指向?qū)W科能力的化學試題對教學的啟示*
——對溫州市初中學業(yè)水平考試科學試卷中“化學方程式計算題”的分析

翁慶雙 胡聲偉

（1.瑞安市教育發(fā)展研究院 浙江 溫州 325200；2.瑞安市飛云中學 浙江 溫州 325200）

學科核心素養(yǎng)的實質(zhì)是學生順利完成學習理解、應(yīng)用實踐和遷移創(chuàng)新的學科認識活動和問題解決活動的穩(wěn)定的心理調(diào)節(jié)機制，即學生的學科能力。［1］定量計算能力是初中科學學科核心能力的構(gòu)成要素之一，化學方程式計算是定量計算中的重要組成部分。

在依據(jù)課程標準命題的背景下，考試不再是缺乏“人與發(fā)展”的狹義評價。課程標準是一個完整的評價體系，能讓考試有機地融入到教育之中，成為教育過程中的重要一環(huán)。［2］溫州市初中科學學業(yè)水平考試重視對學生學科核心知識、基本技能和科學思想、方法的考查，全面考查學生的科學學科核心素養(yǎng)?；瘜W方程式計算所涉及到的知識和能力是初中科學學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，在近5年的學業(yè)考試中，化學方程式計算的考查都是重點內(nèi)容。

一、化學方程式計算的考查評價方式與特征

在每年的學業(yè)水平考試中，化學方程式計算的試題不斷推陳出新，但它們都具有鮮明的共同特征。

1.試題突出對學科核心素養(yǎng)的考查

從試題三要素的角度看，它們具有如下特點：

（1）考查目標相同?？疾槟繕耸菍己藘?nèi)容的方向性思考和把握。近5年的試題以課程標準為命題依據(jù)，考查目標相同。從知識目標看，試題考查的內(nèi)容是：知道化學方程式的意義、能根據(jù)化學方程式進行生成物和反應(yīng)物之間的計算。［3］從能力目標看，化學學科能力包含學習理解、應(yīng)用實踐和遷移創(chuàng)新三個層次。［4］學習理解考查學生對基礎(chǔ)性內(nèi)容的理解，應(yīng)用實踐考查學生應(yīng)對簡單變式、利用知識解決常見問題的能力，遷移創(chuàng)新考查學生對真實復(fù)雜問題的解決能力以及創(chuàng)造性思維的能力。［1］試題主要考查學生遷移創(chuàng)新的能力。

（2）試題情境有效。整理近5 年溫州市學業(yè)水平考試卷中“化學方程式計算題”的情境（見表1），具有如下共同特點：

表1 近5 年溫州市學業(yè)水平考試科學試卷中“化學方程式計算題”試題情境匯總

①真實性：情境源于真實的生產(chǎn)生活實際、科研或?qū)嶒灐＂谶m切性：符合學生的閱讀習慣和認知特點。③思想性：隱含解決問題可以遷移的思想方法。④關(guān)聯(lián)性：與設(shè)問關(guān)聯(lián)程度高，目標指向明確。

（3）設(shè)問指向明確。化學方程式計算題中多涉及物質(zhì)成分的變化，需要提供多種形式的信息。試題合理設(shè)置問題指向、詳細說明相關(guān)操作及影響、建立數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，讓學生分析信息，完成相關(guān)計算。

2.試題立足高水平學科能力的考查

學生定量化能力的形成和發(fā)展是一個由簡單到復(fù)雜、由基礎(chǔ)到綜合、由具體到抽象的過程，它經(jīng)歷了從低水平到高水平的學習進階：認識概念或符號中所蘊含的數(shù)量關(guān)系→直接運用數(shù)量關(guān)系進行簡單計算→整合或轉(zhuǎn)換數(shù)量關(guān)系進行綜合運算→運用科學思想方法進行復(fù)雜運算。［5］由此構(gòu)建根據(jù)化學方程式計算的“學習進階”構(gòu)架（見圖1）。

圖1 根據(jù)化學方程式計算的“學習進階”架構(gòu)

例1：溫州2021-31（1）（2）

“化學氧自救呼吸器”是一種在缺氧環(huán)境中通過制氧劑臨時供氧的裝置。制氧劑的主要成分是超氧化鉀（KO2），產(chǎn)生氧氣的主要原理是超氧化鉀與人體呼出的水汽反應(yīng)，其化學方程式為：4KO2＋2H2O＝4KOH＋3O2↑。制氧劑中其他成分不能生成氧氣。

（1）小明設(shè)計化學氧自救呼吸器時，為確定制氧劑的用量，除了查閱人體每分鐘呼吸次數(shù)外，還需了解哪些與人體呼吸相關(guān)的數(shù)據(jù)？▲（例舉一個）。

（2）若該呼吸器需為使用者提供48 g 氧氣，則至少需要含超氧化鉀80%的制氧劑的質(zhì)量是多少？

“化學氧呼吸器”在特殊人群日常保健和礦井急救中都有重要作用，本題的解答是真實情境下的問題解決過程。在實際制作過程中，使用者的用量決定了裝置的大小和結(jié)構(gòu)，（1）（2）小題分別從不同角度考查化學方程式計算的相關(guān)要素。學生需要運用科學思維，綜合應(yīng)用各類方法和知識進行問題分析，該題屬于水平4 的能力要求，這也是近5 年試題共同的特征。

二、根據(jù)化學方程式計算的現(xiàn)狀與成因分析

中學生學習根據(jù)化學方程式計算，是從量的角度豐富和完善對物質(zhì)的組成、性質(zhì)和變化規(guī)律的認識。［6］從學生試卷答題情況出發(fā)，可以了解學生根據(jù)化學方程式計算的能力現(xiàn)狀。

1.答題情況反映學科能力不足

近5年試題的難度值處于0.42-0.65之間，學生的答題情況亦有規(guī)律可循。

例2：溫州2020-32（2）

工業(yè)純堿中含少量氯化鈉。興趣小組分別采用不同的方法測定工業(yè)純堿樣品中碳酸鈉的質(zhì)量分數(shù)。

（2）方法二：沉淀法。稱取15 g 樣品完全溶解于水中配成60 g 樣品溶液，取三個燒杯分三次進行實驗，每次加入30 g 氯化鈣溶液充分反應(yīng)，過濾、洗滌、干燥所得的沉淀質(zhì)量記錄如下表。

計算樣品中碳酸鈉的質(zhì)量分數(shù)。

在學生的錯誤答案中，“將2 g（或4 g、6 g）等沉淀的質(zhì)量數(shù)據(jù)代入計算，并根據(jù)計算結(jié)果得出相應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)”和“將任意沉淀質(zhì)量數(shù)據(jù)代入計算并得出相應(yīng)結(jié)果”最具代表性?？梢?，大部分學生會利用化學方程式進行簡單計算，但并未達到遷移創(chuàng)新的學科能力層次。很大一部分學生的能力停留在水平2和水平3，即他們已經(jīng)基本達到了知識目標，卻未能完全達到能力目標。

根據(jù)化學方程式計算的學習進階架構(gòu)（見圖1），將溫州市學業(yè)考試試題進行層級拆分，并用試題對不同年級學生進行能力測驗。測試數(shù)據(jù)表明，從學生能力水平角度看，絕大部分學生能達到水平1和水平2，約80%學生能達到水平3，而能達到水平4 的學生大約只有一半。所以學生的根據(jù)化學方程式計算的能力較低，只能對知識進行較低水平的輸出。從學生能力發(fā)展角度看，能達到水平1 和水平2 的學生數(shù)量隨著學習時間的增長有明顯增加，而達到水平4（較高水平能力）的人數(shù)增長不明顯?？梢妼W生從開始學習化學方程式到參加初中學業(yè)水平考試的時間里，根據(jù)化學方程式計算能力并沒有得到有效提升。

2.學習方式反映傳統(tǒng)定位有不足

（1）不同學段的教學現(xiàn)狀。以八年級下學期學生為訪談對象，了解到教師在根據(jù)化學方程式計算的新課教學中最主要的教學形式是，以例題解答為線索進行計算流程講解，只有近一成課堂中是以解決一個具體問題的形式進行。絕大多數(shù)學生表示，在九年級下學期的復(fù)習課中，這部分內(nèi)容的復(fù)習基本上以練習、講解為主要形式。在為數(shù)不多的專題復(fù)習課中，包含了情境創(chuàng)設(shè)、真實問題解決等要素，但這類型的教學方式所占比例極低。

可見，絕大部分老師認為根據(jù)化學方程式計算只是一種技能，將它看作通過練習即可掌握的技能，反映在教學實踐中是過多地強調(diào)模仿和練習。受這種認識的影響，教師往往將計算過程歸納為“設(shè)、寫、找、比、算、答”六個基本步驟，讓學生模仿并反復(fù)練習。［6］這種做法只能使學生暫時熟練計算技能，而不能從定量角度研究物質(zhì)變化，缺乏深層次的理解。

（2）現(xiàn)狀和需求存在差距。課程標準要求“能根據(jù)化學方程式進行生成物和反應(yīng)物之間的計算”，意味著根據(jù)化學方程式計算的重點不在于數(shù)字運算，而是對概念、原理以及量的關(guān)系的理解。化學計算的學科本質(zhì)是對化學問題的數(shù)學處理過程，即對物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的量化過程。［5］

根據(jù)化學方程式計算并非是“按照一套既定規(guī)則和操作程序去完成特定任務(wù)”的技能，而是“有意識、有意義、有目的、有方法地認識和操作的共同體”。根據(jù)化學方程式計算是一種能力，它是基于科學知識，運用數(shù)學方法解決物質(zhì)變化中“量”的問題的能力。

由于根據(jù)化學方程式計算的傳統(tǒng)定位和學科本質(zhì)之間的差距，形成了學生的學習方法和實際需求之間的矛盾，處于計算規(guī)則和技巧的練習狀態(tài)。這種機械式練習將根據(jù)化學方程式計算固化為某種格式，學生能力長期停留在較低水平層級。

三、基于學科能力發(fā)展進階的教學樣式建構(gòu)

基于對根據(jù)化學方程式計算學科本質(zhì)的理解，結(jié)合其學科能力的層級進階架構(gòu)（見圖1），在不同的學習階段可采取不同的教學樣式，尊重學生循序漸進的學習規(guī)律（見圖2）。

圖2 根據(jù)化學方程式計算能力進階的教學樣式

1.凸顯學科思維的模型建構(gòu)

水平1和水平2是根據(jù)化學方程式計算能力進階的基礎(chǔ)，各能力層級都需要正確認識科學語言背后的含義、深入理解物質(zhì)變化過程中的質(zhì)量守恒。其中包含物質(zhì)變化過程中獨有的學科思維特點：從宏觀實驗現(xiàn)象入手，在分子、原子等微觀層面上建立描述，認識物質(zhì)反應(yīng)實質(zhì)的模型，最終建立宏觀和微觀反應(yīng)過程的有機聯(lián)系。

根據(jù)化學方程式計算涉及化學式、質(zhì)量守恒定律、相對分子質(zhì)量等多個核心概念，因此，在八年級下冊新課學習過程中，以核心概念模型建構(gòu)為教學重點，使之與學科思維特點相適應(yīng)。

例3：質(zhì)量守恒定律的教學

質(zhì)量守恒定律，既有質(zhì)量的改變，又有原子排列方式的變化，可以引導(dǎo)學生從動態(tài)角度認識物質(zhì)。本節(jié)課采用實驗和思考相結(jié)合、實物與模型相匹配的教學方法（見圖3），從宏觀到微觀、從現(xiàn)象到本質(zhì)，幫助學生自主建構(gòu)化學反應(yīng)的模型。

圖3 “質(zhì)量守恒定律”教學流程

2.立足過程參與的探究教學

從水平2 到水平3 的提升需要表格、圖像等素材的支持，真實性是有效素材的必備要素。在九年級上冊酸堿鹽等物質(zhì)性質(zhì)的學習中，涉及到多種有特點、有代表性的化學變化。以物質(zhì)間的具體反應(yīng)為素材背景，進行根據(jù)化學方程式的計算，在數(shù)據(jù)的獲取中不僅能深入了解物質(zhì)的性質(zhì)，亦能實現(xiàn)能力水平的遞進。

例4：酸和堿的反應(yīng)

鹽酸和氫氧化鈉的反應(yīng)是學生較熟悉的化學反應(yīng)之一，他們已經(jīng)能較熟練地分析鹽酸與氫氧化鈉反應(yīng)中物質(zhì)種類變化和質(zhì)量比等。以此反應(yīng)為背景，進行數(shù)據(jù)計算。

粗略計算。向滴有酚酞的氫氧化鈉溶液（已知濃度）中逐滴滴加稀鹽酸，記錄現(xiàn)象如下，計算稀鹽酸的濃度。

精確計算。利用精確度更高的酸度計測量溶液的pH，將數(shù)據(jù)繪制成圖像。學生根據(jù)圖像中的信息進行相關(guān)計算。

3.指向深度理解的任務(wù)設(shè)計

學生的思維達到水平3 后往往會進入能力提升的“瓶頸期”，這便需要教師統(tǒng)籌規(guī)劃，引導(dǎo)學生實現(xiàn)所學知識從碎片化到結(jié)構(gòu)化的進程，實現(xiàn)能力的升華。

主題任務(wù)是學習的一種形式，是在學習內(nèi)容和學情分析的基礎(chǔ)上，圍繞主題將一系列相互關(guān)聯(lián)的學習任務(wù)按一定邏輯主線排列的一種學習過程。它利用主題任務(wù)對學習內(nèi)容進行統(tǒng)籌規(guī)劃和深度加工，并根據(jù)一定邏輯有序地開展學習活動，從而推動學生主動思考，使學生在交流合作和探索實踐的同時不斷加深對科學本質(zhì)的認識，實現(xiàn)由淺層學習向深層學習的轉(zhuǎn)化。圍繞任務(wù)主題開展教學活動的流程見圖4。

圖4 任務(wù)主題的教學流程

例5：“氣體制取”復(fù)習課

以溫州2019-33 試題為背景，設(shè)置復(fù)習情境：在氧氣性質(zhì)學習的過程中，實驗室需要提供較多氧氣。以此為任務(wù)主題，分解為以下四個子任務(wù)（見表2），以過氧化氫溶液制取氧氣為任務(wù)情境，展開復(fù)習。

表2 “氣體制取”復(fù)習課的主要任務(wù)

根據(jù)化學方程式計算是從量的角度認識物質(zhì)變化，是學科能力指導(dǎo)下陳述性知識、程序性知識和策略性知識的綜合應(yīng)用。本文正確定位，聚焦能力的進階過程，關(guān)注學生的學習歷程，以情境為媒介，用適時適量的定量計算讓學生的科學思維變得更豐富、更活躍，同時讓學生從中體驗并收獲運用數(shù)學手段解決科學問題的快樂，感受到科學思維的精巧，促進學生學科能力的有效提升。