由計算到計量：初中化學用語計算教學的本質回歸

汪定用

摘要：初中化學用語的計算教學存在簡單化和技能化傾向，忽略了學科本質。從啟蒙和學科價值的角度來重新審視化學用語計算，并提出以計量思想為底色，走向學科智慧品質，即在相對原子質量中體現科學計量思想、用整體局部思想建構有關相對分子質量計算中的宏微關系、用符號表征思想領會根據化學方程式計算的本質等。

關鍵詞：觀念啟蒙；計量思想；化學用語；計算教學

文章編號：1008-0546（2017）07-0024-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.07.006

從啟蒙的意義上看，初中化學不能視作化學學習的簡單階段，更不能視作所謂文科化的記憶階段，初三化學應是從生活經驗出發并面向學科素養的學科啟蒙。在這個階段，學生的學習既離生活最近，又緊密聯系和建構學科根基。這個階段的學習雖然說在知識上是少的，簡單的，但是在形成學科觀念上是豐富而深刻的。

初中化學用語計算是初中化學計算中的主體內容，主要涉及有關相對分子質量、化合物中元素質量比、化合物中某元素質量分數、化合物純度和根據化學方程式的計算，分別安排在化學式和化學方程式的教學主題中。在教學實踐中，老師們認為課程標準對這些化學計算定位得比較淺。比如化學式中元素質量比的教學被簡單化地視為分子中相對分子質量與原子個數乘積之比的模仿與操練過程，教學重心落在“純數字”的處理上，而忽視元素質量比的概念含義和用分子中原子質量比來量化宏觀元素的質量比等諸多計量上的內涵，忽略了化學計算在培養學科核心素養上的啟蒙價值。因此，化學用語計算的教學需要由單一技能性知識教學轉向關注學科觀念本質的智慧教學，需要由固定的教學模式即“教師示范、學生模仿、教師講解、學生操練”向生動深刻的學科理解性課堂教學轉型。

一、計量思想催生了化學符號系統

質和量是物質存在的兩個基本屬性，其中量包括質量和數量兩個基本物理量。計量是用一個規定的標準已知量作單位，和同類型的已知量相比較而加以檢定的過程。化學計量學源自于希臘語stoicheion（元素）和metron（測量）。是在德國化學家里希特的建議下提出的，目的是要得到某些化合物中各元素之間的質量比。近代科學史上的化學計量經歷了當量定律、定比定律、原子量測定、化學符號和分子學說等階段，由宏觀計量領域走向微觀計量領域。可以說，計量的發展成就了化學學科發展，尤其是催生了化學符號系統的發展[1]。例如，化學用語“H2O”的發展過程，普魯斯特提出參與反應的物質，它們的質量都成一定的整數比，即1克氫氣和8克氧氣化合生成9克水，假如不按此比例，多余的就要剩余而不參加反應（即定比定律）。道爾頓在此基礎上又提出組成化合物時，不同元素的原子之間以簡單整數比相結合（即倍比定律），他認為水為二元分子，即HO，并測定出氧的相對原子質量為8。貝采里烏斯認為道爾頓測定的相對原子質量有誤，重新測定了氧的相對原子質量為16，認為一個水分子是由一個氧原子和兩個氫原子構成，并更新了新的化學符號系統，從而為水的化學式“H2O”的最終確定奠定了科學基礎。

由此可見，化學用語是伴隨著計量產生和發展的，既是計量的結果，又具有計量的內涵。由此，化學用語“語境”中的計算不只是簡單意義上的數的運用，更不是一個單一的算的處理，而是計量層次上的內涵表達。這就是作為啟蒙的初中化學用語計算的本質所在。

二、計量思想在化學用語計算教學中的實踐

化學研究的物質及其物質變化存在著計量關系。從計量角度來看，物質的化學計量關系主要有兩個物理量，即數量和質量，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[2]。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中提煉出來，有利于計量知識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、整體局部思想、符號表征思想和量變質變思想。

1. 在相對原子質量中體現科學計量思想

相對原子質量既是原子質量的計量，又是后續有關分子質量和化學反應計量的基礎，從計量思想的角度來把握相對原子質量這個概念，是化學用語計算教學的關鍵開局。

教學片斷（人教版）

引入：微觀上原子雖小，但它也是有質量的，不然宏觀上的物質也就沒有了質量。同學們估計一下，原子的質量有多大呢？

呈示與說明：

（1）觀察圖1。

（2）6.02×1023個碳原子雖說是一個天文數據，但卻只有12g。

（3）出示與12g碳質量相當的砝碼，即兩個5g砝碼和兩個1g砝碼。

感受：碳原子質量很小。

講述：碳原子質量大約是1.993×10-26kg，氧原子質量約為2.657×10-26 kg，氫原子質量約為1.67×10-27 kg，可見用千克、克等計量單位來衡量原子的質量不合適，它使得數值太小，書寫和使用都不方便。

思考：原子質量用怎樣的計量單位來衡量比較合適？

討論與匯報：用接近10-27 kg的計量單位。

介紹：

（1）以一種碳原子原子質量的1/12作為標準，即圖2。

（2）列出氧原子、氫原子、碳原子等與這個標準的比式及比值。

（3）相對原子質量H-1、C-12的比較（見圖3）。

（4）相對原子質量的定義。

練習：查閱鐵原子和鋅原子相對原子質量；由鐵的相對原子質量56和鋅的相對原子質量65，可以得出鐵原子和鋅原子在質量和數量上的哪些信息？

相對原子質量屬于微觀計量，以上片段包含三個教學環節：第一是通過天平情境勾勒出計量背景，在微觀與宏觀的聯系中建立微觀直觀，并體會原子質量的真實存在和極其微小，為探尋合適的計量單位打下伏筆，并為高中“物質的量”提前建立一致性關聯；第二是尋找合適的計量單位，并在求算中體驗計量標準和相對原子質量的概念，這是教學的難點；第三是在具體情境中運用相對原子質量，體會相對原子質量的計量意義。而這三個環節都是圍繞科學計量思想這個核心來展開。讓學生感受到使用什么樣的標準而使計量結果準確簡約是計量智慧層面上的思考，亦即科學計量思想。而這里科學計量思想的啟蒙對于后續化學用語計算，還有溶液的濃度表示、溶解度等教學具有遷移作用。

2. 用整體局部思想建構有關相對分子質量計算中的宏微關系

有關相對分子質量的計算包括相對分子質量、物質組成中元素質量比和物質中某元素質量分數三部分內容，其中相對分子質量是基礎，宏觀上的元素質量比、元素質量分數與微觀上的分子中原子質量比、原子質量分數建立實質性聯系是教學難點。

教學片斷（人教版）

環節一：相對分子質量

談話：

誰的質量大，如何來說明？

指出：相對原子質量是原子質量計量上的偉大發明。

引入：

誰的質量大？大多少？

思考與匯報：44>18，說明二氧化碳分子質量大；比例為44∶18。

追問：44和18是怎么來的，分別表示了什么？

學生說明：12×1+16×2=44，1×2+16×1=18，即分別表示二氧化碳和水的相對分子質量。

追問：相同質量的水和二氧化碳中，誰所含的分子個數多？

學生說明：（1÷44）<（1÷18）或44a = 18b，可以說明水分子個數多。

形成：相對分子質量。

精要練習（略）

環節二：元素質量比與元素質量分數

對話：H2O中，1×2∶16×1=1∶8，表示的是什么？

得出：1∶8表示了水分子中氫原子與氧原子的質量比。

思考與討論：宏觀上水是由氫元素和氧元素組成的，水中氫元素的質量與氧元素質量的比值即為氫、氧元素質量比，那么如何求算這個質量比呢？

匯報與提煉：1.宏觀上氫元素、氧元素的質量就是微觀上所有氫原子、氧原子的質量，所以氫元素與氧元素的質量比在數值上等于所有水分子中氫氧原子質量比，又因為每一個水分子都相同，所以這個質量比又等于一個水分子中的氫氧原子質量比，即1×2∶16×1=1∶8；2.宏觀上水的質量就是微觀上所有水分子的質量和，因為每個水分子都相同，所以宏觀上的水與微觀上的水分子是對應的，于是水中氫、氧元素質量比在數值上等于一個水分子中的氫、氧原子質量比。

指出：宏觀上物質組成元素的質量比可以通過微觀上一個分子來計量，即以點代面。

追問：如何求算水中氫元素質量分數（即氫元素的質量與各元素的總質量之比）？

匯報：與求算元素質量比一樣，可以通過水分子中氫原子質量分數來求算，即1×2/18×100%。

環節三：提煉計算公式與鞏固（略）

環節一中，先通過比較碳原子、氧原子的質量來溫習原子質量的計量即相對原子質量的概念，接下來在比較二氧化碳與水分子質量的情景中引出對分子質量的計量，并在對“44、18”的列式與表述中讓學生體會分子的質量為各原子質量和，反之各原子相對質量和就是相對分子質量，即計量中的整體局部思想，從而形成相對分子質量的概念。環節二中進一步應用了整體局部思想，體現在“為什么水中氫氧元素質量比在數值上等于一個分子中氫氧原子質量比和如何求算水中氫元素質量分數”的思考與追問之中，讓學生感受到圖6所呈現的完整的整體局部思想[2]，即物質質量與元素質量，元素質量與原子質量，物質質量與分子質量，分子質量與原子質量等。

3. 用符號表征思想領會根據化學方程式計算的本質

根據化學方程式的計算是從量的方面研究物質的變化，而量的關鍵并不是具體計算問題中的數字，也不是計算過程中所列的比例式，而是深刻領會化學方程式這個符號表征所蘊含的計量。

教學片斷（人教版）

環節一：體會化學方程式中的計量數

回顧：根據微觀圖示，寫出對應的化學方程式。

評價：

讀：化學方程式。

追問：如果增加一個氫分子，即圖8

對應的是幾個水分子？

闡述：還是兩個水分子。

體會：化學計量數是成比例的，比例是固定的。

環節二：領會根據化學方程式計算的“根據”

辨析：根據化學方程式判斷“8g氫氣與4g氧氣燃燒后生成12g水”的說法是否正確？

思考與交流

匯報：1.根據化學方程式的計量數關系：v（H2）∶v（O2）∶

v（H2O）=2∶1∶2，得出：m（H2）∶m（O2）∶m（H2O）=2×2∶1×32∶2×18，因為8∶4∶12≠4∶32∶36，所以不可能生成12g水；

2.根據化學方程式，在質量上m（H2）∶m（O2）=2×2∶1×32即1∶8，所以8g氫氣與4g氧氣中，8g氫氣有剩余，不可能生成12g水。

體會：化學方程式中的各物質質量比是固定的，這是根據化學方程式計算的根本依據。

追問：如何計算生成的水的質量呢？

展示：計算思路與格式。

環節三：鞏固（略）

化學方程式作為化學學科中獨特語言，它將宏觀反應事實準確、簡潔地用數字和符號來表示，變繁為簡地將宏觀與微觀聯系起來，是化學反應定性與定量思維的核心工具。學生能否理解“可觀察的宏觀世界，分子、原子和離子構成的微觀世界，化學式、化學方程式和元素符號構成的符號世界”這三者之間的聯系，是影響學生化學學習的重要因素，而這也是符號表征思想的基本內涵[3]。以上教學就是緊扣符號表征思想，先由微觀示意圖入手引出化學方程式，然后通過增加一個氫分子后生成幾個水分子的追問，讓學生體會化學方程式中計量數的微觀計量內涵，為后續“定量”打下基礎。在教學環節二中通過對定量化的具體反應實例的辨析和體會，讓學生深刻領悟微觀計量與宏觀計量的聯系，并體會宏觀上反應中的各物質質量比的確定性，從而確立根據化學方程式計算的本質。

綜上所述，關注計量思想的化學用語計算教學，是為了將計算教學由單一技能向智慧層面提升，是試著從計量的角度抵達學科核心素養的實踐探索。當然，由計算到計量的教學轉向，并不排斥計算技能，而是給計算技能一個溫暖的學科本質的底色，是朝向學科核心素養的回歸。

參考文獻

[1] 曹英.“物質的量”概念的形成歷史與科學本質觀 [D].上海：華東師范大學，2012

[2] 羅月旺，李珍.初中化學定量觀的內涵及其教學價值[J].化學教與學，2016（8）：20-23

[3] 朱紛，肖紅梅.基于培養學科觀念的“依據化學方程式的計算”教學[J].化學教育，2015（11）：4-7