讓數(shù)據(jù)助推學(xué)生形成理性思維

一、問題的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》提出“體會定量研究對化學(xué)科學(xué)的重要作用；關(guān)注數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，能基于數(shù)據(jù)等證據(jù)素材進(jìn)行分析并推理得出合理結(jié)論”。

化學(xué)的發(fā)展是建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的，其核心是量化思想。縱觀我國高中化學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀，重視定性解釋和說明輕視定量推理和實(shí)證是一個普遍存在的現(xiàn)象?；瘜W(xué)教學(xué)中能夠涉及到的數(shù)據(jù)，往往就是化學(xué)計(jì)算。甚至在傳統(tǒng)的化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)中，把化學(xué)計(jì)算單獨(dú)作為一個版塊進(jìn)行復(fù)習(xí)，傳授更多的是計(jì)算技巧和方法。

筆者在學(xué)生中做過一個關(guān)于數(shù)據(jù)與化學(xué)學(xué)習(xí)的問卷調(diào)查，學(xué)生對數(shù)據(jù)的理解主要有以下幾點(diǎn)：

1．?dāng)?shù)據(jù)是數(shù)學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)，與化學(xué)學(xué)科關(guān)聯(lián)度不大；

2．化學(xué)學(xué)科中的數(shù)據(jù)就是用來計(jì)算的，如計(jì)算物質(zhì)的量濃度、化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡常數(shù)等；

3．化學(xué)概念、原理、性質(zhì)等知識的學(xué)習(xí)記住定性結(jié)論就行了，不一定都要用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

數(shù)據(jù)對化學(xué)教學(xué)的促進(jìn)作用，教師基本都持肯定的態(tài)度，但怎樣運(yùn)用數(shù)據(jù)促進(jìn)學(xué)生深度理解，培養(yǎng)學(xué)生高階思維，又不知怎樣回答和落實(shí)。

二、關(guān)于數(shù)據(jù)和理性思維

數(shù)據(jù)是信息的表現(xiàn)形式和載體，可以是符號、文字、數(shù)字、語音、圖像、視頻等。數(shù)據(jù)和信息是不可分離的，數(shù)據(jù)是信息的表達(dá)，信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵。數(shù)據(jù)本身沒有意義，數(shù)據(jù)只有對實(shí)體行為產(chǎn)生影響時才有意義。

該文中提到的數(shù)據(jù)主要指的是數(shù)字和借助一定的規(guī)則進(jìn)行的數(shù)字運(yùn)算等。

理性思維是《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》科學(xué)精神維度的重要性組成部分。主要指崇尚真知，能理解和掌握基本的科學(xué)原理和方法；尊重事實(shí)和證據(jù)，有實(shí)證意識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那笾獞B(tài)度；邏輯清晰，能運(yùn)用科學(xué)的思維方式認(rèn)識事物、解決問題、指導(dǎo)行為。

嚴(yán)謹(jǐn)性、深刻性、批判性和富有邏輯性等是理性思維的主要特點(diǎn)。新課程理念下的化學(xué)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維顯得尤為重要。在化學(xué)學(xué)科教學(xué)中，基于“數(shù)據(jù)”是一條重要的培養(yǎng)途徑。

三、借助數(shù)據(jù)幫助學(xué)生形成理性思維的幾點(diǎn)做法

1．幫助學(xué)生形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度

遵從客觀事實(shí)的科學(xué)研究是學(xué)生要具備的品質(zhì)之一，真實(shí)的數(shù)據(jù)就是客觀事實(shí)。化學(xué)中的許多理論、定律和物質(zhì)都是在“數(shù)據(jù)”的處理中發(fā)現(xiàn)的。

氬氣的發(fā)現(xiàn)是化學(xué)家基于對數(shù)據(jù)處理的經(jīng)典。英國物理學(xué)家雷利（Lord.Rayleigh，1842-1919）于1892年發(fā)現(xiàn)從含氮化合物中制得的氮?dú)饷可?.2505 g，而從空氣中分離出的氮?dú)庠谙嗤瑺顩r下每升重1. 2572 g，兩者之差雖只有幾毫克，但已超出了實(shí)驗(yàn)誤差范圍。他懷疑空氣中一定含有尚未被發(fā)現(xiàn)的較重的氣體，后經(jīng)多方試驗(yàn)，斷定它是一種極不活潑的新元素，定名為氬（Ar）。

1962年巴特列特（N．Bartlett）基于Xe的第一電離能（1171. 5kj/mol）與O2的第一電離能（1175. 7kj/mol）幾乎相等制備出了黃色固體XePtF6，震驚了化學(xué)界。

化學(xué)家對“數(shù)據(jù)”一絲不茍的處理方式一定會潛移默化地影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度。

2．幫助學(xué)生深刻理解重要概念

概念的掌握不應(yīng)只來自教師的講解和學(xué)生的背誦記憶，更重要的是理解概念提出的意義和價值。借助數(shù)據(jù)可以深化對概念的理解，把握概念的實(shí)質(zhì)。

物質(zhì)的量概念的提出解決了微觀粒子定量化問題，但也成為學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)過程中較難理解的概念之一。學(xué)生比較困惑的是為什么物質(zhì)的量不能表示宏觀物體的數(shù)目？這種不斷反思、反問的動態(tài)思維必然會推動學(xué)生的思維品質(zhì)逐步提升。以宏觀小麥為例通過數(shù)據(jù)計(jì)算加以說明，學(xué)生就會瞬間明白。

查閱相關(guān)報(bào)道，比較飽滿的小麥千粒重大約為38 g。2019-2020年度全球小麥產(chǎn)量預(yù)計(jì)能達(dá)到7.775億t，是史上最高紀(jì)錄。如果用“物質(zhì)的量”表示麥粒數(shù)，那么2019-2020年度小麥粒是幾摩爾？一粒小麥重約38g/1000=0.038g，2019-2020年度全球小麥產(chǎn)量為7.775×1014g，小麥的粒數(shù)約為7.775×1014g/0.038g=2.046×1016（粒），約為3.4×10-8mol，遠(yuǎn)不及1mol。

通過上述舉例計(jì)算可知，由于宏觀物體的數(shù)目有限，用物質(zhì)的量表示宏觀物體時會帶來很大的不便，因此一般不用物質(zhì)的量表示宏觀物體。有理有據(jù)的計(jì)算勝過教師千叮嚀萬囑咐（物質(zhì)的量不能表示宏觀物體）。

3．幫助學(xué)生深刻理解反應(yīng)原理

化學(xué)反應(yīng)原理從能量、速率、平衡的角度揭示了化學(xué)反應(yīng)過程，是化學(xué)重要的組成部分。對培養(yǎng)學(xué)生理性思維，形成化學(xué)觀念具有重要的作用。

Fe3+和Al3+的水解在生活中有著廣泛的應(yīng)用。教師在課堂中提出：常溫下，F(xiàn)e3+的水解常數(shù)為6.5×10-3，Al3+的水解常數(shù)為7.3×10-6，通過FeCl3制備Fe（OH）3膠體時需要加熱，而為什么明礬[KAI（SO4）2·12H2O]不需要加熱就能水解出Al（OH）3膠體從而吸附水中的雜質(zhì)起到凈水作用呢？該問題通過數(shù)據(jù)和事實(shí)引發(fā)了學(xué)生認(rèn)知沖突，促進(jìn)學(xué)生深度思考。

2種離子的水解常數(shù)數(shù)據(jù)顯然不能支持明礬能夠凈水，學(xué)生通過查閱資料得知，明礬能夠處理天然水的主要原因是，天然水中由于CO2的溶解產(chǎn)生了HCO-，HCO3-的存在促進(jìn)了Al3+在天然水中的水解從而形成Al（OH）3膠體。通過對比實(shí)驗(yàn)：把明礬溶于沒有HCO3-的水中加熱，冷卻至室溫，沒有丁達(dá)爾效應(yīng)，更加證實(shí)了明礬凈水的作用機(jī)理。

基于真實(shí)問題引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，引領(lǐng)學(xué)生深度思考，通過查閱資料、做實(shí)驗(yàn)解決了真實(shí)問題，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

4．幫助學(xué)生深刻理解反應(yīng)過程

很多反應(yīng)過程涉及到反應(yīng)物的用量。與量有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，課堂教學(xué)常常是通過“少量”“適量”或“過量”的表述方法進(jìn)行描述。學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)的理解只是涉及到幾個量的“點(diǎn)”，而不能形成多個量的“線”，理解是不全面的。

如少量CO2通入NaOH溶液中發(fā)生的反應(yīng)是：

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O

過量的CO2通入NaOH溶液中發(fā)生的反應(yīng)是：

CO2+NaOH=NaHCO3

其實(shí)真實(shí)的化學(xué)反應(yīng)遠(yuǎn)不止這2種。

可給出以下數(shù)據(jù)進(jìn)行思考和討論：

將標(biāo)準(zhǔn)狀況下22.4LCO，通入1L 1.5 mol/LNaOH溶液中發(fā)生反應(yīng)，試寫出溶質(zhì)的成分及各成分的物質(zhì)的量之比。

學(xué)生經(jīng)過思考可以得到：CO2與NaOH溶液的反應(yīng)可以分成5種情況，見表1。

題目所給的量1：1＜n（NaOH）/n（CO2）lt;2：1，即最終生成的產(chǎn)物為NaHCO3和Na2CO3。

根據(jù)產(chǎn)物的種類及碳元素和鈉元素的守恒關(guān)系可以得出反應(yīng)的總化學(xué)方程式：

2CO2 +3NaOH =NaHCO3+Na2CO3+H2O

所以最終溶質(zhì)的成分為NaHCO3和Na2CO3，物質(zhì)的量之比為1：1。

當(dāng)解決了多個量的“點(diǎn)”的問題時，學(xué)生也就能夠解決a ol CO2和b mol NaOH反應(yīng)的“線”的問題（基于數(shù)軸進(jìn)行分類討論），思維的深刻性和全面性得到了提升。

5．幫助學(xué)生理解疑難困惑

學(xué)習(xí)的過程就是解答疑難困惑的過程。對部分普遍性的疑難困惑，需要通過數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行說明和解答。

如為什么加熱蒸干NaHCO3溶液最終生成的固體物質(zhì)不是NaHCO3而是Na2CO3？

由于NaHCO3溶液中既存在HCO-3的水解平衡，也存在HCO-3的電離平衡，又存在H2C03的分解平衡和H2O的電離平衡，即：

借助上述4個平衡的平衡常數(shù)計(jì)算可知，常溫（298 K）下①的平衡常數(shù)為3.0×10-3，且常溫（298 K）下HCO3-分解生成的CO2分壓比空氣中的CO2分壓大100倍。因此，常溫（298 K）下HCO3-就會分解放出CO2，又由于該反應(yīng)為吸熱過程，升溫更有利于HCO3-分解。所以加熱蒸干NaHCO3溶液最終生成的同體物質(zhì)是Na2CO3。

6．幫助學(xué)生批判性地糾正錯誤結(jié)論

“結(jié)論教學(xué)”在課堂教學(xué)中依然盛行，甚至有些錯誤的結(jié)論也摻雜其中。通過數(shù)據(jù)糾正錯誤結(jié)論，有助于學(xué)生形成批判性思維。

如“強(qiáng)酸可以制備弱酸，弱酸不能制備強(qiáng)酸”就是經(jīng)常被提及的錯誤結(jié)論。

硫酸的酸性強(qiáng)于氫硫酸的酸性，反應(yīng)

K= K1K2/Ksp=1.6×1015gt;gt;×105。即H2S能與CuSO4反應(yīng)生成CuS和H2SO4，主要原因是CuS極難溶，Cu2+與S2-不斷結(jié)合生成難溶的CuS從體系中脫離，促使H2S不斷電離，從而使平衡不斷向正反應(yīng)方向移動。

再如，通過數(shù)據(jù)計(jì)算可以糾正“一定溫度下，難溶電解質(zhì)的Ksp越小，其溶解度（s）也會越小”的錯誤結(jié)論等。

7．幫助學(xué)生傳播科學(xué)常識，形成科學(xué)素養(yǎng)

普及科學(xué)常識，形成科學(xué)素養(yǎng)可以助推全民素質(zhì)的提升，對高中生更是如此，這也是核心素養(yǎng)的重要組成部分。

2011年3月11日，日本發(fā)生9級大地震，造成核泄漏事故。日本核事故發(fā)生不到3天，我國民眾就開始瘋狂搶購加碘鹽，我國各大超市的鹽竟然脫銷。究其原因，主要是“碘- 131可以防輻射，鹽中有碘- 131，吃鹽可以防輻射”。

《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食用鹽碘含量》（GB26878 - 2011）中規(guī)定產(chǎn)品中碘含量為18 -33 mg/kg。為了達(dá)到防輻射的目的，人每天需要攝入100 mg碘，即也就是說要靠吃碘鹽來防輻射，每天需要吃下去3 -5 kg的鹽才行。

根據(jù)我國衛(wèi)生部公布的核事故防護(hù)知識，KI（碘片）是穩(wěn)定性碘，它可以促使甲狀腺內(nèi)的碘飽和，從而阻止放射性碘的攝入。通常1片劑量的穩(wěn)定性碘就足夠了，它可以起到24 h持續(xù)保護(hù)作用。

如果民眾通過數(shù)據(jù)知道了以上事實(shí)，也就不會大面積傳播“吃鹽可以防輻射”的謠言了。

離開量，離開濃度談物質(zhì)的效果或毒性都是不科學(xué)的表現(xiàn)。

四、總結(jié)與反思

核心素養(yǎng)下的化學(xué)教學(xué)更加注重學(xué)生良好思維品質(zhì)的培養(yǎng)。基于“數(shù)據(jù)”可以使學(xué)生思考化學(xué)問題更加準(zhǔn)確、深刻、嚴(yán)謹(jǐn)和富有邏輯性，能夠培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)的問題解決態(tài)度和意識。

在平時的教學(xué)中，教師要養(yǎng)成善于用“數(shù)據(jù)”處理化學(xué)問題的習(xí)慣，不斷培養(yǎng)學(xué)生基于“數(shù)據(jù)”思考問題、解決問題的能力，形成在復(fù)雜情境中借助“數(shù)據(jù)”探索事物本質(zhì)的意識和方法。讓化學(xué)問題的解決有“據(jù)”可依、有“據(jù)”可循，彰顯“數(shù)據(jù)”魅力，助推學(xué)生理性思維的形成，最終實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的提升。

（收稿日期：2024 - 04 - 07）