從數形結合題觀初中化學定量觀的建構

◎ 秦經麗

一、問題的提出

考試是教學中的一個重要環節,考試提供的信息比考試成績更重要,我們可以從中發現教學與考核中存在的問題,以便我們總結經驗,找出對策,指導今后的教學活動。在對本校近三次化學考試進行大數據分析時,筆者發現在數形結合題中學生得分率明顯低于其他類型題目,甚至許多成績較好的學生也在這類題目中痛失數分,具體得分情況統計如表1。

表1 三次考試中數形結合題的得分率比較

華羅庚先生說過:“數缺形時少直觀,形少數時難入微,數形結合百般好,隔裂分家萬事休。”這類利用圖像、圖表的方式,以數學模型的形式展現化學有關問題的試題被稱為數形結合題。

通過對數形結合題的分析,我們不難發現它對學生提煉、加工信息的能力的考查,更注重學生的數據處理分析能力的考察。在此基礎上,數形結合題把學生能否運用一些重要的化學概念、規律與原理解決簡單問題作為一項重要的素養進行考核,這恰恰體現了化學教學改革的最新理念。

二、題型解讀

數形結合題不僅考查學生對基本的化學概念、原理的理解,同時還考察了學生的證據推理能力、分析解決問題的能力,具有很強的選拔功能。通過對近五年的安徽中考化學試題的整理分析,發現安徽中考化學中數形結合題的考察主要有兩種形式:基礎原理題和科學探究題。

在基礎原理題中通常考察圖像與變化的對應關系,初中化學常見的有:溶解度—溫度曲線、產物的質量—反應物的質量曲線、溶質質量分數—溶劑或溶質質量曲線、溶液的pH—酸堿或水的體積曲線、壓強與反應時間曲線等(如例1)。

例1 下列敘述與相應圖象變化關系相符的是( )

A.分別把a、b、c 三種物質的飽和溶液由t2℃降低至t1℃時,所得溶液中溶質質量分數的順序為a>b>c

B.恒溫條件下,將一定量接近飽和的氯化鈉溶液蒸發適量水分

C.不同金屬與一定量的稀鹽酸反應,由圖象可知,金屬N 比金屬M 活潑

D.向一定量氫氧化鈉溶液中逐滴加入稀鹽酸

在科學探究題中通常以學生熟悉或不熟悉的實驗為情境,利用數字化傳感實時、動態的數據繪制曲線圖(如例2),考查學生從圖形中獲取證據進行推理的能力,以及運用已有知識解釋實驗結果的能力,體現了“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征的學科特點。但部分學生難以將宏觀的化學變化、微觀的化學反應、化學用語與數形曲線進行有機結合,孤立的解讀曲線的內容,難以有效解答數形結合題。

例2 如圖為運用數字化實驗測量向盛滿二氧化碳的密閉裝置內注入石灰漿(含有氫氧化鈣的白色渾濁液體)并振蕩裝置后相對壓強的變化曲線,結合數據分析下列說法錯誤的是( )

1.曲線①到②壓強上升,是因為石灰漿注入裝置時,擠壓了瓶內氣體

2.曲線②到③壓強緩慢下降是因為沒有振蕩裝置,裝置內二氧化碳氣體沒有來得及和石灰漿反應

3.曲線③到④迅速下降是振蕩裝置后,石灰漿和瓶內二氧化碳發生反應的結果

4.曲線表明氫氧化鈣可用于檢驗二氧化碳

在化學課程標準中有這樣一句話:“從定性到定量,體現了化學學科發展的趨勢。”在義務教育階段,我們的教學重在啟發學生對化學的求知欲與好奇心,通過生動而有趣的化學變化現象,讓學生在對物質世界里變化規律的學習中形成“物質是可以變化的”這樣的基本觀念,這就屬于定性認識。而為了使定性認識的內容更為廣泛和深入,我們還需要利用定性分析作為補充,從而是定性認識的內容更為準確和科學。所以,定性與定量是相輔相成,互為補充的,不能完全割裂的對待,在義務教育階段也需要適當的發展學生的定量認識。化學學科的發展也是順著從定性到定量,從宏觀到微觀而逐步深入和豐富的。

三、教學模型

由于義務教育階段對化學的要求較為基礎,在安徽中考的歷年化學試題中考察到定量分析的內容極少,這導致大多數教師在日常的教學中重定性、略定量,以至于初中學生對化學定量的認識層次較低,他們的化學定量認識水平與當前的思維水平有著極大的差距。筆者認為這與教師的教學方法、教學策略脫不開關系,由于中考的導向性,日常教學中教師也很容易忽視定量認識的教學,更別說對其內涵與價值的延伸。更有甚至將定量內容作為事實性知識或技能來進行教學,以至于學生采取死記硬背的方法來學習化學定量觀這一觀念類內容,導致學生無法建立“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征之間的邏輯關系,更難以構建觀點、結論和證據之間的聯系。因此我們需要從教學的戰略角度深刻認識定量觀對化學學習的重要性,針對熟悉的教材我們要學會換個角度、運用定量的觀點重新分析與解構相關的知識。化學定量觀的建構是要以基本的化學知識與化學思想方法作為基礎,有意識的主動探索其中蘊含的化學定量的觀念,在對知識的不斷深入探索中,實現化學定量有關思想與觀念的螺旋上升,而溶解度相關內容恰是最佳的構建素材。

這一教學模型包括知識與認知過程兩條線索,在教學過程中要設計一系列推進式的問題,引導學生在問題的推動下展開相關的探究活動,學生在知識的獲取中初步完成對于觀念的建構過程,通過溶解度等相關概念的理解并應用來建構定量認知,并最終建構定量觀(如圖1)。該模型主要包括三個階段:第一階段是激活定量認知,通過感性認識了解溶液的形成,進行定量觀察;掌握飽和溶液與不飽和溶液的概念后,設計推進式的定量問題,使學生定量分析的探究活動在問題驅動下進行;第二個階段是內化定量認知,在具體的問題情境中深入微觀層面,通過溶解度曲線繪制的活動初步理解化學定量的內涵,提煉形成相關定量表征的方法;第三階段是構建化學定量觀,在上述學習活動基礎上,可以根據學生思維活動的線索記錄評價性問題,促使學生將定量觀念外顯,在實踐中進一步反思評價定量認知,了解定量觀在生產生活中的價值。

以這一系列推進式的問題為引導,通過問題解答活動來幫助學生構建化學定量觀,從而構建“宏觀—微觀—符號—曲線”之間的內在邏輯關系,由表及里,由淺入深,由知識到觀念的教學設計更符合學生思維發展的順序,也體現了知識內化的程序。

四、教學技巧

首先,要審析化學原理。僅從數與形的角度分析是難以解決化學問題的,所以還要結合具體的題干信息,找出其中包含的化學反應或化學知識,再結合數形的變化分析數形變化背后蘊含的化學原理,為了幫助理解可以將反應用化學方程式表示出來。

其次,關注兩軸四點一趨勢。將坐標軸所代表的量與化學原理相結合,將化學知識帶入曲線的變化去分析。根據確定的變化趨勢關注曲線中的四點即起點、交點、轉折點、終點。起點表示某變量在開始時的狀態,終點指的是該變量在結束時的狀態,值得注意的是起點和終點時是否處于零點;交點意味著兩個變量在該點的狀態一致;轉折點大多數表示反應停止、狀態改變等。

在解題時,我們要基于對曲線背后化學原理的理解,理清曲線、數值、變化三者間的關系,根據題目設問進行規范作答。

五、總結

數形結合題作為近年來中高考化學的熱點題型,考察的不僅是學生對化學基本概念、原理的理解,更關注學生的分析解決問題甚至發現問題的素養,選拔的取向性很強。但是以安徽中考近年來的化學試題來分析,題目中涉及的數形結合題在減少,題型和考察的知識點都面臨固化,這種選拔的取向也被弱化了,綜合來看可能與近年來安徽中考改革化學分數下降有關。在僅有40分的情況下,中考化學如何做到知識覆蓋面與考察深度的平衡,這是當前安徽中考改革中需要思考的一個問題。我們需要從教學的戰略角度深刻認識定量觀對化學學習的重要性,以一系列推進式的問題為引導,通過問題解答活動來幫助學生構建化學定量觀,從而構建“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征之間的邏輯關系,由表及里,由淺入深,由知識到觀念,深刻認識觀點、結論和證據之間的聯系。