核心素養(yǎng)視域下中學(xué)化學(xué)計(jì)算教學(xué)的再思考

摘要： 中學(xué)化學(xué)計(jì)算教學(xué)應(yīng)定位于以幫助學(xué)生理解物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化為目的，建構(gòu)定量研究化學(xué)物質(zhì)及轉(zhuǎn)化的基本思維方式。定量類化學(xué)概念是化學(xué)計(jì)算的載體和依據(jù)，準(zhǔn)確理解和建構(gòu)定量類化學(xué)概念是化學(xué)計(jì)算教學(xué)的重要內(nèi)容。從化學(xué)定量概念自身發(fā)展的思維路徑、教材組織的建構(gòu)方式和問題解決的支撐系統(tǒng)三個(gè)視角以案例形式探討了定量類化學(xué)概念的特點(diǎn)和教學(xué)思路。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)計(jì)算; 定量觀; 定量類化學(xué)概念; 核心素養(yǎng)

文章編號(hào)： 1005-6629（2020）02-0042-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

化學(xué)計(jì)算是中學(xué)化學(xué)的重要教學(xué)內(nèi)容之一，在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中，它被列為一個(gè)獨(dú)立主題，與化學(xué)實(shí)驗(yàn)、基本概念與原理、元素化合物以及有機(jī)化學(xué)相并列，被定義為一種化學(xué)學(xué)科知識(shí)和學(xué)科技能;而對(duì)接于核心素養(yǎng)的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中[1]，化學(xué)計(jì)算被定義為一種研究化學(xué)物質(zhì)及其變化的方法和手段，強(qiáng)化了它的計(jì)量功能。核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)的是“內(nèi)涵發(fā)展”和“學(xué)習(xí)力”的提升，因此基于核心素養(yǎng)的化學(xué)計(jì)算教學(xué)是一個(gè)在學(xué)科觀念引領(lǐng)下的定量類化學(xué)概念的建構(gòu)過程，也是一個(gè)學(xué)科原理定量理解的應(yīng)用過程。本文僅從定量類化學(xué)概念的建構(gòu)視角談?wù)労诵乃仞B(yǎng)視域下中學(xué)化學(xué)計(jì)算教學(xué)的認(rèn)識(shí)與思考。

1? 定量視角下化學(xué)計(jì)算的理解

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）在課程性質(zhì)中規(guī)定“化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)性學(xué)科……”。從中可以看出化學(xué)學(xué)科的研究對(duì)象是“物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”，探尋“物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”的基本規(guī)律和建構(gòu)“物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化”的科學(xué)理論是化學(xué)科學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)中的兩大基本任務(wù)。化學(xué)計(jì)算應(yīng)服務(wù)于這兩大基本任務(wù)，因此化學(xué)計(jì)算的本質(zhì)內(nèi)涵應(yīng)該是定量研究物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)處理過程，是對(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的“量化”過程。中學(xué)化學(xué)是化學(xué)學(xué)科的啟蒙和基礎(chǔ)教育階段，故中學(xué)化學(xué)計(jì)算教學(xué)應(yīng)定位于以幫助學(xué)生理解物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化為目的，建構(gòu)起定量研究化學(xué)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的基本思維方式。

同時(shí)新課標(biāo)還指出“其特征是從微觀層面認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)”，也就是說“宏觀—微觀—符號(hào)”三重整體認(rèn)知是化學(xué)學(xué)科的基本認(rèn)知方式，從這個(gè)角度看化學(xué)計(jì)算也是一種定量觀視角下的基于“宏觀—微觀—符號(hào)”三重關(guān)系理解基礎(chǔ)上的化學(xué)認(rèn)識(shí)活動(dòng)，其中宏觀定量和微觀定量是符號(hào)表征定量視域下的兩個(gè)重要內(nèi)涵，但符號(hào)表征下的宏觀定量和微觀定量如果離開了物質(zhì)的量這一媒介，那么宏觀定量和微觀定量就變成了兩個(gè)孤立的觀察視角。當(dāng)引入了“物質(zhì)的量”概念后，它將宏觀定量與微觀定量進(jìn)行了有機(jī)的統(tǒng)一，“宏觀—微觀—符號(hào)”三重定量表征才得到完美整合。因此物質(zhì)的量是定量研究化學(xué)的重要媒介和工具（見圖1）。

新課標(biāo)在“學(xué)科核心素養(yǎng)與課程目標(biāo)”中提出，“能從內(nèi)因與外因、量變與質(zhì)變等方面較全面地分析物質(zhì)

圖1? 定量觀視角下的“宏·微·符”關(guān)系

的化學(xué)變化，關(guān)注化學(xué)變化中的能量轉(zhuǎn)化”（屬于素養(yǎng)2之水平2）、“能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，確定形成科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑”（其中定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合屬于素養(yǎng)3之水平3）。因此，中學(xué)階段的化學(xué)計(jì)算不應(yīng)單純地理解為化學(xué)基本技能，而應(yīng)理解為一種定量探究物質(zhì)組成及其變化的認(rèn)識(shí)活動(dòng)和實(shí)踐活動(dòng)，是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑之一。

化學(xué)計(jì)算是定量研究化學(xué)問題的數(shù)學(xué)處理過程。根據(jù)化學(xué)研究的對(duì)象（物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化）可知，中學(xué)化學(xué)計(jì)算的主要形態(tài)有狀態(tài)類（物質(zhì)）和過程類（轉(zhuǎn)化）兩種形式，所謂“狀態(tài)類”計(jì)算主要是指確定某物質(zhì)在一定狀態(tài)下的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，如物質(zhì)化學(xué)式的確定、混合物組成的測(cè)定、溶解度相關(guān)計(jì)算等;“過程類”計(jì)算主要涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中能量變化和物質(zhì)變化（條件、趨勢(shì)、快慢和結(jié)果等），而化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡既屬于狀態(tài)類又屬于過程類，當(dāng)然實(shí)際情況更多的是兩類計(jì)算的相互融合（如圖2所示）。

圖2? 中學(xué)化學(xué)兩類計(jì)算形態(tài)之間的關(guān)系

2? 關(guān)注定量類化學(xué)概念的建構(gòu)和理解

在定量研究的過程中，為了有效表征定量研究的方法、過程和結(jié)論，必須建立相應(yīng)的學(xué)科概念，這類概念都具有“量”的屬性，如溶解度、不飽和度、濃度、化學(xué)反應(yīng)速率等，我們將其稱為定量類化學(xué)概念。從化學(xué)計(jì)算過程看，化學(xué)計(jì)算可以理解為運(yùn)用定量類化學(xué)概念解決相關(guān)問題的過程，因此定量類化學(xué)概念是化學(xué)計(jì)算的載體和依據(jù)，準(zhǔn)確理解和建構(gòu)定量類化學(xué)概念也是化學(xué)計(jì)算教學(xué)的重要內(nèi)容。

2.1? 厘清定量類核心概念自身形成和發(fā)展的思維路徑

定量類化學(xué)概念的出現(xiàn)是化學(xué)研究從定性上升為定量的必然結(jié)果，它是定性概念的發(fā)展，因此，在進(jìn)行定量類化學(xué)概念教學(xué)時(shí)有必要對(duì)其形成和發(fā)展的思維路徑進(jìn)行梳理與剖析，找出建構(gòu)該核心概念的基礎(chǔ)性概念。圖3是定量概念“溶解度”與“溶液濃度”形成和發(fā)展的思維路徑。

“溶解度”是中學(xué)化學(xué)非常重要的一個(gè)定量類概念，它是衡量某物質(zhì)在某溶劑中溶解能力的指標(biāo)。“溶解”是“溶解度”形成的原始概念，“溶解性”是“溶解度”形成的基礎(chǔ)性概念。以“溶解”為起點(diǎn)，在分析“溶解過程”時(shí)就形成了“溶解能力”的研究?jī)?nèi)容，在“溶解結(jié)果”的表征中形成了“溶液組成”的研究?jī)?nèi)容，這兩部分知識(shí)相輔相成、相互伴生;在定性到定量的研究過程中，衍生出兩個(gè)重要的定量類化學(xué)概念——溶解度和溶液濃度，因此溶解度概念的建構(gòu)必需以溶解性概念以及影響物質(zhì)溶解性大小（即溶解能力）的因素為基礎(chǔ)。

2.2? 厘清定量類核心概念建構(gòu)過程的教材處理方式

定量類化學(xué)概念是定性概念的自然延伸和發(fā)展，因此這類概念的形成是以學(xué)生對(duì)其研究對(duì)象有大量感性認(rèn)識(shí)積累為基礎(chǔ)。教材在建構(gòu)這類概念時(shí)一般在概念建構(gòu)之前會(huì)設(shè)置大量的事實(shí)讓學(xué)生在潛移默化中感受概念建立的必要性[2]。圖4是化學(xué)反應(yīng)速率概念的建構(gòu)過程。

圖3? 定量觀視域下物質(zhì)的溶解性與溶液組成進(jìn)階圖示

圖4? 中學(xué)教材中化學(xué)反應(yīng)速率概念的建構(gòu)過程

化學(xué)反應(yīng)速率是一個(gè)定量研究化學(xué)反應(yīng)快慢的概念，在建立該概念之前，讓學(xué)生意識(shí)到化學(xué)反應(yīng)速率是研究化學(xué)反應(yīng)時(shí)一個(gè)非常重要的參數(shù)，是很有必要的。為此初中教材（人教版）在“我們周圍的空氣”單元教學(xué)中就通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比[3]，讓學(xué)生在感性層面上意識(shí)到化學(xué)反應(yīng)有快慢之別，并體會(huì)到化學(xué)反應(yīng)的快慢是可以改變的;在后續(xù)的教學(xué)中又通過爆炸、溶液中的反應(yīng)等大量事實(shí)讓學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)到反應(yīng)溫度、反應(yīng)物微粒之間的接觸情況都能影響反應(yīng)的快慢，在此過程中潛移默化地讓學(xué)生形成化學(xué)反應(yīng)速率的初始概念。當(dāng)學(xué)生積累了大量的與化學(xué)反應(yīng)速率相關(guān)的事實(shí)性知識(shí)后，如溫度越高、溶液的濃度越大、反應(yīng)物接觸面積越大，反應(yīng)就越快。此時(shí)在學(xué)科認(rèn)知層面上，表征化學(xué)反應(yīng)速率概念的條件已經(jīng)成熟，再結(jié)合高中學(xué)生的認(rèn)知心理特點(diǎn)，教材以任務(wù)型學(xué)習(xí)為基點(diǎn)，通過概念的表征與理解來系統(tǒng)建構(gòu)化學(xué)反應(yīng)速率的概念，為運(yùn)用概念解決問題奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

2.3? 厘清應(yīng)用定量類核心概念解決化學(xué)計(jì)算問題的支撐系統(tǒng)

任何一個(gè)化學(xué)概念都不是孤立存在的，它會(huì)與其他概念存在直接或間接的聯(lián)系。厘清核心概念與其他相關(guān)概念或其衍生概念之間的聯(lián)系是理解核心概念內(nèi)涵與外延的關(guān)鍵。除此之外，定量類核心概念與其他相關(guān)概念之間的關(guān)系還需要從“量”的角度去思考，這是運(yùn)用定量類核心概念解決化學(xué)計(jì)算問題的必要條件。

例如依據(jù)化學(xué)方程式進(jìn)行計(jì)算，其核心概念是化學(xué)方程式，運(yùn)用化學(xué)方程式解決有關(guān)化學(xué)變化中的計(jì)算問題是定量研究化學(xué)問題的核心教學(xué)內(nèi)容之一，它需要從“量”的角度理解元素符號(hào)、化學(xué)式與化學(xué)方程式三者之間的聯(lián)系，并能從宏觀和微觀兩個(gè)視角理解三個(gè)概念的意義，能用“物質(zhì)的量”將宏微兩個(gè)視角統(tǒng)一起來，這些都是運(yùn)用化學(xué)方程式進(jìn)行計(jì)算的必要知識(shí)和方法。我們可以用圖5來理解化學(xué)方程式與其他相關(guān)概念之間的關(guān)系。

圖5? 根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的知識(shí)結(jié)構(gòu)和支撐系統(tǒng)

3? 結(jié)束語

我們不能把化學(xué)計(jì)算教學(xué)簡(jiǎn)單地理解為化學(xué)計(jì)算題的教學(xué)，也不能將其簡(jiǎn)單理解為化學(xué)計(jì)算方法的傳授或化學(xué)計(jì)算技能的訓(xùn)練[4]。從計(jì)量視角理解化學(xué)實(shí)驗(yàn)、從定量視角理解化學(xué)過程是化學(xué)計(jì)算教學(xué)的指導(dǎo)思想。化學(xué)計(jì)算教學(xué)可以理解為在學(xué)科觀念指導(dǎo)下，理解數(shù)據(jù)變化背后的化學(xué)原理、運(yùn)用化學(xué)定量概念、融合數(shù)學(xué)思維，以獲取化學(xué)定量問題研究的結(jié)果或結(jié)論為目的的分析推理的過程。在化學(xué)計(jì)算教學(xué)過程中，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)學(xué)科概念原理的理解，提升學(xué)生的學(xué)科綜合素養(yǎng)，從而形成解決學(xué)科定量問題的基本思維方式和技能。

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