法和知識(shí)進(jìn)行問(wèn)題分析，該題屬于水平4 的能力要求，這也是近5 年試題共同的特征。

二、根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的現(xiàn)狀與成因分析

中學(xué)生學(xué)習(xí)根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算，是從量的角度豐富和完善對(duì)物質(zhì)的組成、性質(zhì)和變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。［6］從學(xué)生試卷答題情況出發(fā)，可以了解學(xué)生根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的能力現(xiàn)狀。

1.答題情況反映學(xué)科能力不足

近5年試題的難度值處于0.42-0.65之間，學(xué)生的答題情況亦有規(guī)律可循。

例2：溫州2020-32（2）

工業(yè)純堿中含少量氯化鈉。興趣小組分別采用不同的方法測(cè)定工業(yè)純堿樣品中碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

（2）方法二：沉淀法。稱取15 g 樣品完全溶解于水中配成60 g 樣品溶液，取三個(gè)燒杯分三次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次加入30 g 氯化鈣溶液充分反應(yīng)，過(guò)濾、洗滌、干燥所得的沉淀質(zhì)量記錄如下表。

計(jì)算樣品中碳酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

在學(xué)生的錯(cuò)誤答案中，“將2 g（或4 g、6 g）等沉淀的質(zhì)量數(shù)據(jù)代入計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出相應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)”和“將任意沉淀質(zhì)量數(shù)據(jù)代入計(jì)算并得出相應(yīng)結(jié)果”最具代表性?？梢?jiàn)，大部分學(xué)生會(huì)利用化學(xué)方程式進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，但并未達(dá)到遷移創(chuàng)新的學(xué)科能力層次。很大一部分學(xué)生的能力停留在水平2和水平3，即他們已經(jīng)基本達(dá)到了知識(shí)目標(biāo)，卻未能完全達(dá)到能力目標(biāo)。

根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的學(xué)習(xí)進(jìn)階架構(gòu)（見(jiàn)圖1），將溫州市學(xué)業(yè)考試試題進(jìn)行層級(jí)拆分，并用試題對(duì)不同年級(jí)學(xué)生進(jìn)行能力測(cè)驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，從學(xué)生能力水平角度看，絕大部分學(xué)生能達(dá)到水平1和水平2，約80%學(xué)生能達(dá)到水平3，而能達(dá)到水平4 的學(xué)生大約只有一半。所以學(xué)生的根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的能力較低，只能對(duì)知識(shí)進(jìn)行較低水平的輸出。從學(xué)生能力發(fā)展角度看，能達(dá)到水平1 和水平2 的學(xué)生數(shù)量隨著學(xué)習(xí)時(shí)間的增長(zhǎng)有明顯增加，而達(dá)到水平4（較高水平能力）的人數(shù)增長(zhǎng)不明顯?？梢?jiàn)學(xué)生從開(kāi)始學(xué)習(xí)化學(xué)方程式到參加初中學(xué)業(yè)水平考試的時(shí)間里，根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算能力并沒(méi)有得到有效提升。

2.學(xué)習(xí)方式反映傳統(tǒng)定位有不足

（1）不同學(xué)段的教學(xué)現(xiàn)狀。以八年級(jí)下學(xué)期學(xué)生為訪談對(duì)象，了解到教師在根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的新課教學(xué)中最主要的教學(xué)形式是，以例題解答為線索進(jìn)行計(jì)算流程講解，只有近一成課堂中是以解決一個(gè)具體問(wèn)題的形式進(jìn)行。絕大多數(shù)學(xué)生表示，在九年級(jí)下學(xué)期的復(fù)習(xí)課中，這部分內(nèi)容的復(fù)習(xí)基本上以練習(xí)、講解為主要形式。在為數(shù)不多的專題復(fù)習(xí)課中，包含了情境創(chuàng)設(shè)、真實(shí)問(wèn)題解決等要素，但這類型的教學(xué)方式所占比例極低。

可見(jiàn)，絕大部分老師認(rèn)為根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算只是一種技能，將它看作通過(guò)練習(xí)即可掌握的技能，反映在教學(xué)實(shí)踐中是過(guò)多地強(qiáng)調(diào)模仿和練習(xí)。受這種認(rèn)識(shí)的影響，教師往往將計(jì)算過(guò)程歸納為“設(shè)、寫、找、比、算、答”六個(gè)基本步驟，讓學(xué)生模仿并反復(fù)練習(xí)。［6］這種做法只能使學(xué)生暫時(shí)熟練計(jì)算技能，而不能從定量角度研究物質(zhì)變化，缺乏深層次的理解。

（2）現(xiàn)狀和需求存在差距。課程標(biāo)準(zhǔn)要求“能根據(jù)化學(xué)方程式進(jìn)行生成物和反應(yīng)物之間的計(jì)算”，意味著根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的重點(diǎn)不在于數(shù)字運(yùn)算，而是對(duì)概念、原理以及量的關(guān)系的理解?；瘜W(xué)計(jì)算的學(xué)科本質(zhì)是對(duì)化學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)處理過(guò)程，即對(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的量化過(guò)程。［5］

根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算并非是“按照一套既定規(guī)則和操作程序去完成特定任務(wù)”的技能，而是“有意識(shí)、有意義、有目的、有方法地認(rèn)識(shí)和操作的共同體”。根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算是一種能力，它是基于科學(xué)知識(shí)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法解決物質(zhì)變化中“量”的問(wèn)題的能力。

由于根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的傳統(tǒng)定位和學(xué)科本質(zhì)之間的差距，形成了學(xué)生的學(xué)習(xí)方法和實(shí)際需求之間的矛盾，處于計(jì)算規(guī)則和技巧的練習(xí)狀態(tài)。這種機(jī)械式練習(xí)將根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算固化為某種格式，學(xué)生能力長(zhǎng)期停留在較低水平層級(jí)。

三、基于學(xué)科能力發(fā)展進(jìn)階的教學(xué)樣式建構(gòu)

基于對(duì)根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算學(xué)科本質(zhì)的理解，結(jié)合其學(xué)科能力的層級(jí)進(jìn)階架構(gòu)（見(jiàn)圖1），在不同的學(xué)習(xí)階段可采取不同的教學(xué)樣式，尊重學(xué)生循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)規(guī)律（見(jiàn)圖2）。

圖2 根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算能力進(jìn)階的教學(xué)樣式

1.凸顯學(xué)科思維的模型建構(gòu)

水平1和水平2是根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算能力進(jìn)階的基礎(chǔ)，各能力層級(jí)都需要正確認(rèn)識(shí)科學(xué)語(yǔ)言背后的含義、深入理解物質(zhì)變化過(guò)程中的質(zhì)量守恒。其中包含物質(zhì)變化過(guò)程中獨(dú)有的學(xué)科思維特點(diǎn)：從宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象入手，在分子、原子等微觀層面上建立描述，認(rèn)識(shí)物質(zhì)反應(yīng)實(shí)質(zhì)的模型，最終建立宏觀和微觀反應(yīng)過(guò)程的有機(jī)聯(lián)系。

根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算涉及化學(xué)式、質(zhì)量守恒定律、相對(duì)分子質(zhì)量等多個(gè)核心概念，因此，在八年級(jí)下冊(cè)新課學(xué)習(xí)過(guò)程中，以核心概念模型建構(gòu)為教學(xué)重點(diǎn)，使之與學(xué)科思維特點(diǎn)相適應(yīng)。

例3：質(zhì)量守恒定律的教學(xué)

質(zhì)量守恒定律，既有質(zhì)量的改變，又有原子排列方式的變化，可以引導(dǎo)學(xué)生從動(dòng)態(tài)角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)。本節(jié)課采用實(shí)驗(yàn)和思考相結(jié)合、實(shí)物與模型相匹配的教學(xué)方法（見(jiàn)圖3），從宏觀到微觀、從現(xiàn)象到本質(zhì)，幫助學(xué)生自主建構(gòu)化學(xué)反應(yīng)的模型。

圖3 “質(zhì)量守恒定律”教學(xué)流程

2.立足過(guò)程參與的探究教學(xué)

從水平2 到水平3 的提升需要表格、圖像等素材的支持，真實(shí)性是有效素材的必備要素。在九年級(jí)上冊(cè)酸堿鹽等物質(zhì)性質(zhì)的學(xué)習(xí)中，涉及到多種有特點(diǎn)、有代表性的化學(xué)變化。以物質(zhì)間的具體反應(yīng)為素材背景，進(jìn)行根據(jù)化學(xué)方程式的計(jì)算，在數(shù)據(jù)的獲取中不僅能深入了解物質(zhì)的性質(zhì)，亦能實(shí)現(xiàn)能力水平的遞進(jìn)。

例4：酸和堿的反應(yīng)

鹽酸和氫氧化鈉的反應(yīng)是學(xué)生較熟悉的化學(xué)反應(yīng)之一，他們已經(jīng)能較熟練地分析鹽酸與氫氧化鈉反應(yīng)中物質(zhì)種類變化和質(zhì)量比等。以此反應(yīng)為背景，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。

粗略計(jì)算。向滴有酚酞的氫氧化鈉溶液（已知濃度）中逐滴滴加稀鹽酸，記錄現(xiàn)象如下，計(jì)算稀鹽酸的濃度。

精確計(jì)算。利用精確度更高的酸度計(jì)測(cè)量溶液的pH，將數(shù)據(jù)繪制成圖像。學(xué)生根據(jù)圖像中的信息進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

3.指向深度理解的任務(wù)設(shè)計(jì)

學(xué)生的思維達(dá)到水平3 后往往會(huì)進(jìn)入能力提升的“瓶頸期”，這便需要教師統(tǒng)籌規(guī)劃，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)所學(xué)知識(shí)從碎片化到結(jié)構(gòu)化的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)能力的升華。

主題任務(wù)是學(xué)習(xí)的一種形式，是在學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)情分析的基礎(chǔ)上，圍繞主題將一系列相互關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)任務(wù)按一定邏輯主線排列的一種學(xué)習(xí)過(guò)程。它利用主題任務(wù)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和深度加工，并根據(jù)一定邏輯有序地開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，從而推動(dòng)學(xué)生主動(dòng)思考，使學(xué)生在交流合作和探索實(shí)踐的同時(shí)不斷加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)由淺層學(xué)習(xí)向深層學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)化。圍繞任務(wù)主題開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的流程見(jiàn)圖4。

圖4 任務(wù)主題的教學(xué)流程

例5：“氣體制取”復(fù)習(xí)課

以溫州2019-33 試題為背景，設(shè)置復(fù)習(xí)情境：在氧氣性質(zhì)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室需要提供較多氧氣。以此為任務(wù)主題，分解為以下四個(gè)子任務(wù)（見(jiàn)表2），以過(guò)氧化氫溶液制取氧氣為任務(wù)情境，展開(kāi)復(fù)習(xí)。

表2 “氣體制取”復(fù)習(xí)課的主要任務(wù)

根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算是從量的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)變化，是學(xué)科能力指導(dǎo)下陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和策略性知識(shí)的綜合應(yīng)用。本文正確定位，聚焦能力的進(jìn)階過(guò)程，關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)歷程，以情境為媒介，用適時(shí)適量的定量計(jì)算讓學(xué)生的科學(xué)思維變得更豐富、更活躍，同時(shí)讓學(xué)生從中體驗(yàn)并收獲運(yùn)用數(shù)學(xué)手段解決科學(xué)問(wèn)題的快樂(lè)，感受到科學(xué)思維的精巧，促進(jìn)學(xué)生學(xué)科能力的有效提升。