化學計算的學科本質及其教學

摘要：化學計算的本質是對化學問題的數學處理過程，即對物質的組成、結構、性質和變化規律的量化過程。傳統化學課程中將“化學計算”作為一項基本技能，過于注重程式化教學，學生過分依賴機械訓練、反復練習，并沒有真正習得計算能力。基于對化學計算本質的理解，在化學計算教學中教師應創設真實的應用情境，凸顯化學學科思維，并精心設計樣例學習。

關鍵詞：化學計算；學科本質；樣例學習

文章編號：1005–6629（2013）10–0006–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

在化學學科發展的歷史進程中，人類對物質的認識從定性深入到定量，是化學發展過程中的里程碑。正是通過對物質的定量認識和對化學變化的定量分析，人類的化學思維水平上升到一個新的高度，化學學科發展有了新的突破。運用數學手段定量地研究化學物質的組成及其變化，不僅是化學學科向縱深發展的結果，也是現代化學領域不可缺少的重要手段，更為化學科學成果向技術轉化提供依據。中學生學習化學計算，則是從量的角度豐富和完善對物質的組成、性質和變化規律的認識。化學計算歷來在中學化學教學中占有重要的地位，但由于長期以來對化學計算的定位使得化學計算教學過于程式化，而學生也過分依賴于機械訓練、反復練習，對于化學計算的本質及意義都缺乏較為深入的理解。

1 傳統教學中化學計算的定位及教學

從知識分類的角度，按照傳統雙基觀，化學計算屬于基本技能。《心理學大詞典》對技能的定義是：“個體運用已有的知識經驗，通過練習而形成的智力動作方式和肢體動作方式的復雜系統。”《教育大辭典》對技能的定義是：“主體在已有知識經驗的基礎上，經練習形成的執行某種任務的活動方式。”在這些定義中，技能都被看作是通過練習之后掌握的活動方式。反映在教學實際中，往往強調的是對技能性知識的模仿和反復操練。受這種觀點的影響，在化學計算教學中教師往往會按照一定的操作程序進行教學，如依據化學方程式計算的教學程序是“設、寫、找、比、算、答”，然后讓學生模仿，反復練習。結果學生所形成的只是對計算技能的一種暫時性熟練，而非對從定量角度研究物質變化的深層理解。

2 化學計算的學科本質

門捷列夫曾多次指出，自然現象的質和量是各種事物最重要的特征，兩者具有規律性的聯系，認識這種聯系，對于化學家具有特殊的重要性，把握質和量的統一，就能找到一條線索，使化學家們從片斷資料的迷宮中走出來。化學是在分子、原子水平上，以研究物質的組成、結構和性質為基礎，著重研究物質化學反應的規律的科學。物質的化學反應是從反應物轉化為生成物的質變，同時也伴隨著能量的轉化。但是僅僅知道轉化是不夠的，在生產實踐或實驗室中我們要獲得目標產物，或者要利用化學變化產生的能量，都必須要從量的角度去研究化學反應。

因此，化學計算的學科本質是對化學問題的數學處理過程，即對物質的組成、結構、性質和變化規律的量化過程。中學化學計算的基礎是物質微觀粒子在化學變化中的“質”與“量”的關系，這是化學學科中的數學計算與其他學科的本質區別之處。化學中的計算離不開有關的化學概念和原理的運用，這不僅是因為這些概念和原理規定著化學計算的意義，而且還是因為許多計算方法就包含在這些概念或原理之中。化學課程標準要求“根據化學方程式進行簡單的計算”，實質上也就意味著化學計算的重點并不在數學運算方法上，而是對概念、原理以及量的關系的理解上。只有理解了建立在化學基本概念、化學基本原理基礎上的各種化學符號語言所表示的質和量的關系，才能依據條件選擇適當關系進行計算。

傳統化學課程將“化學計算”作為一項基本技能，但從量的角度解決化學問題并非單純的數學運算，也并非簡單的方法、技巧等技能的操練，而是以基本概念、基本理論、元素化合物知識為基礎，以化學式、化學方程式及溶液組成等蘊含的量的關系為依據，進行分析、判斷、推理、運算的過程。因此，從這一認識出發，化學計算并非是“按照一套既定規則和操作程序去完成特定任務”的技能，而是“有意識、有意義、有目的、有方法的認知和操作的共同體”，即是一種能力，是依據化學基礎知識，運用數學方法解決物質組成、結構、變化中“量”的問題的能力。化學計算能力是學生化學學科能力的重要組成部分。

3 化學計算的教學策略

長期以來，由于沒有明確化學計算的本質，對學生化學計算能力的形成及其發展規律缺乏研究，導致不少教師在中學化學計算教學中往往把大量時間和精力投入到計算類規則、技巧的教學中，讓學生反復感知，甚至編出許多抽象、繁雜、脫離生產生活實際的“假題”讓學生反復練習。學生不理解“為何要計算”以及“如何來計算”，不少學生依賴套公式解題或試誤性解題，并沒有真正地習得化學計算能力。基于對化學計算本質的理解，在化學計算教學中教師應注意應用以下教學策略：

3.1 創設真實的應用情境

在義務教育和高中化學課程標準中，都明確提出“體會定量研究的方法對研究和學習化學的重要作用”，這就意味著我們不是為教計算而教計算，不應該用一些沒有價值或實際意義的計算題來代替對化學計量關系的了解。而應將計算問題置于真實的情境中，讓學生在解決生產、生活以及實驗室中有關“量的問題”的過程中，真正體驗到定量研究方法在化學科學研究和工農業生產中的重要作用，理解化學計算的應用價值。

案例1 某鈣片的標簽如右圖所示，已知此鈣片成分中只有碳酸鈣含有鈣元素。

問題①：直接從晶胞中數出各原子個數是否正確？

問題②：晶胞中原子是否完全屬于該晶胞？

問題③：原子個數比與哪些因素有關？

第二步：分別對不同類別的原子個數進行計算；

問題④：晶胞中原子按照位置可分為幾類？

第三步：得出結論。

問題⑤：根據計算規則得出結論。

（2）探究型樣例。即在樣例中并未給學生呈現明確的解題步驟，而是由探究性的問題組成，包含了選擇題和開放題，這些問題以問題解決進程為主線，并將學生可能犯的錯誤預設其中。同樣以“根據氯化鈉晶體結構確定鈉原子和氯原子個數比”為例，解答部分加入了開放性的問題，如：

①同學甲認為：由氯化鈉晶胞圖中可直接數出，該晶胞中有13個Na+，14個Cl-，因此個數比為13：14，你認為這種說法是否正確？為什么？

②圖1中，A表示頂點上的Cl-，同學甲認為A完全屬于該晶胞，但乙卻認為A其實被8個周圍的晶胞所共用，只是圖中沒有畫出而已，你認為哪位同學的說法正確？為什么？

③你認為個數比與下列哪些因素有關？為什么？

A. 離子的大小 B.離子在晶胞中的位置

C.離子的種類

④如果讓你將晶胞中的離子按照位置分類，你將分為哪幾類？

問題1預設了學生可能存在的錯誤，即直接數出晶胞中的原子個數。問題2對學生的這個錯誤進行提示，引導學生理解晶胞中原子共用的概念，改正原有的錯誤。同時，開放性問題能夠對學生的思路進行追蹤。可見，在該類型樣例的解答部分，學生經歷了問題探究的過程和與錯誤思路的碰撞，從而正確理解樣例中問題的解答方法，將新知識建構于原有的認知系統中。

整體而言，樣例學習的模式如圖2所示。學生的樣例學習過程包含兩個階段：第一，學生在研究樣例的過程中提取樣例規則。第二，學生在利用規則完成練習、解決問題的過程中，不斷反思，使規則更加完善，并內化于自己的認知體系中。

在樣例學習中，解題的方法和規則由學習者自己研究樣例、解決問題而習得。教師講解的作用只在于提供必須的知識儲備，為學生化學樣例學習搭建腳手架。學習過程中，學生先通過已有知識仔細研究樣例，總結出樣例中隱含的方法規則，隨后有目的性和針對性地完成所附練習。當解題過程遇到困難時，學習者可以隨時參照樣例或者求助于教師。因此，樣例學習是一種自我建構式的學習方式，學生通過自我主動的學習建構起對知識的理解和體會，計算規則在學生心中自然生成，而非通過大量強化練習而得到。這樣獲得的知識更為牢固，也更有利于遷移。當然，樣例學習對教師提出了更大的挑戰，因為需要教師精心設計樣例及其呈現方式，在樣例中有效整合陳述性知識、程序性知識以及策略性知識，還要考慮是否符合學生的認知水平以及閱讀習慣等。

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