基于學(xué)科本質(zhì)的化學(xué)計(jì)算一輪復(fù)習(xí)教學(xué)的實(shí)踐研究

歐陽(yáng)志斌

摘要：基于高中化學(xué)計(jì)算成為教與學(xué)的突出難題的客觀實(shí)際和中學(xué)化學(xué)計(jì)算教學(xué)的研究現(xiàn)狀，大膽嘗試開展以草酸的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化為載體，開展基于學(xué)科本質(zhì)的化學(xué)計(jì)算一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐，以期為當(dāng)前高中化學(xué)計(jì)算的教與學(xué)擺脫困局提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：學(xué)科本質(zhì);化學(xué)計(jì)算;復(fù)習(xí)教學(xué);草酸

文章編號(hào)：1008-0546（2021）07-0074-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.019

一、問題的提出

對(duì)學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查、對(duì)進(jìn)行教師訪談，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，高中化學(xué)計(jì)算成為教與學(xué)的突出難題。其原因主要有：（1）部分學(xué)生缺乏自信，認(rèn)為自己的數(shù)學(xué)計(jì)算能力不濟(jì)，從初三開始就基本放棄了化學(xué)計(jì)算題，見到化學(xué)計(jì)算題就繞過去，久而久之，造成高中化學(xué)計(jì)算就演變成“縱使心有余也力不足”。（2）一些教師從應(yīng)試的角度建議學(xué)生戰(zhàn)略性放棄化學(xué)計(jì)算題，這種情況普遍存在，甚至一些名師、骨干教師、化學(xué)教研員在進(jìn)行教研活動(dòng)或?qū)W科培訓(xùn)等場(chǎng)合都表達(dá)了上述看法，這也就導(dǎo)致部分一線并不重視化學(xué)計(jì)算的課堂教學(xué)。（3）教與學(xué)的缺位，由于部分教師對(duì)化學(xué)計(jì)算的不重視，導(dǎo)致他們?cè)谡n前缺乏深刻的思考，課中關(guān)注學(xué)生的課堂生成不夠，更多的是生硬的講解、簡(jiǎn)單的示范、熱衷于計(jì)算技巧的傳授，缺乏基于化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的化學(xué)計(jì)算教學(xué)設(shè)計(jì)，課后又沒有進(jìn)行教學(xué)反思，因此學(xué)生的學(xué)就是機(jī)械的模仿，陷于題海戰(zhàn)術(shù)，缺乏必要的化學(xué)思維活動(dòng)。如何走出當(dāng)前高中化學(xué)計(jì)算教與學(xué)的困局，部分教師、學(xué)者和專家進(jìn)行了不斷的實(shí)踐與探索，那么化學(xué)計(jì)算教學(xué)的研究現(xiàn)狀如何呢？

二、中學(xué)化學(xué)計(jì)算教學(xué)的研究現(xiàn)狀

檢索中國(guó)知網(wǎng)，有關(guān)“中學(xué)化學(xué)計(jì)算”的研究文獻(xiàn)不少，董軍[1]認(rèn)為化學(xué)計(jì)算教學(xué)要落實(shí)到基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理、基本觀念和基本的學(xué)科思想、學(xué)科思維和學(xué)科素養(yǎng)中去;楊玉琴[2]則基于對(duì)化學(xué)計(jì)算本質(zhì)的理解，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的應(yīng)用情境服務(wù)于化學(xué)計(jì)算教學(xué)，并精心設(shè)計(jì)例題學(xué)習(xí)來凸顯化學(xué)學(xué)科思維;薛青峰[3]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，提出中學(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)與轉(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;林文興[4]針對(duì)當(dāng)前中學(xué)生計(jì)算能力薄弱的現(xiàn)狀，分析了中學(xué)化學(xué)教師在化學(xué)計(jì)算能力培養(yǎng)方面的常見教學(xué)誤區(qū)，并基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，對(duì)中學(xué)生化學(xué)計(jì)算能力采取進(jìn)階式培養(yǎng)策略。楊硯寧[5]、沈紅英[6]不約而同地以“依據(jù)化學(xué)方程式的計(jì)算”的教學(xué)為例，讓學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)情境中的化學(xué)計(jì)算，體會(huì)定量研究在化學(xué)科學(xué)中的價(jià)值，形成和提高化學(xué)計(jì)算的基本方法和技能;王新文[7]深刻闡述了2017年課標(biāo)視域下高中化學(xué)計(jì)算教學(xué)的意義、作用與實(shí)現(xiàn)途徑;方揚(yáng)平[8]提出了初、高中化學(xué)計(jì)算教學(xué)銜接的有效策略。王寶斌[9]認(rèn)為化學(xué)計(jì)算的學(xué)科本質(zhì)是對(duì)化學(xué)問題的數(shù)學(xué)處理;李祥培[10]反思了化學(xué)計(jì)算問題解決困難的成因;王佳[11]以初中化學(xué)計(jì)算教學(xué)為載體，探究從化學(xué)與生活生產(chǎn)的結(jié)合點(diǎn)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，使學(xué)生感受化學(xué)計(jì)算在生產(chǎn)生活中的價(jià)值。周維清[12]、柴勇[13]就如何在化學(xué)計(jì)算中運(yùn)用假設(shè)法分析和解決化學(xué)問題的能力進(jìn)行了探析。周昌勇[14]通過具體案例例舉了“一鍋法”在化學(xué)解題中的應(yīng)用，基于元素守恒建立總反應(yīng)式的認(rèn)知模型以發(fā)展學(xué)生的整體思維能力;諸全頭[15]深入探析了培養(yǎng)學(xué)生守恒思維和解題能力的方法以幫助學(xué)生走出思維困境，提升化學(xué)計(jì)算能力。王云生老師[16]提出：“化學(xué)計(jì)算的核心在于綜合運(yùn)用化學(xué)概念、原理學(xué)習(xí)和研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)化中的量和量變關(guān)系幫助我們更加深刻地理解和掌握物質(zhì)及其變化的規(guī)律，分析和解決真實(shí)的化學(xué)問題。遺憾的是，目前國(guó)內(nèi)研究文獻(xiàn)中并沒有發(fā)表以研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化為載體融合化學(xué)計(jì)算的一輪復(fù)習(xí)的研究成果。

三、化學(xué)計(jì)算一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐

化學(xué)計(jì)算是一種定量研究物質(zhì)的組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)化的工具，貫穿于化學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)和研究的始終[17]。高中化學(xué)計(jì)算教學(xué)除了物質(zhì)的量的集中學(xué)習(xí)外，都是分散、滲透在元素化合物、反應(yīng)原理知識(shí)的教學(xué)中逐步推進(jìn)深入的，需要教師從整體上進(jìn)行把握，下面以草酸的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化為載體，開展基于學(xué)科本質(zhì)的化學(xué)計(jì)算一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐。

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過對(duì)草酸分子式和結(jié)構(gòu)式的確定，復(fù)習(xí)物質(zhì)組成測(cè)定、結(jié)構(gòu)分析的研究方法，提高運(yùn)用儀器分析和化學(xué)分析的方法定量測(cè)定物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的能力。

（2）通過草酸的弱酸性和還原性的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步理解基于物質(zhì)類別和化合價(jià)認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的方法，深化對(duì)化學(xué)科學(xué)本質(zhì)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)。提高以物質(zhì)的量為中心的化學(xué)計(jì)算，定量認(rèn)識(shí)和研究弱電解質(zhì)，電解質(zhì)溶液中粒子濃度的大小比較，氧化還原滴定的相關(guān)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理Ksp的有關(guān)計(jì)算的能力。

2.教學(xué)思想

高中化學(xué)計(jì)算一輪復(fù)習(xí)，要努力創(chuàng)設(shè)真實(shí)而有價(jià)值的問題情境，讓學(xué)生做“真”題，而非做“假”題，凸顯化學(xué)計(jì)算的價(jià)值，讓學(xué)生積極參與有意義的知識(shí)建構(gòu)，這樣的一輪復(fù)習(xí)才有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，才能提高復(fù)習(xí)的實(shí)效性，否則復(fù)習(xí)就變成了教師的獨(dú)角戲，學(xué)生成為戲外的看客。根據(jù)研究物質(zhì)的一般步驟和方法，結(jié)合必要的化學(xué)計(jì)算，精心命制以草酸的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化的化學(xué)計(jì)算習(xí)題，放手讓學(xué)生自主開展學(xué)習(xí)活動(dòng)，使習(xí)題解答和真實(shí)問題的解決貫穿化學(xué)計(jì)算一輪復(fù)習(xí)課堂教學(xué)的始終，引導(dǎo)學(xué)生在習(xí)題解答過程中感受化學(xué)科學(xué)的本質(zhì)，在真實(shí)而有意義的問題解決中體會(huì)化學(xué)科學(xué)的應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)對(duì)化學(xué)計(jì)算工具屬性的認(rèn)識(shí)。

3.教學(xué)活動(dòng)

PPT展示以下試題，通過命制以研究草酸的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化的具有層次清晰、梯度合適、指向明確的化學(xué)計(jì)算試題，讓學(xué)生當(dāng)場(chǎng)進(jìn)行化學(xué)計(jì)算，然后教師進(jìn)行講解。通過教學(xué)活動(dòng)，深刻理解和感受化學(xué)計(jì)算是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化的基礎(chǔ)工具，讓學(xué)生體會(huì)化學(xué)計(jì)算的學(xué)科價(jià)值，從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行化學(xué)計(jì)算的興趣。試題及命制意圖如下：

（1）菠菜中富含草酸，為了研究該有機(jī)物的化學(xué)組成，利用燃燒分析實(shí)驗(yàn)測(cè)定該有機(jī)物中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.67%，氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.22%，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為71.11%，經(jīng)質(zhì)譜測(cè)定，草酸的相對(duì)分子質(zhì)量為95，試求草酸的分子式。

（2）為了研究草酸的分子結(jié)構(gòu)，經(jīng)測(cè)定，其1HNMR只有一個(gè)吸收峰，紅外光譜圖表明有羧基（-COOH）吸收峰，試畫出草酸的結(jié)構(gòu)式。

命制意圖：1、2題要求學(xué)生基于草酸分子中元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和相對(duì)分子質(zhì)量的數(shù)據(jù)，計(jì)算出草酸的分子式，結(jié)合核磁共振氫譜和紅外光譜測(cè)試結(jié)果，分析確定草酸的結(jié)構(gòu)式，讓學(xué)生體會(huì)化學(xué)計(jì)算是研究物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的工具。

（3）請(qǐng)大家根據(jù)草酸的組成和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和分析草酸可能具有的化學(xué)性質(zhì)。

命制意圖：引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)類別（或官能團(tuán)）、化合價(jià)角度分析和預(yù)測(cè)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，發(fā)展學(xué)生基于“價(jià)類”研究物質(zhì)性質(zhì)的學(xué)科思維，也為接下來草酸的弱酸性和還原性的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)埋好伏筆。

（4）為了探究草酸的弱酸性和還原性，某化學(xué)興趣小組設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。

△乙二酸的弱酸性：

為驗(yàn)證草酸的性質(zhì)需480mL濃度為0.1mol/L的草酸溶液。

①配制該溶液需要_____g草酸晶體（H2C2O4·2H2O）。

②下列實(shí)驗(yàn)事實(shí)能說明草酸是弱酸的是_____。

A.將草酸晶體加入含酚酞的氫氧化鈉溶液中，溶液褪色。

B.常溫下，0.1mol/L草酸溶液的pH為1.2。

C.將草酸溶液加入純堿溶液中，有CO2放出。

D.常溫下，測(cè)得草酸鈉溶液的pH大于7。

③該小組同學(xué)將0.1mol/L草酸溶液和0.1mol/L的NaOH等體積混合后，測(cè)定反應(yīng)后溶液呈酸性，則溶液中各離子的濃度由小到大的順序是_____。

△乙二酸的還原性：

①該同學(xué)向酸性KMn04溶液中滴入過量的草酸溶液，發(fā)現(xiàn)酸性KMn04溶液褪色，從而判斷草酸具有較強(qiáng)的還原性。該反應(yīng)的離子方程式為_____。

命制意圖：?jiǎn)栴}①考查學(xué)生對(duì)溶液配制實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)及計(jì)算公式n=c·V，m=n·M的運(yùn)用。通過對(duì)所需草酸晶體的計(jì)算，讓學(xué)生熟悉容量瓶的規(guī)格，正確判斷溶液的溶質(zhì)并計(jì)算其物質(zhì)的量。問題②考查學(xué)生從定性和定量的角度分析弱電解質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到弱電解質(zhì)在水溶液中存在電離平衡，從微觀角度探析弱電解質(zhì)的電離平衡，并學(xué)會(huì)從宏觀角度進(jìn)行表征。問題③考查溶液中離子濃度大小的比較，幫助學(xué)生建立基于弱電解質(zhì)的電解平衡、鹽類水解平衡的離子濃度大小比較的認(rèn)知模型。問題提出都是考查學(xué)生基于氧化還原反應(yīng)原理判斷生成物，并利用質(zhì)量守恒、電子守恒、電荷守恒定律書寫離子反應(yīng)方程式，此設(shè)問也為采用酸性KMnO4溶液去滴定菠菜中的草酸含量做好了知識(shí)鋪墊，可謂設(shè)計(jì)巧妙，獨(dú)具智慧。

②某食品檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢測(cè)員用0.02mol/L的酸性KMnO4溶液去滴定草酸為了測(cè)定某產(chǎn)地菠菜中的草酸含量，實(shí)驗(yàn)步驟如下：取菠菜樣品0.10g，預(yù)處理后，加適量水完全溶解配成100.00mL溶液，取25.00mL置于錐形瓶中，然后用0.02mol/L的酸性KMnO4溶液滴定至終點(diǎn)（雜質(zhì)不反應(yīng)），滴定前后讀數(shù)見下表1（單位：mL），則該菠菜樣品中草酸的純度為;滴定時(shí)，是否_____（填“是”或“否”）需要加入指示劑。

命制意圖：此題側(cè)重考查對(duì)基本理論的理解和運(yùn)用、正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，明確氧化還原反應(yīng)滴定實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)操作方法是解題關(guān)鍵。

（5）營(yíng)養(yǎng)師建議食用高草酸蔬菜的同時(shí)，適當(dāng)攝入高鈣食物，使二者在腸道內(nèi)結(jié)合成草酸鈣沉淀（常溫下，草酸鈣的Ksp=4.0×10-8），并隨著糞便排出體外。以免草酸進(jìn)入血液中與人體內(nèi)的血鈣結(jié)合，提升了泌尿系統(tǒng)結(jié)石的風(fēng)險(xiǎn)。常溫下，某菠菜汁中C2O42-的濃度為1.8×10-3mol/L，往菠菜汁中加入等體積濃度為4×10-5mol/L氯化鈣溶液，是否有草酸鈣生成？

命制意圖：考查學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用化學(xué)知識(shí)（難溶電解質(zhì)的沉淀溶解平衡原理）解決實(shí)際問題（適當(dāng)攝入高鈣食物以免食物中的草酸進(jìn)入血液中與人體內(nèi)的血鈣結(jié)合）的能力。

4.教學(xué)反思

（1）以研究有機(jī)物（草酸）的一般步驟（分子式的計(jì)算→分子結(jié)構(gòu)的鑒定→性質(zhì)的預(yù)測(cè)和分析→開展基于實(shí)驗(yàn)探究的性質(zhì)驗(yàn)證），融合定量研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的研究方法，開展基于化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的化學(xué)計(jì)算一輪復(fù)習(xí)的教學(xué)實(shí)踐是一種大膽的創(chuàng)新與嘗試。

（2）基于真實(shí)的問題情境（測(cè)定菠菜中的草酸含量）的化學(xué)計(jì)算教學(xué)，有利于復(fù)習(xí)氧化還原滴定的相關(guān)知識(shí)和計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出合理結(jié)論的能力，體會(huì)定量研究是學(xué)習(xí)和研究化學(xué)科學(xué)的重要方法。

（3）通過學(xué)生對(duì)精心命制習(xí)題的解答和教師對(duì)學(xué)生解答問題過程中暴露的知識(shí)錯(cuò)誤和認(rèn)識(shí)誤區(qū)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激活了學(xué)生的化學(xué)學(xué)科思維，提升了化學(xué)計(jì)算的能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

化學(xué)計(jì)算是高中化學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容，而化學(xué)計(jì)算能力是學(xué)生學(xué)習(xí)和研究化學(xué)科學(xué)的基本技能[18]?；瘜W(xué)計(jì)算是從定量的角度分析化學(xué)問題，解決化學(xué)問題，而非簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，更不是單一的計(jì)算技巧和方法的練習(xí)與強(qiáng)化，需要教師用心設(shè)計(jì)教學(xué)思路，組織教學(xué)內(nèi)容。在一輪復(fù)習(xí)階段，高中化學(xué)計(jì)算教學(xué)采取集中專題復(fù)習(xí)或基于元素化合物、化學(xué)反應(yīng)原理進(jìn)行滲透復(fù)習(xí)策略，都是可行的。但無(wú)論采取什么樣的復(fù)習(xí)教學(xué)策略，都應(yīng)該努力達(dá)成“通過一輪復(fù)習(xí)加深學(xué)生對(duì)化學(xué)計(jì)算作為定量學(xué)習(xí)和研究的工具屬性的認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)化學(xué)計(jì)算的價(jià)值，發(fā)現(xiàn)知識(shí)漏洞、認(rèn)識(shí)和思維誤區(qū)、計(jì)算能力上的缺陷，提高學(xué)生運(yùn)用化學(xué)計(jì)算分析和解決真實(shí)化學(xué)問題的能力，發(fā)展對(duì)化學(xué)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)”的教學(xué)目標(biāo)。

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[11]王佳.創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，感受化學(xué)計(jì)算之“有用”[J].化學(xué)教與學(xué).2016（1）：67，82

[12]周維清.運(yùn)用極端假設(shè)法巧解化學(xué)計(jì)算題[J].化學(xué)教學(xué)2012（11）：62-65

[13]柴勇.假設(shè)法在化學(xué)計(jì)算題中的應(yīng)用例析[J].化學(xué)教學(xué).2011（7）：63-65

[14]周昌勇.“一鍋法”思想在化學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué).2013（7）：67-70

[15]諸全頭.守恒——化學(xué)計(jì)算解題的重要思維方法[J].化學(xué)教學(xué).2014（9）：80-82

[16]王云生北學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)構(gòu)思22例[M].上海：上海教育出版社，2019，10

[17]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018，8

[18]房喻.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2019，12