初中化學定量觀的內涵及其教學價值

羅月旺　李珍

摘要：從教學觀察和實踐來看，初中化學教學的難點很大程度就是學生對有關知識的“計量”沒能深刻理解。為此，基于化學學科特點，在物質和物質變化的層面，從宏觀與微觀的視角，揭示出初中化學定量觀的三點內涵：計量知識、計量思維和計量手段，并探討其教學價值。

關鍵詞：物質；物質變化；定量觀

文章編號：1008-0546（2016）08-0020-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.08.008

初中化學定量觀是指有關物質及其物質變化計量關系的思想，從宏觀與微觀的角度定量認識物質的組成、結構和變化之間的數量關系。初中化學有關定量的內容貫穿運用在教學各階段，例如，空氣中氧氣體積分數的測定、電解水實驗、化學符號的書寫、純凈物中各元素的質量關系、化學反應中的質量關系、溶液組成及物質的溶解度、溶液酸堿度、元素與人體健康等，只有從定量的角度去理解和應用，學生才能對物質及其轉化的現象或結果背后計量的本質進行深刻理解并解決有關問題。但從教學觀察和實踐來看，很多初中化學教師對量的認識比較片面，沒有認識到定量觀在幫助學生深刻理解有關知識、培養學生化學核心素養等方面的教學價值，只當作知識性知識來教學，沒有引導學生從定量的角度來認識物質及其物質變化，造成學生的定量思維水平很低，化學用語、化學計算等有關定量的內容成了教學難點。為此，揭示初中化學定量觀的內涵，探討建構初中化學定量觀的教學價值很有意義。

定量觀是一種觀念性知識，有其知識屬性和思維屬性?；瘜W研究的物質及其物質變化存在計量關系。從計量知識來看，其計量關系主要有兩個基本物理量：“數量”和“質量”，并由此延伸出濃度、酸堿度、反應速率等物理量；從計量思想來看，定量觀是研究化學問題的重要思想方法，是用統計思想將宏觀事實與微觀本質聯系起來，并將結果用符號來表征；從計量手段來看，初中化學的計量手段主要用了已知事實和實驗手段。為此，以物質及其物質變化的知識為載體，揭示初中化學定量觀的計量知識、計量思想和計量手段方面的整體內涵。同時學生在獲取計量數據的過程中建構計量思想，掌握獲取數據的計量手段，這三個方面互相影響，互相促進，構成初中化學定量觀的內容體系，如圖1所示：

一、初中化學定量觀的內涵

（一）物質及其物質變化存在定量關系

1. 純凈物的組成存在固定的數量和質量的關系。

任何純凈物都有固定的組成，不同的物質組成不同。從定量的角度認識純凈物的固定組成才能夠很好地揭示物質的本質。

物質是由元素這一基本要素組成的。不同元素原子的核電荷數（即質子數）不同（從元素層面對原子進行分類），元素排列是有規律性的（根據元素原子的核內質子數（原子序數）遞增排成元素周期表）；元素原子相互結合的數量關系有一定規律性（用元素化合價來定量描述不同元素原子之間相互化合的數量比關系）。

物質是有結構的（構成物質的基本微粒有分子、原子和離子，原子是構成物質的最基本的微粒）。結構是有層次的（每一種微粒都有獨特的或固有的組成與結構），原子是構成物質的基本微粒。

微小原子的質量計量用相對原子質量表示（原子質量是定量研究化學的基礎量），分子質量用相對分子質量表示。元素質量是該元素原子質量的總和，物質中元素之間有質量關系（用元素質量比或元素質量分數等方法來表示）。

例如物質二氧化碳的知識性定量內涵是二氧化碳由碳、氧元素組成，碳、氧元素的原子質子數分別為6和8，在元素周期表中氧元素在碳元素的后兩位；碳元素與氧元素結合時，碳元素顯+4價、氧元素顯-2價；二氧化碳由CO2分子構成，1個CO2分子由1個碳原子和2個氧原子構成，CO2分子中碳原子與氧原子個數比為1∶2；碳原子質量很小，其相對原子質量為12；二氧化碳的相對分子質量為44；碳元素與氧元素的質量比為3∶8；二氧化碳中碳元素的質量分數為27.3%、氧元素的質量分數為72.7%。

2. 混合物的組成存在一定的定量關系。

混合物由多種物質組成，混合物中各組分的含量一般不同，科學地進行定量表示，水溶液是生產生活中最常見的混合物。例如空氣中氧氣的含量用體積分數表示，溶液中溶液的質量等于溶質質量+溶劑質量、在溶液中溶質的含量用溶質質量分數表示；固體物質的溶解有一定的限度，用溶解度來表示；溶液的酸堿度用pH值來表示等。

3. 物質變化按一定的數量和質量關系發生。

物質的轉化過程是原子的規律性重組過程?；瘜W反應存在一定的數量和質量的關系，這種定量關系是有規律性的。

物質轉化都要遵守質量守恒定律，這是基于反應前后元素守恒（元素種類和質量不變），基于反應前后原子種類、數目、質量不變的結果。

化學反應中各微粒是按一定的數量比發生的，物質轉化前后各物質質量是按一定的質量比發生的。

中和反應的微觀實質是H+和OH-結合生成H2O分子。

例如水電解反應，實質是氫原子和氧原子的規律性重組，反應前后原子的種類、數目和質量不變，反應前后氫元素和氧元素的質量不變，反應前后H2O分子、O2分子與H2分子的個數比為2∶1∶2，參加反應的水與生成的氧氣和氫氣的質量比為9∶8∶1，遵守質量守恒定律等。

（二）物質及其物質變化的定量關系有其計量思想

這里的計量思想主要是指在獲取、表達和分析物質及其物質變化存在的數量和質量關系的過程中提煉出來，有利于計量知識的深刻理解的思維方法。初中化學定量觀的計量思想主要有科學計量思想、符號表征思想、整體局部思想和量變質變思想，這些思想是相互交替，共同促進計量知識的生成。

科學計量的關鍵是要明確使用什么標準來選用計量單位，計量結果要求準確和簡約，是一種智慧層面的思維。例如原子的質量很小，選用“1”（常省略）作計量單位，該計量單位是用一種碳原子的質量的1/12作為基準；元素化合價是計量不同元素的原子之間形成化合物的比例關系；固體物質的溶解度用某一溫度下，該物質在100g溶劑（通常為水）中達到飽和狀態時的溶質質量（單位：克），這一標準來計量。

符號表征思想就是將宏觀事實準確、簡潔地用數量和符號來表示，變繁為簡地用化學符號將宏觀與微觀聯系起來?；瘜W符號是化學的獨特語言，是表征物質及其物質變化的宏觀與微觀、定性與定量思維的核心工具。化學符號主要有元素符號、化學式和化學方程式（元素符號是化學符號語言的基礎符號），各自有其微觀與宏觀的定量意義。

用整體局部思想厘清混合物與純凈物、物質與元素、元素與原子、分子與原子、化學反應與反應物和生成物之間的定量關系。圖2表示物質組成中整體局部思想的定量關系。

量變質變思想就是物質的量與質存在一定的關系，物質量變到一定程度會引起質變；自然界或生產生活對物質或元素的量是有要求的，相關量（如溫度、濃度、質量等因素）的“度”對物質及其物質變化有影響。通過對量的分析與推理，確定物質會產生不同現象或結果的質的本質原因。例如，CO與CO2的化學性質差異的原因分析；空氣中二氧化碳的體積分數約為0.03%，空氣中二氧化碳含量過高或過低會造成自然界破壞，空氣中二氧化碳含量達一定數值，對人群產生有害影響；人體缺鈣易得佝僂病，鈣吸收過多容易引起動脈硬化；降水的pH<5.6稱為酸雨；生鐵和鋼中含碳量與硬度和韌性關系；不飽和溶液、飽和溶液和結晶的轉化與溫度、水量和溶質質量的關系；固體物質的溶解度與溫度的關系。實驗室制取二氧化碳選用不純物石灰石或大理石和稀鹽酸；碳完全燃燒或不完全燃燒與氧氣量的關系；物質爆炸極限數值；中和反應實驗滴入稀鹽酸的量與溶液酸堿性變化的關系等。

（三） 已有事實和實驗是獲取物質及物質變化定量關系的重要手段

物質及物質變化存在的定量關系是客觀存在的，可以進行定量研究 。測定或獲取、分析數據、表達數量是定量認識物質及物質變化本質的重要途徑。初中化學教學主要用已有事實和實驗來獲取物質及物質變化的定量關系。

①已有事實手段。初中化學通過已有事實獲取定量關系的方式主要有微觀圖、史實資料和人們認知習慣等。例如通過精密儀器獲得的水分子模型幫助學生得出水可以用H2O來表示，通過水分解過程的微觀示意圖得出化學變化的微觀實質是原子的規律性重組過程；從探索原子結構奧秘的史實資料中，認識原子結構；根據人們的認知習慣獲得溶液的溶質質量分數、飽和溶液與不飽和溶液、溶解度等概念。物質及物質變化的定量關系用計量手段獲取。

②實驗探究手段。從實驗內容來看，初中化學有關計量的典型實驗主要有測定空氣中氧氣的體積分數、電解水實驗（獲取水的組成）、配制一定溶質質量分數的溶液和中和反應實驗等。從實驗技能來看，實驗儀器規格、藥品用量等常常要控制量。從實驗思想方法來看，實驗探究過程中常常要控制變量（控制無關變量、測量自變量和因變量）、誤差分析有關的量等。

二、建構初中化學定量觀的教學價值

任何化學現象或事實背后都存在數量關系，定量觀是化學問題的本體特征，也是研究物質組成、結構和變化的重要思想方法?！霸印?、“元素”是定量概念的兩個核心基本量。初中化學定量觀的建構過程從“原子”、“元素”出發，使學生深刻地理解物質及其物質變化的計量成因，并從宏觀與微觀的角度研究物質及其物質變化的計量關系。定量觀的建構與化學基本觀念的形成互相作用，共同發展。同時，在定量觀的建構過程中促進學生學科核心素養的形成。

（一）增進學生對計量知識的深刻理解

知識是觀念的載體，將知識轉化為觀念，才能實現知識的深刻理解和靈活遷移。讓學生通過學習形成觀念關鍵是把教學的著眼點從關注后端（知識結論）變為關注前端（知識結論的生成過程），厘清計量的成因來解構化學的有關符號、概念和理論，把知識的學習由記憶轉變為發現，增進學生對計量知識的深刻理解。在初中化學教學中，學生通過事實證據和實驗探究等手段獲取物質及物質變化定量關系，厘清計量的成因，注重規律的揭示，防止定量內容數字化，讓學生理解性地學，加深對計量知識和計量思想的理解和掌握。學生定量觀的建構在學習過程中有著不可替代的作用。例如，學習“溶液”的定量知識，關鍵不在多記多練，而是要幫助學生厘清溶質、溶劑、溶液、溶解度及溶質的質量分數之間的定量關系，認清溶液中的定量變化。 “氫氣在氧氣中燃燒”反應物質之間的質量關系的理解過程如圖3所示：

（二）促進學生對化學基本觀念的深刻理解。

知識不是孤立存在的，在知識的基礎上形成的觀念也必然存在依賴關系?；瘜W基本觀念能促進學生定量觀的理性建構，定量觀的培養又反過來強化學生對化學基本觀念的深刻理解，它們互相作用，共同發展。初中化學定量觀的核心知識與其蘊涵的化學基本觀念之間的關系，如表1所示：

（三）轉變教師的教學行為

教師對定量內容的認識不同，其教學行為也就不同。目前，初中教師的定量意識不高，多數教師只停留在定性層面進行教學，沒有認識到定量觀也是一種重要的學科觀念，沒有深刻地理解建構定量觀的作用和意義。定量觀的建構教學就是一種觀念教學，有利于教師從知識為本的教學轉變為觀念為本的教學，也有利于學生學習方式的轉變，形成科學的認知結構。例如，在原子結構的教學中，教師要引導學生建構起原子由三種粒子構成，其中電荷守恒和質量守恒，原子得失電子形成離子，同類原子的核電荷數（質子數）相同稱為某元素，原子的質量很小，用相對原子質量來計量原子質量等的定量觀，從而使學生建構起原子結構的定量內容體系。

（四）有利于學生化學核心素養的培養

如果學生能用定量思維來分析認識物質，理解其中的定量關系，掌握問題解決的思想和手段。那么，學生的化學核心素養將大大提高。化學核心素養包括：宏觀與微觀結合的思想、物質分類思想、辯證思維、模型認知、科學探究和綠色化學。初中化學定量觀的計量知識和計量思想的建構過程中，逐漸提高學生的宏微結合思想、物質分類思想、辯證思維和模型認知等核心素養，計量手段的科學應用也必然提高學生的科學探究能力和綠色化學思想。例如，滬教版在中和反應實驗過程中“用玻璃棒蘸取實驗1所得溶液”；用白色點滴板作反應容器檢驗溶液的酸堿性；在“硫在氧氣中燃燒”的實驗中，用一支細玻璃棒做成的微型燃燒匙作改進實驗就是從定量角度體現了綠色化學思想。

化學是在分子、原子的水平上研究物質組成、結構及其變化的科學，這些研究離不開定量觀的支撐。初中化學定量觀的建構意義，不僅是知識的本身，還是研究物質及其物質變化的重要思維方法和手段，同時培養學生綠色化學、實驗安全等科學品質，提高初中生的化學核心素養，并有利于初高中化學定量觀知識的銜接。

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