基于教材中數據處理與應用的實踐探索

丁浩

摘要：化學教材中涉及大量的定量數據，教學中教師要幫助學生厘清數據修約規則、挖掘數據隱含信息、拓展數據運用價值，以發揮數據的最大功效，使其更好地服務于教學。

關鍵詞：化學教材；數據處理；教材分析

文章編號：1005–6629（2015）7–0014–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

數據是精辟、適度概括的語言，具有精確和蘊意豐富等特點。在實際教學中，教師會用到各種數據。這些數據產生的條件和背景不同，來源也不同，可能源于教材或是其他文獻，也可能是源于科研論文或實際生產。對這些數據，不能只進行簡單的呈現，而要幫助學生厘清數據的含義，并進行適當的加工處理和意義拓展，使學生更容易理解其內涵，以期獲得更好的教學效果。本文以化學教材中的相關數據為例，談談數據的處理和應用。

1 厘清數據修約規則，明確相應實現途徑

數據一般由數值和單位組成，而數值又是用具體數字表示的。在不同的場合需要用到不同的數據，同時對數值精確程度的要求也不盡相同。化學教學在涉及具體的數據時，要引導學生厘清相關數據的修約規則，知道具體數據的可能來源，以及實現或獲取這些數據的實驗途徑，從而使學生具備相應的實驗技能。

例如，蘇教版《化學1》[1]在“溶液的配制及分析”的“活動與探究”部分，設置了配制100mL 0.100 mol·L-1 Na2CO3溶液的實驗，要求學生計算所需碳酸鈉固體的質量并完成相關實驗操作。這其中涉及到了有效數字的問題。有效數字是指在實驗中實際能夠測量到的數字，而能夠測量到的是包括最后一位估計的，即不確定的數字。因此有效數字在一定程度上依賴于測量儀器的精確度，數值的有效數字位數越多，對應的稱量儀器的精確度也越高。對于100mL 0.100 mol·L-1的碳酸鈉溶液，所需碳酸鈉固體質量為1.06g。配制溶液的濃度有三位有效數字，為了保證實驗的精確度，應該使用分析天平（或電子天平）準確稱取碳酸鈉固體1.06g。由于對數據的內涵不夠清晰，有些教師往往讓學生直接采用托盤天平稱取1.1g碳酸鈉固體，這樣得到的溶液的濃度與0.100 mol·L-1之間存在誤差，使得實驗的精確度有所下降，達不到精確配制溶液的目的。

由于數據的大小和有效數字位數的多少，不僅代表了某物質具體量的不同，同時也體現了實驗操作的準確度不同，或對實驗器材的要求不同。所以，教學中要結合具體情況做出說明，讓學生明白有效數字與實驗儀器及其準確度的關系。如稱量1.8g的樣品用托盤天平即可，而稱取0.7865g的樣品必須用分辨值為0.1mg的分析天平；量取5.0mL和5.00mL溶液時，則應分別選用10mL量筒和10mL移液管；量取21.05mL 0.1000 mol·L-1鹽酸，則要采用酸式滴定管。這樣，學生不僅能體驗到這些數據的來歷，而且能懂得正確記錄測量值對結果準確度的保證作用。對于上述碳酸鈉溶液配制等問題，人為地增加或減少有效數字的位數會導致概念理解的偏差，在教學中要為學生發展預留空間，為學生形成較為完整的科學概念奠定基礎。由于高中生比較熟悉的稱量儀器是托盤天平，而且有些學校沒有分析天平（或電子天平），或分析天平的數量不能滿足學生分組實驗的需要，這時要與學生說清楚，使用精確度不同的天平，得到數據的有效數字會有所差異，如果使用托盤天平稱量碳酸鈉固體，質量是1.1g，這樣得到溶液的濃度精確度達不到0.100 mol·L-1。

2 挖掘數據隱含信息，深入理解其中奧秘

教材所呈現的一些數據，有時沒有“來龍去脈”，這時需要對數據進行有效加工，引導學生挖掘數據隱含的信息和真相。這不僅可以增強學生的數據意識，重視數據的收集、整理和分析，更重要的是能引導學生從數據中獲取信息，促進學生的主動探究，形成有效的解決問題的能力，而且加工和處理數據的實踐過程，還有利于學生創新思維能力的培養。

例如，在《物質結構與性質》模塊的“共價鍵的類型”教學中，為了使學生理解有關鍵能的數據，可以設問：“碳碳單鍵和雙鍵的鍵能分別為348 kJ·mol-1和615 kJ·mol-1，從共用電子對數量看，兩者是1：2，但碳碳雙鍵的鍵能小于碳碳單鍵鍵能的兩倍（615 kJ·mol-1<2×348 kJ·mol-1）。其中的原因是什么呢？”然后引導學生從軌道重疊的方式來解釋。學生意識到碳碳單鍵是碳原子之間通過sp3雜化軌道“頭碰頭”重疊形成的σ鍵，而碳碳雙鍵是碳原子之間通過sp2雜化軌道“頭碰頭”重疊形成一個σ鍵的同時，未雜化的p軌道“肩并肩”形成一個π鍵，兩對共用電子對對應原子軌道的重疊方式是不一樣的；而且由于原子軌道“頭碰頭”比“肩并肩”重疊程度大，形成的σ鍵比π鍵牢固。最后，再拋出問題：“碳碳雙鍵中σ鍵和π鍵的鍵能分別大約是多少？乙烯發生加成反應時哪個化學鍵發生斷裂？”這樣，學生在定性感知原子軌道重疊程度與共價鍵強度關系的基礎上，又從定量的角度比較了σ鍵和π鍵的強度，深化了對鍵能概念和碳碳之間單、雙鍵性質的認識。

又如，蘇教版《化學反應原理》教材[2]的“沉淀溶解平衡原理的應用”中指出，“CuSO4溶液中含有Fe3+，可向溶液中加入氫氧化銅或堿式碳酸銅，調節溶液pH至3～4，鐵離子就會全部轉化為氫氧化鐵除去”。氫氧化鐵在酸性條件下能夠穩定存在（沉淀完全）！這與常規的“酸堿反應”產生認知沖突，學生難以理解。對此，教學中可以告訴學生，在分析化學上，當溶液中離子的濃度小于或等于1.0×10-5 mol·L-1時，就能認為沉淀完全了。然后讓學生根據Fe（OH）3和Cu（OH）2的溶度積分別計算Fe（OH）3完全沉淀時的pH，以及此時產生Cu（OH）2沉淀所需要c（Cu2+）的最小值。

通過理論分析，學生認識到由于Fe（OH）3的溶度積很小，所以OH-只需要很小的濃度就能夠使Fe3+完全沉淀，所以采用調節溶液pH至3～4的方法可以使Fe3+完全沉淀而Cu2+沒有開始沉淀，可以除去溶液中的Fe3+。通過以上運算，學生進一步熟練了溶度積的相關計算，同時，這些具體的數據也增加了信息的可信度，更容易理解和接受相關除雜知識。

3 拓展數據運用價值，優化課堂教學設計

教材中所列的某些定量數據，可能蘊藏著非常豐富的含義，它不僅能說明教材編寫者想說明的問題，而且還能用于其他知識或原理的教學。教學中對這些數據含義進行適當的拓展，并融入相關內容的教學設計之中，能夠充分發揮數據真實性和直觀性等特點的作用，促進學生對相關知識或原理的理解，使教學更加貼近學生的思維水平，達到優化的教學境界。

教材給出這些數據的意圖是判斷同一可逆反應在相同溫度、不同起始濃度的情況下，達到平衡時的平衡常數相同。學生在分析中很容易發現，生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值基本相同，得到平均值171即為平衡常數。進一步推知，對于任一可逆反應，只要溫度相同，達到平衡狀態時生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值為一定值，該比值為相應溫度下該反應的平衡常數，從而建立起平衡常數的概念。由于這些數據源自科學實驗，具有真實、可信等特點，在“化學平衡的移動”的教學時，還有其獨到的教學價值。教學中，可以先讓學生利用平衡常數進行簡單計算的知識，計算出每組實驗中反應物的平衡轉化率（見表2）。

表2中的數據，還可以用來探究反應進行限度的定量表示，進一步判斷某反應是否達到平衡狀態以及平衡移動的方向。對于教材中類似的數據，我們要注意挖掘和拓展它們的教育價值，幫助學生揭示、理解和掌握相應的化學知識和原理。

數據是一種理性的定量表達，真實有效的數據有極大的權威性和很強的說服力，深度提取其中量化信息，充分利用數據蘊含的信息，使之更符合學生的認知特征，有利于學生在定性判斷的基礎上增加一些定量感知，同時發揮數據對于教學的最大功效。

參考文獻：

[1]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M].南京：江蘇教育出版社，2011：24.

[2]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·物質結構與性質[M].南京：江蘇教育出版社，2012：49.

[3]王祖浩主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學反應原理[M].南京：江蘇教育出版社，2012：48.