中學生化學“數據素養”的內涵與培養

摘要

《義務教育化學課程標準（2022年版）》注重培養學生的“數據素養”，嘗試提出學生數據素養的內涵，著力培養學生的數據意識、數據知識、數據能力、數據思維四個維度的能力。化學教學中可以通過凸顯大概念中“量”的特質、發揮“質量守恒定律”的科學本質、設計定量實驗、發揮數字化實驗的“量”變功能等教學實踐活動培養學生的數據素養。

關鍵詞

數據素養? 大概念? 化學實驗? 數字化實驗? 科學思維

引用格式

胡巢生.中學生化學“數據素養”的內涵與培養[J].教學與管理，2022（31）：61-63.

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）注重培養學生的數據素養，以及科學探究的能力，包括獲取證據，分析解釋數據，形成結論及建構模型;培養學生基本的化學實驗技能，初步學會觀察實驗現象，并如實記錄、處理實驗數據。強調利用數字化實驗裝置改進傳統實驗，讓學生憑借可視化的數據認識化學問題的本質，借以培養學生多視角收集證據解決化學問題的能力[1]。可見，“新課標”更加注重運用現代化技術手段，在科學探究與學科實踐活動中培養學生的科學思維和創新意識，以構建化學觀念，增進對化學學科本質的理解。

一、中學生化學“數據素養”的內涵

李新等認為數據素養是指人們對不斷增長的數據進行管理、解釋和批判思考的能力，更加強調數據應用與數據價值[2]。惠恭健、曾磊認為，數據意識、數據知識與技能、數據思維和數據道德規范構成數據素養四個維度，彼此相輔相成，相互作用，共同構成了學生數據素養發展的整體目標[3]。不同的人理解的學生數據素養既有共性又有差異，尚未在學理上形成共識。

化學數據反映化學實驗事實，關于物質的組成、結構、性質特征的數字化表述是化學家科學探索、定量研究的實驗（勞動）成果和智慧結晶[4]。中學生化學“數據素養”由數據意識、數據知識、數據能力、數據思維四個維度的能力共同構成，有利于形成看待化學問題、研究化學現象的視角，以及學習、研究化學的學科觀念，增強學生的創新思維與能力，體現出“數據-認知-能力-智慧”螺旋上升、由基礎到高階的發展路徑（如圖1）。

數據意識是促進學生數據知識與數據能力獲得的先決條件，對發展學生數據思維具有明顯的動力推進作用。其內容包含認真對待數據，對數據價值有一定的敏感性與判斷力，具有運用數據解決問題的需求、意識和態度。數據知識作為開展數據使用活動的核心，是加強數據意識、形成數據能力和發展數據思維的有力抓手，學生需要使用圖表、圖像等統計分析工具來理解數據，找尋數據中隱含的相關關系和因果關系，利用類比、推理、編碼等信息處理方法獲取、協調和存儲觀察到的現象和數據。數據知識的發展與豐富意味著對數據有了比較科學、準確、客觀的認識。數據能力是在數據意識指導下的數據關系判定與證據推理等外顯行為和能力表現，對提高學生的定量思維水平和推理能力發揮著關鍵作用。數據思維處于數據素養層級的最高層，是發展學生數據素養的高階目標，是基于定“量”觀念分析化學問題、建構化學概念、解決化學問題的核心思維方式。數據思維的形成提高了思維的精確度，對數據知識和數據能力的選擇產生調控作用，讓數據“發聲”成為發揮數據價值、創造價值的關鍵。

二、中學生化學“數據素養”的培養路徑

化學實驗是喚醒學生數據意識、發展數據思維、形成數據觀念的重要而有效的途徑。“新課標”強調運用現代化技術手段，加強探究活動中的科學思維;運用實驗傳感器等多種技術手段表證化學反應中的物質變化[5]。因此，培養學生的化學數據素養，就是在提倡數據、基于數據的前提下，教師為學生創設項目，利用問題、情境展開一系列的體驗和探究活動，利用傳感器等多種技術手段將定性實驗設計成定量實驗，變“發光、發熱、變色”等實驗現象為具體的數據，引導學生在完成驅動性問題、有層級的實踐探索的過程中，將數據意識、數據知識、數據能力有機融合，主動進行數據的搜集與甄選、處理與分析，發現細微變化，找尋規律，使之變為自己獲得概念和進行解釋的證據，利用數據將最終的學習成果進行展示、表達和分享交流。

1.凸顯大概念中“量”的特質

重視大概念統領是“新課標”課程內容修訂的重要理念。大概念反映學科本質，具有高度概括性、統攝性和遷移應用價值，強調以真實情境作為抓手，以遷移理解作為教學的核心訴求，是趨向整體育人的整合教學[6]。溶液主題內容蘊含的大概念有溶解限量：溶質、溶劑（定性）、溶質質量分數（定量）;溶液的組成：飽和溶液、不飽和溶液（定性）、溶解度、一定溶質質量分數溶液的配制（定量）;溶解度曲線、物質的分離與提純等，形成了一個結構完整、邏輯關系明確的“知識體系”。筆者利用“限量、組成”大概念確定主題內容，由宏觀到微觀，由定性到定量，以實驗設計與探究等系列活動發展學生的數據思維和證據推理能力，體現“核心知識”的結構化、系統化的建構過程，展現具有特質化的素養發展功能（如圖2）。

2.挖掘化學原理中“量”的關系

質量守恒定律蘊含著質量關系和比例關系的“定量關系”大概念[7]。“新課標”中“物質的化學變化”主題要求：認識化學反應中的各物質間存在定量關系，化學反應遵守質量守恒定律;理解質量守恒定律的微觀本質。學習利用質量關系、比例關系定量認識化學反應，認識定量研究對化學科學發展的重大作用[8]。

教師引領學生在實驗中尋找“量”的證據：“密閉體系”中“量”的證實與“開放體系”中“量”的證偽，再以硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應為例，分析基于“整個體系”內各物質間存在的定量關系的思維框架（如圖3），實現從“整個體系”到“具體反應”的思維轉換，幫助學生厘清“證據”與“結論”的關系。使學生經歷基于證據的科學推理和科學論證過程，理解化學變化中各物質的質量比恒定，形成基于比例關系對化學變化的定量認識和推理的思路和方法。

3.設計定量實驗

定量實驗包含實驗目的、物質體系、實驗裝置、數據處理與誤差分析等，學生需根據“實驗目的”確定“物質體系”，設計實驗裝置、實驗步驟，確定需測定的“數據”，通過證據推理獲得結論，甚至建構模型[9]。通過反思實驗過程中可能存在的“誤差”，以優選試劑，減小實驗系統誤差等加深學生對誤差分析的理解。整個過程中，需要學生遵循邏輯思維，具備一定的分析與判斷、推理和論證能力。

為推測口罩熔噴布的組成，設計實驗將該熔噴布在O2中完全燃燒，測得裝置B、C中增加的質量分別為3.6g和8.8g，以判斷熔噴布中聚乙烯分子中碳原子與氫原子的個數比。通過實驗數據可知，碳元素的質量=8.8g×12/44×100%=2.4g;氫元素的質量=3.6g×2/18×100%=0.4g。計算熔噴布中碳原子與氫原子的個數比=2.4g/12：0.4g/1=1：2。由此構建出定量研究有機化合物組成的一般思路和方法（如圖4）。

4.發揮數字化實驗的“量”變功能

數字化實驗能將實驗過程中相關量的變化以曲線的形式呈現，有利于激發學生學習化學的興趣，思考曲線變化的原因，將宏觀變化與微觀本質緊密結合，參與分析、推理、論證等高階思維活動，以深化對化學概念的理解[10]。學生能逐步具有證據意識，知曉觀點、證據與結論之間的邏輯關系，掌握驗證觀點正確與否的方法[11]。

“測定空氣中氧氣的含量”是初中化學中運用定量的方法研究一種氣體混合物的實驗，借以培養學生從“量”的視角進行誤差分析的意識。有研究者利用氧氣傳感器分別測定了過量白磷、紅磷燃燒過程中和裝有過量鐵粉的暖貼的集氣瓶中氧氣的濃度變化進行實時讀數并繪圖，培養學生四重表征思維和證據推理能力[12]。通過對曲線的起點、拐點和變化趨勢進行分析發現：初始階段，燃燒過程中放出的熱量引起的壓強增大大于消耗氧氣造成的壓強減小，且白磷表現更為顯著，氧氣濃度變化情況隨著反應進行先減小至不再有明顯的變化。裝有暖貼的集氣瓶中氧氣濃度緩慢下降，且隨著裝置內氧氣含量的減少，吸氧速率越來越慢，符合濃度對化學反應速率的影響規律[13]。

借助不同物質作為耗氧劑及其數字化實驗效果，更加豐富了該實驗的教學價值。知識層面上，能促進學生在更高思維層面理解實驗原理，能在不斷的設計、實驗、反思中完善實驗方法，有利于提高學生的思維能力、動手能力和創新意識。實驗效果上，采用吸氧腐蝕原理比燃磷法測定空氣中氧氣含量更加接近真實值。在思維層面上，可以促進學生從“量”的高度審視實驗數據的價值，潛移默化中幫助學生逐步形成數據觀念，培養數據素養。從燃燒的條件看，可燃物在氧氣中燃燒不僅溫度要達到某一量值（即著火點），而且氧氣濃度也須達到某一量值，且不同物質所需量值可能不同。由此得出測定混合物中某種物質含量的一般思路和方法：利用待測物和其他成分性質的差異，將混合物中的某一組分分離或除去的化學原理，測量得到間接量;借助儀器和計算等方式將間接量轉化為可視化的數據，從而得出混合物中某成分的含量。

教師要精心營造平等和諧的課堂氛圍，鼓勵和指引學生能夠基于觀察實驗搜集到的數據獲得結論，以確保數據素養培育過程有“溫度”。還要設計讓學生說理的環節和設問，使學生能夠運用“因果鏈”的表達方式進行理解與遷移，將結論獲取的原因用語言進行表達并加以論證，從而使數據素養培育過程有“深度”。這種表達實則是思維的外顯，是培養訓練學生思維能力、基于證據進行分析推理的好方法，體現出化學知識的結構化和素養化的功能價值。

參考文獻

[1][5][8] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：6-13，54，27.

[2] 李新，楊現民，晉欣泉.美國教師數據素養發展現狀及其對我國的啟示[J].現代教育技術，2019（04）：5-11.

[3] 惠恭健，曾磊.智能時代的數據素養：模型構建、指標體系與培養路徑：基于國內外模型的比較分析[J].遠程教育雜志，2021，39（04）：52-61.

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[7] 胡巢生.基于學科核心素養的初中化學教學設計：以“質量守恒定律”為例[J].化學教學，2018（02）：45-49.

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[10] 畢華林，遲岑迪.運用數字化實驗促進學生理解化學概念[J].中小學數字化教學，2020（08）：5-9.

[11] 張婷，馬宏佳.化學數字化實驗影響學生概念改變的實證研究[J].化學教育，2017，38（09）：39.

[12] 朱如琴，高翔.指向學生辯證思維能力培養的課堂教學：以“探究燃燒與滅火”為例[J].化學教育（中英文），2019，40（17）：44-49.

[13] 徐泓，夏建華，盛恩宏.對“空氣中氧氣含量測定實驗”的改進[J].化學教育（中英文），2018，39（05）：70-72.

*該文為江蘇省教研室第13期立項課題“指向學科核心素養的初中化學單元整體教學設計的實踐研究”（2019JK13-L410）、江蘇省教育科學“十三五”規劃立項課題“基于深度學習的初中化學單元整體教學設計研究”（D/2020/02/201）的研究成果