培養化學定量思維的實驗教學設計

摘 要： 化學定量思維是指運用定量的方式和方法分析和解決化學問題的思考過程，在化學學習中發揮著重要作用。梳理化學定量思維的內涵與培養路徑，設計“探秘Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性”教學課例。從探究Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性入手，分別從橫向物質的氧化性和縱向物質的濃度進行對照，層層遞進，深入挖掘實驗中的定量功能，有利于學生化學定量思維的發展。

關鍵詞： 高中化學； 實驗教學； 定量思維； 硝酸鐵

文章編號： 10056629（2024）10004804

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調了定量研究、定量意識、定量分析、定量實驗、定量計算在化學學習中的重要性［1］。通過掌握這些定量方法，學生能夠更深入地分析化學變化，準確地理解關鍵知識點，并提高他們在實驗探究中的分析能力和解決問題能力。然而，學生的化學定量思維現狀不容樂觀，一項對107名高二學生的調查顯示，了解“定量”和“定性”的差別的學生僅占27%，大部分學生對“定量”僅有模糊的認識，沒有準確的認知；甚至只有55%的學生同意任何化學現象或事實背后都存在數量關系，這表明相當一部分學生不了解化學實驗的本質規律以及“定量”的重要性［2］。鑒于此，本研究嘗試從理論和實踐兩個方面對化學定量思維的培養進行探索。首先，在理論層面上梳理化學定量思維的概念內涵和培養方法。其次，結合高中化學內容設計實驗教學，希望能為相關教學實踐提供一些參考。

1 化學定量思維：是什么，怎么培養

化學描述可以分為定性和定量兩種類型。前者是對物質性質進行定性描述，如某溶液呈酸性；而定量描述是在定性基礎上對事物進行深化的、精確的表達，通過數量關系來揭示事物的本質，如該溶液的pH為2。同質不同量的化學物質在規模和發展程度上有所不同，這就可能會造成化學變化現象和結果的不同。因此只有進行定量描述，才能夠更深入地理解和把握化學現象的本質，揭示不同量變引起的現象和結果的差異。

化學定量思維是指運用定量的方式和方法分析和解決化學問題的思考過程。化學定量思維能使研究者更加理性和透徹地思考化學問題。化學定量思維作為一種重要的思維方式，在化學領域中發揮著重要作用。一方面表現為定量的研究方法是化學發展為一門獨立學科的重要標志之一，能夠推動化學研究向更加精確和準確的方向發展［3］。另一方面，化學定量思維能幫助學生深入理解化學變化背后的本質，從而促進對化學問題的更深入的思考和理性分析［4］。

在中學階段，化學定量思維的學習內容以物質的量和質量為核心，以質量守恒定律為依據，結合化學基本概念原理和元素化合物知識而展開。教材從初中階段以質量為核心到高中階段以物質的量為核心，從核心概念到基礎計算再到綜合計算，遵循從宏觀到微觀、從簡單到復雜的認知過程，構建從核心概念到基礎計算再到綜合計算的遞進式體系，讓學生逐步學會從量的角度認識物質的組成、結構和變化規律，體會定量方法對化學學習和研究的重要意義［5］。

實驗教學是發展學生化學定量思維的重要途徑，而傳統的中學化學實驗比較4jEgLGUK0ImSMYVG3FrH6w==側重定性描述，對定量方面的重視程度不夠。為了培養學生的化學定量思維能力，在實驗教學中可以從以下兩個方向入手。首先，在傳統的定性實驗中挖掘其定量功能，引導學生在觀察和記錄實驗現象時注重數量關系，以及通過實驗數據進行量化分析。其次，教師在認知、操作和評估方面要強調“定量”，使學生意識到定量思維的重要性，并能靈活運用定量方法解決化學問題［6］。總之，需要為學生提供一個有利于培養定量思維的學習平臺，讓學生在實踐活動中發現“定量”在實驗研究和學科本質中的重要性，從而主動構建定量概念，逐漸形成定量的科學思維和習慣。

以下嘗試設計注重定量思維發展的化學實驗教學，幫助學生形成化學定量觀念，提升學生理解和運用定量思維方法解決化學問題的能力。

2 實驗教學設計——以“探秘Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性”為例

2.1 教材和學情分析

“探秘Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性”是滬科版高中化學必修一第二章“海洋中的鹵素資源”第二節“氧化還原反應和離子反應”中拓展課的內容。本節課分別從定性和定量兩個角度比較Fe（NO3）3溶液中粒子的氧化性，層層遞進、不斷深化，促進學生定量思維的發展。實驗圍繞以下三個活動開展教學：（1）Fe（NO3）3溶液中的氧化性微粒驗證（定性確定氧化性微粒，為定量分析做好鋪墊）；（2）某一濃度下Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性比較（引入量化內容，從量化角度認識氧化劑和還原劑的性質）；（3）Fe（NO3）3溶液中微粒在不同條件下氧化性強弱的變化（使用數據進行分析和解釋不同的量化條件下的微粒氧化性）。通過實驗方案設計、方案評價、實驗現象分析等多個環節培養學生的定量思維與研究能力。

學生在初中和高一上學期已部分接觸過探究實驗，初步熟悉實驗的探究流程，具備提出問題、做出假設和實驗操作等基本能力。通過質量守恒定律、化學方程式的學習，已熟悉“過量”“少量”“適量”“一定量”等術語，知曉任何化學反應的背后存在著數量關系，形成了初步的定量意識。基本具備氧化還原反應的判斷、離子反應的書寫、元素化合物基本性質等理論基礎知識。

2.2 教學目標與重、難點

教學目標：學習并應用“控制變量法”從定性和定量兩個角度設計實驗，定量分析、理解Fe（NO3）3相關反應中氧化劑和還原劑的性質，掌握如何通過定量實驗得出可靠的科學結論。通過定量實驗，深入理解不同條件下Fe（NO3）3溶液中各微粒的氧化性，并能使用數據進行分析和解釋，發展化學定量思維。以“Fe（NO3）3的氧化性探究”為例，學習分析復雜氧化劑和還原劑性質的方法，能夠將復雜問題簡單化，并在此基礎上進行定量分析。

教學重點：理解Fe（NO3）3溶液氧化性的成因；探究0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中起氧化作用的微粒。

教學難點：用控制變量法設計探究實驗；驗證不同濃度、不同酸性條件下Fe（NO3）3溶液中各微粒氧化性的強弱。

2.3 教學流程

教學流程設計如圖1所示。

2.4 教學環節

2.4.1 情境導入：驗證0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液的氧化性

［教師］展示0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液和Fe（NO3）3溶液用于銅蝕、銅雕的作品，引導學生預測Fe（NO3）3的化學性質。

［教師］Fe（NO3）3是否具有氧化性呢？請用桌上的儀器與藥品驗證自己的猜想。

［學生］向淀粉KI試紙上滴加0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液，觀察實驗現象。

［現象］淀粉KI試紙變藍。

［教師］這說明什么呢？

［學生］I-被Fe（NO3）3溶液氧化生成I2，說明溶液具有氧化性。

設計意圖：

創設情境，聯系生活，激發學生對Fe（NO3）3學習的興趣。以Fe（NO3）3和Cu的反應為例，加之實驗驗證，從定性角度加深對Fe（NO3）3溶液氧化性的認識。

2.4.2 活動一：探究0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中起氧化作用的微粒

［教師］氧化I-的可能是Fe（NO3）3溶液中的哪些微粒呢？

［學生］可能有以下情況：①NO－3在酸性條件下氧化I-；②Fe3+氧化I-；③二者都可以氧化I-。

［教師］請設計并進行實驗以驗證猜想。給出信息提示：NO－3在不同條件下的還原產物較復雜，難以觀察到氣體產生；0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液的pH約為1.7。

［學生］用0.3mol/L NaNO3溶液加鹽酸調節pH至1.7代替0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液進行試驗，淀粉碘化鉀試紙變藍。證明假設①成立，即NO－3在酸性條件下氧化I-。

［學生］用0.1mol/L的FeCl3代替0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液進行試驗，淀粉碘化鉀試紙變藍。證明假設③成立，即NO－3在酸性條件下、Fe3+二者都可以氧化I-。

設計意圖：

通過實驗探究活動，在Fe（NO3）3溶液具有氧化性的基礎上，進一步明確對Fe（NO3）3溶液中NO－3和Fe3+的氧化性的定性認識，為隨后量化分析微粒的氧化性強弱做好鋪墊。

2.4.3 活動二：比較0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中各微粒的氧化性強弱

［教師］大家通過實驗證明了0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中NO－3在酸性條件下和Fe3+都能起氧化作用，但是它們的氧化性誰更強一些呢？如何去檢驗誰的氧化性更強？

［學生］由于氧化劑的氧化性強于氧化產物，因此如果可以在0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中，觀察到NO－3氧化Fe2+的現象，那么就可以說明在0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中，NO－3的氧化性強于Fe3+。

［教師］非常好，請同學們設計實驗，用桌上的儀器和試劑探究0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中不同氧化劑粒子的氧化性的強弱，要注意反應物的用量。

［學生］在0.6mol/L的NaNO3溶液中加入鹽酸調節pH至1.7，在0.2mol/L的FeCl2溶液中加鹽酸調節pH至1.7。取兩種溶液各1mL混合，使之充分反應，加入適量硫氰化鉀溶液，搖勻，觀察現象。

［教師］大家觀察到什么現象，這說明了什么？

［學生］溶液變為血紅色，說明有Fe3+出現。因此在pH=1.7時，0.3mol/L的NO－3能氧化0.1mol/L的Fe2+。即在0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中，NO－3的氧化性強于Fe3+。

設計意圖：

在找到Fe（NO3）3溶液中起氧化作用的物質后，應用“控制變量法”設計實驗，在定量分析中比較NO－3和Fe3+氧化性的強弱。

2.4.4 活動三：比較不同濃度下Fe（NO3）3溶液中氧化劑的氧化性強弱

［教師］通過實驗，我們發現在0.1mol/L的Fe（NO3）3溶液中，NO－3的氧化性強于Fe3+，但是我們知道，物質在不同條件下可能呈現出不同的性質。是否在其他濃度下的Fe（NO3）3溶液中NO－3的氧化性還是強于Fe3+呢？請同學們思考并設計實驗，比較在0.005mol/L的Fe（NO3）3溶液中，NO－3與Fe3+氧化性的強弱。

［教師］給出信息提示：0.005mol/L的Fe（NO3）3溶液的pH約為2.2。

［學生］設計并進行實驗：首先向0.03mol/L的NaNO3溶液中加入鹽酸調節pH=2.2，向0.01mol/L的FeCl2溶液中加入鹽酸調節pH=2.2。取1mL該FeCl2溶液于試管，向其中加入適量硫氰化鉀溶液，再加入1mL調節好pH的NaNO3溶液，搖勻，觀察現象。

［教師］大家觀察到什么現象，這說明什么呢？

［學生］試管中無血紅色出現，表示無Fe3+生成。即在0.005mol/L的Fe（NO3）3溶液中，NO－3的氧化性不強于Fe3+。

［拓展深化］通過實驗，同學們發現Fe（NO3）3溶液中的硝酸根離子和鐵離子在不同條件下氧化性強弱有所不同。正如前文中所說的，Fe（NO3）3可以用于銅的浸蝕、雕刻和拋光，實踐表明在Fe（NO3）3溶液濃度為0.05mol/L時，拋光效果最好，那么此濃度的Fe（NO3）3溶液中，起主要氧化作用的是哪種微粒呢？請同學們帶著這個問題，在課后設計并完成實驗，對0.05mol/L的Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性強弱做一個比較。

設計意圖：

經過活動二，學生已經初具控制變量的思想。活動三繼續通過定量實驗，探究濃度對不同物質氧化性的影響，使學生深入理解不同條件下Fe（NO3）3溶液中各微粒的氧化性并能使用數據進行分析和解釋，提高學生在設計探究實驗上的類比推理能力，鞏固定量思維。

3 總結與反思

本研究從Fe（NO3）3溶液中微粒的氧化性入手，挖掘了相關實驗的定量功能。在探究不同濃度的Fe（NO3）3溶液中氧化劑的氧化性強弱過程中，存在著較多變量和影響因素，學生需要使用定量、定性相結合的方法設計并完成實驗。經過設計實驗、收集數據、分析結果，大部分學生通過定量實驗理解了不同條件下Fe（NO3）3溶液中各微粒的氧化性強弱，學會了如何通過數據分析和解釋實驗結果，得出可靠的科學結論，在這一過程中學生可以明顯地意識到定量思維的重要性，并能更好地理解和應用定量分析的方法；課后的探究活動進一步要求學生靈活運用定量方法來解決新問題，起到了鞏固學習成果的效果。總體來說，本設計在發展學生定量思維方面起到了顯著的作用。

然而，由于某些學困生所具有的與探究任務相關的圖式較少，在加工處理相同的認知任務時，會比其他學生產生更多的內在認識負荷［7］。在教學中發現，部分學困生對氧化性概念的把握存在偏差，不能正確理解何為“比較氧化性強弱”；另有部分學困生的實驗設計能力不足，導致本設計對他們來說難度較大。

這提示我們：后續將考慮把探究任務細化成一系列的學習片段，再依次呈現給學生，希望從總體上降低探究任務的認知負荷，通過這樣的調整，可以使更多學生受益于定量思維的培養，從而提升教學效果。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［2］陳萍. 初中化學實驗中學生定量思維培養策略的研究［D］. 北京： 首都師范大學碩士學位論文， 2013.

［3］孟令福. 例談定量思維在判斷粒子濃度關系中的應用［J］. 化學教學， 2018， （7）： 90～94.

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［5］楊玉琴. 化學學科能力及其測評研究［D］. 上海： 華東師范大學博士學位論文， 2012.

［6］吳晗清. 高中化學實驗教學實踐癥結與對策探析［J］. 中國教育學刊， 2013， （2）： 68～72.

［7］汪明， 曹道平. 基于認知負荷理論的有效教學設計研究［J］. 現代教育技術， 2013， 23（5）： 16～19.