基于化學核心素養(yǎng)的化學式計算教學

石劍

（晉安區(qū)教師進修學校，福建福州350011）

基于化學核心素養(yǎng)挖掘化學式計算的學科價值，具體以創(chuàng)設情境引發(fā)問題、運用問題串引導建構計算原理、應用計算原理解決實際問題并提煉方法提升認識等手段，開展化學式計算教學，提高學生化學核心素養(yǎng)。

化學核心素養(yǎng)；化學式計算；三重表征

初中生普遍認為化學式的計算比較難，主要存在下列認知障礙：如何在宏觀、微觀與符號三者之間建立定量聯系？宏觀物質或元素的質量與微觀粒子的相對質量之間如何轉換？為什么化合物中元素的質量比能用化學式中對應原子所占的相對質量之比來計算？為什么化合物中某元素的質量分數能用化學式中該元素原子占有的相對質量與化合物的相對分子質量之比來計算？化學式計算教學的現狀是：一些教師局限在知識傳授本身，僅把化學式計算當成計算技能來教，重點訓練學生學習模仿計算。這樣的教學沒有挖掘化學式計算教學的化學核心素養(yǎng)價值，忽視了計算原理的探究過程與“三重表征”思維的建構過程，不能有效突破學生的認知障礙，教學實效性差，不利于提高學生學科素養(yǎng)。因此，筆者基于化學核心素養(yǎng)對化學式計算教學進行了研究。

一、基于化學核心素養(yǎng)要求，挖掘化學式計算的學科價值

化學學科核心素養(yǎng)包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認識、實驗探究與創(chuàng)新意識、科學精神與社會責任等五個維度［1］。前三個維度強調學科觀念和學科思維，元素觀、微粒觀等是化學基本觀念，運用“三重表征”思維認識物質，借助于實證推理、模型認知等方法研究物質是典型的化學思維；第四個維度強調的是化學學習和研究的方式，科學探究作為化學學習和研究的重要方式，是形成科學觀念、發(fā)展科學思維、培養(yǎng)科學精神的重要手段和途徑；第五個維度強調科學精神和態(tài)度。［2］化學核心素養(yǎng)源于三維目標又高于三維目標。［2］作為化學教育的啟蒙階段，初中化學教育要為學生的長遠發(fā)展打下扎實基礎，教師理應基于化學核心素養(yǎng)的要求開展教學，培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)。

化學式計算中隱含哪些學科核心素養(yǎng)價值呢？化學式是表征物質的重要化學符號，化學式計算是初中“化學式”單元教學的重要組成部分。初中化學關于化學式的計算，主要包括根據化學式計算相對分子質量、化合物中元素的質量比、化合物中某元素質量分數以及化合物與元素之間的質量換算等。對照《義務教育化學課程標準》的要求和化學核心素養(yǎng)的五個維度，我們不難發(fā)現：在化學式計算教學中，學生可以采用探究式的學習方式，體驗相關計算原理建構過程，學習“三重表征”思維與模型認知、實證推理等化學研究方法，發(fā)展微粒觀、元素觀；在應用計算原理解決實際問題時，學生可以提高應用知識分析問題、解決問題的能力，并認識到化學式計算在解決生產生活和科研問題等方面的重要作用，形成嚴謹求實的科學態(tài)度。這些就是化學式計算中隱含的化學核心素養(yǎng)價值，也是化學式計算教學的目標與出發(fā)點。

二、基于化學核心素養(yǎng)的化學式計算教學過程設計及解析

學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)蘊含了學習方式和教學模式的變革，要求化學課堂教學要在與現實生活緊密關聯的、真實性的問題情境中展開，要采用基于問題的、基于項目的活動方式，基于體驗式的合作和探究的建構式學習［3］。因此，在基于化學核心素養(yǎng)的化學式計算教學中，教師可以創(chuàng)設與現實緊密關聯的問題情境導入新課，設計層層遞進的“問題串”，引導學生基于問題自主建構有關化學式計算的原理，并用以解決實際問題，從中提煉化學研究方法，發(fā)展學科觀念，形成科學態(tài)度。主要環(huán)節(jié)如圖1。

圖1 基于化學核心素養(yǎng)的化學式計算教學環(huán)節(jié)

具體教學過程的設計及解析如下：

（一）創(chuàng)設情境，引發(fā)問題

【情境創(chuàng)設】農民選用氮肥時，常要考慮氮肥中氮元素含量的高低等因素。常用的氮肥有碳酸氫銨（NH4HCO3）、尿素[CO（NH2）2]等，等質量的這兩種氮肥中哪種含氮量高？要解決這個問題，必須研究與化學式有關的計算，學習從定量視角認識物質的組成。

設計意圖：創(chuàng)設真實教學情境，從氮肥的選用引入，激發(fā)學習動機，引導學生關注探究目標，揭示從定量角度研究物質組成的重要性。

（二）運用“問題串”引導建構化學式計算的原理

【問題1】從水的化學式H2O，你知道關于水的宏觀組成和微觀構成的哪些信息？請用磁扣擺出水的微觀模型圖。

問題解決：

宏觀上，水由氫、氧元素組成；

微觀上，水由許多水分子構成，每個水分子由2個氫原子和1個氧原子構成。

水的微觀模型圖見圖2。

圖2 水的微觀模型圖

設計意圖：化學式的意義建構是化學式計算的基礎與起點。從學生熟悉的水的化學式含義設置問題，遵循由易到難的教學原則，幫助學生建立符號與宏觀、微觀的聯系。建立水的微觀模型，有利于加深對元素、分子、原子等概念的理解，化抽象為形象，為探究化學式計算做好鋪墊。

【問題2】已知Ar（H）=1，Ar（O）=16，怎么求氫原子、氧原子在1個水分子中所占的相對質量以及水分子的相對質量？

問題解決：

氫原子所占的相對質量=水分子中氫原子數×Ar（H）=2×1=2

氧原子所占的相對質量=水分子中氧原子數×Ar（H）=1×16=16

水分子的相對質量=氫、氧原子所占的相對質量的總和=2×1+1×16=18

即：化學式中某元素原子所占的相對質量=該原子數目×Ar（該原子）

相對分子質量（Mr）就是化學式中各原子的相對原子質量總和。

以化合物AxBy為例：化學式中A元素原子所占的相對質量=x·Ar（A）Mr（AxBy）=x·Ar（A）+y·Ar（B）

設計意圖：在符號表征與微粒之間由定性到定量建立聯系，是“三重表征”思維的重要組成部分。學生基于微觀模型認知，自主建構水分子中氫、氧原子所占的相對質量以及水的相對分子質量的計算方法，并由特殊到一般，歸納出化學式中某元素的原子所占的相對質量以及相對分子質量的計算方法。

【問題3】根據相對原子質量的計算公式：A（r某原子）=m（該原子）/[m（碳12原子）]，怎么用相對原子質量計算1個氫原子、1個氧原子以及1個水分子的質量？

問題解決：

設計意圖：運用公式推導，認識微粒質量與相對質量間的關系，突破在實際質量與相對質量之間進行轉換的思維障礙。

【問題4】若水中有n個水分子，怎么用相對原子質量計算水中氫元素、氧元素以及水的質量？

問題解決：

若水由n個水分子構成，則水中共含有2n個氫原子和n個氧原子。

設計意圖：在“宏觀物質或元素的質量”與“微粒的相對質量”之間建立起聯系，也是“三重表征”思維的重要組成部分。學生基于微觀模型認知，推導出氫、氧元素以及水的質量的微觀計算公式，經第二次由特殊到一般的歸納，得出元素與物質質量的微觀計算公式。這一步的推導為計算化合物中元素的質量比和某元素的質量分數鋪平了道路。

【問題5】怎么計算水中氫、氧元素的質量比以及水中氫元素所占的質量百分比（即：水中氫元素的質量分數）？

問題解決：

即：以化合物AxBy為例：

m（A）:m（B）=[x·Ar（A）]:[y·Ar（B）]

化合物中各元素的質量比=化學式中各元素原子所占的相對質量之比。

由此推出化合物中某元素的質量分數的兩種計算方法：

①宏觀上：可用元素質量與化合物質量之比計算；

②微觀上：可用化學式中該元素所占的相對原子質量總和與化合物的相對分子質量之比來計算。

聯系宏觀與微觀，變形公式可求得相關元素質量或物質質量：

設計意圖：問題4解決后，學生解決問題5變得輕而易舉。經第三次由特殊到一般的歸納，學生建立起符號與宏觀、微觀之間的定量關系，建構出元素質量比和元素質量分數的計算公式，并找到了元素質量與化合物質量之間的換算關系。這為運用化學式計算解決實際問題掃清了障礙。

通過五個連續(xù)性的、層層遞進的“問題串”引導，學生在理解化學式的定性含義基礎上，運用模型認知、實證推理等化學研究方法，建構出化學式計算原理。學生的思維經歷了由微觀到宏觀、由定性到定量、由特殊到一般的推理過程（思維路徑見圖3）。這樣，三重表征思維與元素觀、微粒觀都得到了深化與發(fā)展。

圖3 化學式計算原理思維路徑

（三）應用計算原理解決實際問題，并提煉方法提升認識

建構化學式計算原理的目的是為了應用計算認識物質組成、解決生產生活和科研實際問題。因此，教師有必要設計典型的生產生活或科研問題，讓學生通過解決問題，形成知識應用能力。為此，筆者設計了三道例題。

例1.寫出尿素的化學式CO（NH2）2表示的意義：

⑴表示的物質是______；它是由______、_____、_____和______元素組成的。

⑵表示該物質的1個__________；該物質的每個分子由___個____原子、___個____原子、___個____原子和___個____原子構成。

⑶該物質的相對分子質量是_______。

⑷該物質中____、____、____和____元素的質量比為____________。

⑸這些元素在該物質中的質量分數分別為______、______、______和______。

例2.請根據碳酸氫銨（NH4HCO3）、尿素[CO（NH2）2]的化學式計算：

⑴碳酸氫銨、尿素兩種氮肥中哪一種含氮元素質量分數高？

⑵120g尿素與多少克碳酸氫銨中含有的氮元素質量相等？

例3.笑氣是一種醫(yī)學麻醉劑，研究發(fā)現它是一種氮氧化合物，實驗測得其中氮、氧元素的質量比為7:4，求笑氣分子中氮、氧原子數目比。

（變式：已知笑氣中氮元素的質量分數為63.64%，求笑氣分子中氮、氧原子數目比。）

設計意圖：通過例1反饋教學效果，練習有關化學式的簡單計算，以尿素為例，總結出化合式的宏觀、微觀、定量含義，認識化學式能比較全面地表征物質的組成，培養(yǎng)元素觀和微粒觀。通過例2回扣并解決新課引入中提出的問題，揭示定量研究物質組成的重要性，練習應用化學式計算原理解決實際問題、規(guī)范解題格式，形成嚴謹求實的科學態(tài)度。通過例3體驗化學式計算的逆向應用，總結元素質量比、原子數目比、相對原子質量比三者間的關系，認識到在科研上可以通過測定元素的質量比或質量分數，并運用計算來確定物質的化學式。

通過由易到難的三道例題的解答，學生應用化學式計算，由全面認識化學式含義，拓展到實際情境中解決問題，再提升到研究物質的方法，鍛煉了分析和解決問題能力，提高了化學核心素養(yǎng)。

三、結語

與局限于知識傳授的教學對比，基于核心素養(yǎng)的教學的長處是顯而易見的。首先，教學目標定位更著眼于學生長遠發(fā)展，培養(yǎng)學生學科思維、學科觀念、學科方法與科學態(tài)度等學科核心素養(yǎng)；其次，教學方式不再局限于“講記背練”，通常采用合作探究式的教學方式，突出探究與應用的過程，展現深度思維；再次，教學設計更關注學生的學，更符合學生認知規(guī)律，更加以生為本。因此，教師應加強核心素養(yǎng)的學習，按照化學核心素養(yǎng)的要求重新審視教學內容，挖掘相關內容的核心素養(yǎng)價值，以學定教，轉變教學方式，開展基于化學核心素養(yǎng)的教學。

［1］王云生.基礎教育階段學科核心素養(yǎng)及其確定——以化學學科核心素養(yǎng)為例［J］.福建基礎教育研究，2016（2）.

［2］朱鵬飛.學科核心素養(yǎng)的研究進展及其對中學化學教學的啟示［J］.化學教學，2017（1）.

［3］張賢金,吳新建.基于核心素養(yǎng)的高中化學課程改革如何“落地”［J］.化學教與學，2016（9）.

（責任編輯：張賢金）