基于“教—學—評融合”的教學設計與實踐研究*
——以“依據化學方程式的計算”為例

陳 歡

（蘇州工業園區星灣學校 江蘇 蘇州 215000）

一、教學主題內容與教學現狀分析

學生初中階段對化學反應的定量認識發展經歷如下四個層級：定性水平、定量綜合水平、定量比例水平和宏微觀貫通比例水平［1］。“依據化學方程式的計算”取自上海教育出版社義務教育化學教材第四章“認識化學變化”第3節的內容，安排在“化學反應中的質量關系”（即質量守恒定律）之后，是學生鞏固定性水平、定量水平，并發展定量比例水平和宏微觀貫通比例水平的關鍵組成部分。

初中化學課程標準中對于本節內容知識和方法界定的標準為：認識化學反應中的各物質間存在定量關系；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［2］。以往的文獻對于“依據化學方程式的計算”的教學設計主要有：真實的情境創設、可計量的化學計算、真切的學科觀念培養［3-7］。但也存在一些不足：問題雖逐次推進但欠缺大問題統領、情境雖真實但欠缺系統性設計、計算研究角度雖多元但欠缺一致性規劃。

二、基于“教—學—評融合”理論的教學設計與實踐

1.教學目標

結合初中化學課程標準要求和教材內容，依據問題理論學習方式，并考慮學生的認知特點，將本部分內容的教學目標設計為：（1）通過天和核心艙中供氧劑選擇問題的研究，初步學會從物質變化、能量變化、條件、現象、反應類型和元素守恒等角度認識化學反應，初步形成化學反應的系統思考能力；（2）通過天和核心艙中氧氣供給的定量研究，初步認識化學反應中物質之間的質量關系，進一步理解質量守恒定律，能夠根據化學方程式中各物質的相關質量關系正確計算出反應物或生成物的質量；（3）通過研究天和核心艙總廢料處理和氧氣再生的探究問題，初步學會設計解決物質制備、廢料處理等實際問題的思路，初步體會化學反應與工程技術之間的關系，感受我國航空航天領域的巨大成就。

2.教學思路與流程設計

本節課以課程標準、教材和學情為依托明晰知識、技能和情感，并反向尋找實際情境問題——航空航天中宇航員的生存問題，具體模式見圖1。

3.教學活動設計

（1）航空航天中宇航員的生存問題

【問題1】2021年10月16日，中國宇航員將進行為期六個月的太空駐留實驗，你覺得宇航員要在太空長期生存，需要考慮哪些問題？

【問題2】這些問題歸納起來主要分為三個角度：艙室環境控制、生命保障系統和健康保障系統。其中最為重要的是生命保障系統，在該系統中最為緊要的物質是什么，為什么？

【問題3】假設一名航天員，身高170 cm，體重70 kg，在中等勞動強度下，需要的熱量是2 800 kcal/天，這種條件下每天需要吸收約830 g氧氣，釋放出約950 g二氧化碳。

那如何才能知道產生這么多氧氣需要多少供氧劑呢？化學計算的種類很多，本節課重點討論依據化學方程式的計算。

（2）航空航天中供氧劑的選擇

【問題1】我們學習過的產生氧氣的方法有很多，請寫出對應的化學方程式，并簡單討論哪種方法比較適宜。

【學生討論】

學生1：制備氧氣有分離液態空氣法、高錳酸鉀制氧氣、雙氧水制氧氣、氯酸鉀制氧氣、電解水和光合作用；

學生2：需要反應物中含有氧元素；

學生3：高錳酸鉀、雙氧水、氯酸鉀制氧氣和電解水都屬于分解反應；

學生4：分離液態空氣法在太空中不適宜，因為無原料，可以考慮攜帶液氧，但液氧的保存需要額外創造低溫高壓的環境，不太現實；

學生5：雙氧水制備氧氣反應條件簡單，生成氧氣的同時也產生了水，但雙氧水本身不夠穩定，太空中環境復雜，存在隱患；

學生6：高錳酸鉀和氯酸鉀制氧氣的反應需要加熱，產生的其他產物再利用程度較小；

學生7：光合作用需要光能和植物，植物生成需要一定的生態環境，存在一定困難；

學生8：電解水需要電能，可以利用太陽能發電解決能量問題，產生的氫氣可以作為燃料使用，相對而言比較適合。

【教學小結】同學們從物質變化、能量變化、反應條件與現象、反應類型和元素守恒等角度再次定性認識化學反應，并確定使用電解水供氧比較適宜。剛剛大家思考的方向和科學家的研究方向一致，對于航空航天的理解也在逐漸深入。

【問題2】要想產生830 g 的氧氣至少需要水的質量為多少？

（3）航空航天中供氧劑的用量

【問題1】你可以從哪些方面對電解水的化學方程式進行解讀？

【學生交流】

①從物質變化的角度：水在通電的條件下生成了氫氣和氧氣。

②從物質構成的角度：水是由水分子構成的，氧氣是由氧分子構成的，氫氣是由氫分子構成的。化學方程式中水的化學計量數為2，表示微觀上2 個水分子；氧氣的化學計量數為1，表示1 個氧分子；氫氣的化學計量數為2，表示2 個氫分子。微觀上可以解讀為每2個水分子反應生成1個氧分子和2個氫分子，其中H2O、O2、H2的分子個數之比為2∶1∶2。

【問題2】已知一個水分子的實際質量約為3×10-23g，一個氧分子的實際質量約為5.32×10-23g，一個氫分子的實際質量約為3.32×10-24g，請你算出反應中的分子質量比。

【學生交流】每個分子的實際質量乘以分子的個數，即可算出反應中分子的實際質量比。計算可以獲知，反應中每9 份質量的水分子分解產生8 份質量的氧分子和1份質量的氫分子。

【問題3】反應中分子質量之比是否等于參加化學反應的宏觀物質質量比，為什么？

【學生交流】兩者之間質量比相等，三種物質都是由分子構成的，分子大量聚集形成了物質。參加反應的宏觀物質的分子個數比等于化學方程式中解讀的分子個數比，使得其質量比仍然相等。

【問題4】除了利用分子的實際質量求算其分子質量比之外，還有其他方法嗎？

【學生交流】已知Ar（H）=1和Ar（O）=16，可求得每2個水分子的相對分子質量為36，每個氧分子的相對分子質量為32，每2個氫分子的相對分子質量為4。

因為相對分子質量、相對原子質量都是分子、原子的實際質量與某種碳原子質量的1/12的比值，由于它們是與相同的基準進行比較的，所以相對分子質量乘以化學計量數的比值就等于化學反應中各物質的實際質量之比。

【教學小結】化學方程式是表示化學反應的符號，包含著非常豐富的信息，不僅有宏觀和微觀的意義，也有定性與定量的意義。而依據化學方程式計算的核心是：化學反應中各物質的質量比例是固定且唯一的。

【問題5】若有36 t水能產生多少氧氣和氫氣？若產生2 t氫氣，需要水的質量是多少，能產生多少氧氣？

【問題6】角色扮演：若請你當一回中國空間站的設計師，請計算當航天員每天需要830 g氧氣時，至少需要多少水？

【學生練習+板書演示】

解：設需要水的質量為x。

答：需要水的質量為933.75 g。

【問題7】請同學們參照課本107頁例題和黑板上的內容，思考如何完善自己的解題過程。

【問題8】請同學們總結依據化學方程式計算的具體解題步驟是什么？

【學生交流】①正確書寫化學方程式；

②尋找與計算有關的量，已知物質和待算物質的質量即為相關的量，準確計算兩種物質的相對分子質量乘以化學計量數的乘積，把已知物質的質量和待算物質的質量x對應放在上述乘積的下方；

③列比例式；

④利用數學解一元一次方程得出結果；

⑤簡明進行作答。

【問題9】產生830 g氧氣的時候，又產生了多少克H2？

【教學小結】在化學方程式的計算中，可以根據任意一個量求算出與之相關的其他量。

【問題10】同學們，你還有其他方法計算H2的質量嗎？

【學生交流】①質量守恒定律：利用水的質量減去氧氣的質量算得氫氣的質量。

②化學式計算：利用水的質量求算水中氫元素的質量，進而求得氫氣的質量。

【教學小結】定量問題的解決可以利用質量守恒，也可以利用元素守恒。所以，守恒是化學計算的關鍵。

（4）天和核心艙緊急供氧劑的選擇

【問題1】國際空間站還會備有緊急氧氣以及緊急供氧劑——燭狀高氯酸鋰，每支燭狀高氯酸鋰能產生830 g氧氣。已知：LiClO4=△===LiCl+2O2↑

通過計算說明為什么選擇使用高氯酸鋰（LiClO4）而非高錳酸鉀（KMnO4）。［已知：M（rLiClO4）=106，M（rKMnO4）=158］

【學生交流】利用化學方程式算得需要1 374.7 g高氯酸鋰，利用化學式算得需要高氯酸鋰的質量也是1 374.7 g。

利用化學方程式算得需要8 196.3 g高錳酸鉀，利用化學式算得需要高錳酸鉀的質量是2 049.1 g。

根據計算結果可知產生相等質量氧氣需要攜帶的高氯酸鋰質量更少。

【問題2】為什么不同方法算得的高氯酸鋰質量相同，而高錳酸鉀質量卻不同？

【學生交流】高氯酸鋰中所有的氧元素全部轉化成氧氣，所以兩種計算方式結果相同；高錳酸鉀中只有部分氧元素轉化為氧氣，利用化學方程式計算更能準確反映出元素質量變化。

【教學小結】同學們從定量的角度分析出了選擇使用高氯酸鋰作為緊急供氧劑的原因。當然，因為太空和艙內環境的復雜性，還需要考慮其他更為系統的因素。

在化學發展中，有一位非常著名的計算小能手——里希特。

【化學史實】里希特在質量守恒理論的指導下第一次提出了“化學計算”，創立化學反應中各種物質之間質量比的計算方法。但他試圖推導出適用于所有化學反應的數學公式，結果失敗了，因為他沒有從真實反應入手，考慮到化學物質之間的質量變化關系。

【教學小結】化學方程式計算更能直觀地從本質上揭示化學反應中各物質之間的質量關系，化學方程式計算是一種非常重要的計算形式，具有非常廣泛的應用，也是同學們必須掌握的一項技能。

（5）天和核心艙中廢料的處理和氧氣的再生

【問題1】電解水產生的氫氣和呼吸作用產生的二氧化碳如何處理呢？

【信息呈現】電解水產生的氫氣和呼吸作用產生的二氧化碳早期處理方法是處理后排放到太空中，后來發現利用薩巴蒂爾反應能將二氧化碳和氫氣轉化為甲烷和水，見圖2。

圖2 近地空間站物質原位循環再生

【問題2】一名宇航員每天釋放的950 g二氧化碳，為一名宇航員供氧的同時產生103.75 g 氫氣，試計算兩者能否恰好完全反應。（已知CH4+2H2O）

【學生交流】950 g 二氧化碳參與反應時需要約172.7 g氫氣，103.75 g氫氣參與反應時需要約570.6 g二氧化碳，兩者不能恰好完全反應，最終二氧化碳會過量。

【問題3】分析數據發現，現有系統無法實現在太空中物質之間的自給自足和平衡，有沒有什么已知體系能夠做到這一點？

【學生交流】地球上的生態系統，能夠達成生態平衡。

【課堂小結】我國科學家劉紅用了很長時間的努力模擬地球生態系統以研究如何在太空中實現生態平衡。2017 年至2018 年，其研究團隊進行了時間最長、閉合度最高的生物再生生命保障系統集成實驗，4 人370天，自給率達到98%，只需要2%的外界供給，這就是中國航空航天，這就是中國科學，這就是中國力量。

三、教學效果與教學反思

教學之后，基于實際的教學效果對問題理論的教學實踐產生了諸多思考。

1.關注問題情境的真實性提升化學學習的應用價值

問題理論要求設計的問題具備真實性。真實性的問題才有現實意義和解決的必要。問題情境的真實性使得教學過程更加真實，脫離了為了計算而計算的簡單設定，也讓學生理解化學計算在日常生活和化學生活中的真實作用。本課中有一項計算的真實數據：假設一名航天員，身高170 cm，體重70 kg，在中等勞動強度下，需要的熱量是2 800 kcal/天，這種條件下每天需要吸收約830 g 氧氣，釋放出約950 g 二氧化碳。但真實問題中的真實數據帶來了水、高錳酸鉀和高氯酸鋰計算較為復雜、需時較長等問題，不過在課后反饋中學生討論到計算雖然復雜但應用性很強，同時也加深了對化學定量研究有用的認識。

2.關注問題解決的教學反饋深化化學學習的實際效用

問題理論要求問題解決中能自然地提供反饋，在不斷的反饋中修正教師教的方式和學生學的方式，從而提升課堂教學的實效性。在化學計算的由來中討論為什么分子的實際質量之比與物質的實際質量之比相等，學生反饋得不好，這也在一定程度上說明學生并沒有將分子與物質之間的對應質量關系以及原子與元素之間的對應質量關系理解到位，教師利用更具有靶向性的問題促進了學生對于宏微觀之間定量關系的理解。

3.關注教學內容的總結促進化學研究的高位發展

問題理論教學中需將核心問題進行分解，但分解后的再次重構與整合對學生能力要求較高，需要教師在每個教學階段后能進行及時的總結，以提升問題理論的發展性。本課中希望通過航空航天中氧氣的供給及廢氣的處理讓學生理解計算的實際意義和巨大作用，同時加深學好化學有利于促進科學技術的進步的認識。這使得教師需要在每一個環節結束后做出兩個方面的總結：一是化學知識的總結，二是學生所思所想與航空航天科學家研究之間的關系的總結。例如在學生分析供氧劑選擇時，教師需及時跟進說明，學生從化學反應的條件、物質的穩定便攜、元素含量的高低等角度認識了化學變化，同時這種選擇在一定程度上也與科學家的思考及當前主流的使用方向相契合。