何雙安

摘要： ?通過對“數(shù)據(jù)分析”類高考試題的功能評價，從課程層面厘清“數(shù)據(jù)分析”在課程內容要求中的功能，梳理教科書中部分“數(shù)據(jù)分析”內容的呈現(xiàn)方式，由下到上循序漸進，體現(xiàn)學科觀念形成的階段性?；谥R的認識功能理解“數(shù)據(jù)分析”在證據(jù)推理等核心素養(yǎng)發(fā)展中的重要作用。從教學層面，提出如何促進學生定量意識形成、建構“三重表征”思維模型以及避免認識偏差的教學思考。

關鍵詞： ?數(shù)據(jù)分析; 證據(jù)推理; 定量意識; 教學思考

文章編號： ?1005 6629（2022）08 0093 05

中圖分類號： ?G633.8

文獻標識碼： ?B

數(shù)據(jù)作為信息的主要載體，在定量研究中處于核心地位。從化學教學的角度來看，2020版新教材提供了大量的圖像、表格類的數(shù)據(jù)，以人教版選擇性必修教科書《物質結構與性質》為例， 共有元素的電離能、電負性、共價半徑，共價鍵的鍵長、鍵能，不同羧酸的pKa，某些分子的范德華力，某些共價晶體的熔點和硬度等14個數(shù)據(jù)表格，為學生發(fā)現(xiàn)變化趨勢、分析原因、解釋現(xiàn)象、選擇生產(chǎn)適宜條件等提供了很好的學習素材。在教學中教師應充分發(fā)揮數(shù)據(jù)應有的功能，引導學生分析、處理數(shù)據(jù)，提高獲取信息、證據(jù)推理的能力。

1 解讀評價高考化學“數(shù)據(jù)分析”類試題的學科功能

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）的頒布，教、學、評的視角從基于化學知識點轉向基于核心素養(yǎng)的發(fā)展。證據(jù)推理是化學學科核心素養(yǎng)的重要內容之一。證據(jù)可能是某種確定的事實或者抽象意義的知識，也可能以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)。近年來高考命題以“素養(yǎng)”立意，基于“定量分析”亦或“量”證據(jù)推理的試題在高考試卷中頻頻出現(xiàn)，以2022年1月浙江高考化學27題（節(jié)選）為例：

某學生設計實驗確定Al（NO3）3·xH2O的結晶水數(shù)目。稱取樣品7.50g，經(jīng)熱分解測得氣體產(chǎn)物中有NO2、 O2、 HNO3、 H2O，其中H2O的質量為3.06g; 殘留的固體產(chǎn)物是Al2O3，質量為1.02g。計算 ： x= ?????（寫出計算過程）。

如何理解該高考試題的學業(yè)質量評價功能？有的教師認為這是一個計算題，計算結晶水的數(shù)目，考查學生的計算技能;也有教師認為要依據(jù)反應前后Al元素的守恒來列式，因為結晶水中的氫元素加熱分解后部分進入硝酸氣體產(chǎn)物中，考查學生元素守恒觀及計算技能。這兩種認識都只是關注知識技能以及解題方法，還不具備新課標的評價功能。如果能從學科本原上理解，這是定量測定實驗收集的三個數(shù)據(jù)，需要進行數(shù)據(jù)的合理篩選，考查學生實驗探究中數(shù)據(jù)的處理及計算能力，這樣就有了學科的功能;如果進一步從課程目標進行解讀，本題以宏觀質量的變化探究微觀組成，是基于“量”證據(jù)的計算推理，試題就有了考查學生化學學科核心素養(yǎng)的功能。這樣就上升到課程的視角認識“數(shù)據(jù)分析”。

顯然，一道外表特征是化學計算的高考試題，對其解讀間接地映射出了一種認識狀況。許多教師主要是關注教什么知識，對教什么背后形成的邏輯缺乏深層次的理解，更多關注的是教學領域問題，而較少關注課程領域的問題[1]。因此，從課程出發(fā)，回歸對學科教學的本原性認識，根植于教師的教學實踐，其重要性不言而喻。

2 厘清“數(shù)據(jù)分析”在化學課程學習中的要求與功能

新課標在內容要求上規(guī)定了學生應學習的內容，還在學業(yè)要求中有預期學生在學完主題內容后能做什么、有何素養(yǎng)能力表現(xiàn)、達到何種質量的描述。

2.1 從課程內容的表述明確所要學習的知識及其要求

關于必修主題1新課標在內容要求上的表述： 認識化學科學研究需要實證與推理，注重宏觀與微觀的聯(lián)系。了解物質的量及其相關物理量的含義和應用，體會定量研究對化學科學的重要作用?；谧C據(jù)進行分析和推理等對于科學探究的重要性……[2]。

從表述中可以發(fā)現(xiàn)，“數(shù)據(jù)分析”是科學探究過程中對物質的組成、性質和變化規(guī)律的“量化”過程，其本質內涵是定量研究物質組成及其轉化的數(shù)學處理過程，體現(xiàn)它的計量功能。它是幫助學生理解化學概念、逐步建構化學觀念的有效途徑。

奧蘇伯爾指出： 在有意義學習中，新的學習總是建立在原先的學習基礎之上的，而后繼的學習又可以鞏固和加深原先的學習。教材中部分“數(shù)據(jù)分析”內容各個層次上彼此關聯(lián)的觀念由下到上循序漸進的組織，如圖1所示。

從圖1可以清晰地看出各階段學科觀念的發(fā)展。初中階段主要從宏觀和微觀兩個視角理解三個概念的意義，理解質量守恒定律，并從“量”的角度理解元素符號、化學式與化學方程式三者之間的聯(lián)系。如化學式是用元素符號表示純凈物組成及原子個數(shù)比的式子，隱含著化合物中各元素的質量比及某元素的質量分數(shù)的意義;而化學方程式是用化學式表示化學反應的式子，反應前后元素守恒，通過化學式的相對分子質量或相對原子質量的計算揭示化學反應中各反應物與生成物之間的質量關系。高中階段通過定量探究物質的組成、結構及其變化的認識活動和實踐活動，使學生體驗科學論證過程，提升證據(jù)推理能力。

2.2 從知識的認識功能理解“數(shù)據(jù)分析”的素養(yǎng)發(fā)展功能

科學探究中的“數(shù)據(jù)”可以來自實驗或文獻資料，新課程教材中也提供了大量的表格和數(shù)據(jù)，這些“數(shù)據(jù)”成為知識內容的一部分。知識具有的認識功能包含認識角度、認識路徑、推理判據(jù)。正是因為知識的這些認識功能，所以具有核心素養(yǎng)的發(fā)展價值[3]。

2.2.1 概念形成與應用中的“數(shù)據(jù)分析”

從認識角度看，借助可視化的宏觀現(xiàn)象分析微觀本質是化學學科最具特征的思維方式。如濃硫酸的沸點很高（338℃），這與硫酸分子結構中含有兩個—OH有關，由于形成分子間氫鍵而高度締合，表現(xiàn)為難揮發(fā)性和外觀粘稠狀;阿伏伽德羅定律的認識路徑： 決定氣體體積的因素有氣體分子數(shù)目、氣體分子大小、分子之間的距離→氣體中分子之間的距離遠大于分子本身的大小→氣體分子數(shù)目、分子之間的距離是氣體體積的決定因素→同溫同壓下，不同氣體分子之間的距離相等→同溫同壓下氣體體積取決于分子數(shù)目。在隱含的數(shù)據(jù)分析中建立起了概念。

物質的熔點在初中科學中是通過實驗建立起的概念，高中的學習要上升到構成物質的微粒作用觀來理解熔點的概念。通過熔沸點數(shù)據(jù)分析，從宏觀和微觀相結合的視角分析與解決實際問題。圖2為基于熔沸點數(shù)據(jù)解決實際問題的認識路徑。

顯然，“數(shù)據(jù)”作為“量”的證據(jù)具有解釋功能，揭示數(shù)據(jù)背后隱含的微觀本質，可發(fā)展學生的證據(jù)推理素養(yǎng)。

2.2.2 定量分析實驗中的“數(shù)據(jù)分析”

“強酸和強堿滴定”測量溶液濃度是新課標中明確規(guī)定的學生必做實驗，人教版教材設置的“方法導引”欄目，以便從實驗中提煉更上位的“定量分析”的思想和方法。

水溶液中酸堿反應本質H++OH- H2O是學生學習酸堿中和滴定的認識基礎。需要引導學生思考： 需要測定什么量？實驗已知量是什么？理解宏觀現(xiàn)象要觀察什么？如何觀察？揭示化學反應體系內離子濃度變化的微觀本質，建立起應用離子反應進行物質檢測的定量分析方法的認識。經(jīng)歷以下認識路徑： 強酸強堿中和滴定→溶液中H+或OH-濃度變化→測滴定過程中的pH→坐標描點→滴定曲線;對滴定曲線圖的模型認識，比較數(shù)據(jù)特點、pH變化趨勢， 發(fā)現(xiàn)其規(guī)律;找到“溶液pH的突變及指示劑顏色變化”是反應已完全的判據(jù)（宏觀），得出反應達到終點的推理，至此獲得滴定消耗標準溶液的體積，計算出待測液的物質的量濃度。

從學科素養(yǎng)發(fā)展功能上來看： 一是可以實現(xiàn)知識的遷移。酸堿中和滴定實驗，學生初步建立起處理定量實驗問題的思維模型，并遷移到氧化還原滴定，從溶液濃度測定拓寬到物質中元素、離子等成分含量的測定;二是有利于學科核心素養(yǎng)的發(fā)展?！澳苡脭?shù)據(jù)、圖表、符號等描述實驗證據(jù)并據(jù)此進行分析推理形成結論4-3”，這是學業(yè)質量評價“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)水平的最高等級。

3 促進學生定量意識形成避免認識偏差的兩點建議

3.1 設計“元認知知識”學習策略促進定量意識的形成

定量類化學概念是定性概念的自然延伸和發(fā)展，其形成是以學生對其研究對象有一定感性認識的積累為基礎的。

“某物質在氧氣中燃燒，只生成二氧化碳和水，則該物質中一定含有什么元素”“某物質和二氧化碳反應只生成碳酸鈉和氧氣，則該物質中一定含有哪些元素”這兩個問題，并沒有數(shù)據(jù)顯示，但隱含了定量分析推理的過程。前一個問題是研究有機物分子組成時的一個經(jīng)典問題，解決該問題的模型是質量守恒定律。根據(jù)產(chǎn)物判斷該物質一定含有碳、氫兩種元素，還可能含有氧元素。后一個問題，學生很自然得出“只有鈉元素一定存在”的錯誤結論，之所以會丟失氧元素，可能原因有： 一是受前一問題的負遷移;二是學生缺乏從“量”的視角分析事物變化的直覺思維（物質定組成觀念），即定量意識的缺失。為改變這種狀況，通常在問題一之后，及時進行教學跟進，見表1。

常態(tài)教學中常用方法1進行跟進，但教學效果甚微，這是為什么呢？筆者認為，方法1的設計是按照“程序性知識”進行教學，學生沒有形成元認知。方法2按照元認知知識進行教學，基于課程目標“能解釋證據(jù)與結論之間的關系，形成科學結論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑”設計，可以引導學生思考實驗需要測量哪些數(shù)據(jù)、如何測量等問題。充分利用實驗方案所呈現(xiàn)的有關“量”的證據(jù)，提升學生對于“量”的敏感性[4]。從定性感知走向定量描述，從元認知出發(fā)促進學生形成自動化的“量化”思維習慣。

3.2 建構相互聯(lián)系的“三重表征”思維模型促進定量思維的發(fā)展

隨著化學知識內容的深入，容易出現(xiàn)將化學方程式等同于化學反應的過程，將所有反應都當作基元反應處理的認識誤區(qū)。為此，將知識進行結構化方式的認識，如圖3所示。

以熱化學方程式的符號表征為中介，把宏觀的放熱、吸熱現(xiàn)象與微觀世界的微粒運動聯(lián)系起來，即化學鍵的斷裂、生成是化學反應中的焓變的本質原因，通過數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)三重表征的意義建構。但熱力學研究不涉及時間，即不涉及速率及反應機理。對比化學反應的焓變與反應進程中能量變化圖之間的本質區(qū)別，建立起化學反應是有“歷程”的認識，以反應歷程圖作為認知模型，幾個基元反應就包含幾個“能峰”，“峰”的高低表示活化能的大小，從而建立起“活化能”概念、活化能數(shù)據(jù)僅對基元反應具有物理意義的認識[5]，避免產(chǎn)生認識誤區(qū)。

總之，從培養(yǎng)“量”的意識到發(fā)展“量”的思維，這樣形成的“定量觀”是對學科研究對象及研究過程的本原性認識，具有超越課堂時空的持久價值和遷移價值。

參考文獻：

[ 1 ] 王偉. 高中化學教師學科理解水平評價研究[D]. 武漢： 華中師范大學博士學位論文， 2021.

[ 2 ] 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）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[ 3 ] 王磊， 魏銳. 學科核心素養(yǎng)發(fā)展導向的高中化學課程內容和學業(yè)要求——《普通高中化學課程標準（2017年版）》解讀[J]. 化學教育， 2018， （9）： 48.

[ 4 ] 薛青峰. 在實驗教學中促進學生定量觀建構的實踐與思考[J]. 化學教學， 2020， （9）： 60.

[ 5 ] 吳星. 中學化學學科理解疑難問題解析[M]. 上海： 上海教育出版社， 2020.