化学教学中数据分析能力的培养

邢新侠

（江苏省睢宁高级中学 江苏 睢宁 221200）

定量研究的方法是化学常用的，数据在定量研究中处于核心位置。每一数据出现，我们会结合相关知识分析：它意味着什么？它包含哪些可能性（能干什么）？怎么干？有的同学对数据处理游刃有余，有的则避之不及，如何帮助学生顺利驾驭数据，需要探讨和有计划、有意识地实施。

一、讨论的范围及价值

数据分析类问题有广义、狭义之分，广义的包含所有出现数据的问题，狭义的是给出一组或多组数据，围绕着应用进行分析。狭义的数据分析问题近年来高考试卷都有涉及，有的作为综合题相对独立的一个部分，有的是完整的一个题，以数据为中心展开讨论。

数据分析题有难易之分，容易题只要简单训练一下即可，如托盘天平物码倒置所得读数的处理；物质的量浓度溶液配制中俯视、仰视等对浓度的误差分析。难题占少数但往往令人百思不得其解。

数据分析方法有基本性和不确定性。在中学化学范围内，基本方法可以理解为计算题的常见解法，表现形式为守恒法、差量法、关系式法、极限法、讨论法、图像法等。这可在学习中逐步教给学生，它对新问题的解决有良好迁移作用。数据分析方法有不确定性。分析的目的不同会有不同方法，从同一组数据中会发掘出不同信息，得出不同结论。只要可以从数据中找出规律、趋势和联系，把已知和未知沟通，有关数据建立起有用关系。

教学中培养学生数据处理能力，从中发现不同意义，既减少学生对计算题畏惧，又养成数据分析习惯，培养学生严谨的科学态度、精密的头脑。本文拟面向全体学生，以例说理，便于认识数据基本特点、探讨解题基本规律、总结教学基本思路。

二、利用非典型数据分析题培养分析能力

非典型数据分析题属于广义数据分析。只要有数据，就存在数据分析，习惯上称之为“已知条件分析”。这类问题学生接触较早，教师有意识地引导学生会慢慢地积累许多经验。下面是几个例子。

1．科学家对数据分析的态度，对学生者良好的导向

例1：初中化学有一个元素氩的发现故事，很好地展示了科学家严谨、执着、抓住事实（数据）不放的科学精神。

19世纪80年代英国物理学家瑞利在测定一些气体的密度时发现从空气中得到N2每升重1.2572克，从氨气中得到的N2每升重1.2560克，后者比前者轻千分之一。一般人会忽略这一细微差别，但他确定自己的实验用品、方法没有问题后，反复实验还是这样，就向《自然》杂志的同行求助，得到一些人呼应。迪瓦尔让他看100年前化学家卡文迪许的实验材料，拉姆赛与他交流并研究，又用两年多时间于1894年他们共同发现空气中有新物质氩气，发现了氩元素，为人类做出新贡献，也为自己赢得巨大荣誉。

2．要想办法把数据间关系建立起来

例 2：X、Y、Z、R 分别代表四种元素， 如果aXm+、bYn+、cZn-、dRm-四种离子的电子层结构相同（a、b、c、d为元素的核电荷数），则下列关系式中正确的是（ ）

分析：初见此题，复杂的代数关系，从何理起？这就要千方百计建立数据之间关系。在知道符号意义前提下，分析“电子层结构相同”的意义是“电子层数相同且每层电子数也相同”，即离子核外电子数相同，可得数学模型为：a-m＝b-n＝c+n＝d+m，答案 B。

三、利用典型数据分析题培养分析能力

这一类题属于狭义数据分析题。它提供若干实验数据，让我们在比较中看数据特点，找变化趋势、联系，从而发现规律解决问题。这类题与科研、生产、生活中数据分析情境非常接近，能给人许多启示。

1．真实的检验常常要作过量判断

实验室或工业生产中测定某成分含量时，往往不是恰好反应，必须尝试多次，用化学方程式计算就要作过量判断。这是真实的科研生活。

例1：（07年江苏卷第25题第2问）再取三份不同质量的钢样粉末分别加到100mL相同浓度的H2SO4溶液中，充分反应后，测得的实验数据如下表所示：

计算硫酸溶液的物质的量浓度为多少？

分析：这是综合题的一部分，本问关键是找出硫酸完全反应的数据。三次实验中硫酸的物质的量相同，但Ⅰ、Ⅱ加入样品的质量比等于生成氢气的体积比，说明这两次反应中硫酸是足量的，生成氢气的质量由金属的质量决定。Ⅲ加入样品的质量与氢气的体积和Ⅰ、Ⅱ不对应，说明Ⅲ生成氢气的体积由硫酸的量决定，即酸反应完全，金属未反应完。

根据实验Ⅲ可得：

2．正常规律里有时要考虑个别因素

基础知识中的基本规律给我们推理的基础，但事实往往似乎与规律相悖，就要综合考虑各个相关因素了。

例2：（09年江苏卷第17题第3问）控制其他条件相同，印刷电路板的金属粉末用10%H2O2和3.0 mol·L-1H2SO4的混合溶液处理，测得不同温度下铜的平均溶解速率（见下表）。

温度（℃） 20 30 40 50 60 70 80铜平均溶解速率（×10-3mol·L-1·min-1） 7．34 8．01 9．25 7．98 7．24 6．73 5．76

当温度高于40℃时，铜的平均溶解速率随着反应温度升高而下降，其主要原因是________。

分析：这是影响速率变化因素的分析题，40℃前，速率随温度升高变大，符合所学知识。高于40℃，速率随温度升高变小了，不合规律，是浓度减小吗？不至于减小这么快！这时要把“当事人”都看看，悟出H2O2会分解，分解速率随温度升高加快，浓度迅速减小。

答案：H2O2分解速率加快。

3．类比是数据分析常借助的手段

例3：（07年高考理综宁夏卷）工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤。压强及温度对SO2转化率的影响如下表 （原料气各成分的体积分数为：SO27%，O211%，N282%）：

0．1 0．5 1 10 400 99．2 99．6 99．7 99．9 500 93．5 96．9 97．8 99．3 600 73．7 85．8 89．5 96．4压强／MPa温度／℃转化率／%

（1）已知SO2的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？ _______________________。

（2）在 400℃～500℃时，SO2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是：______________。

（3）选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？___（填“是”或“否”），是否可以增大该反应所放出的热量？ ______（填“是”或“否”）。

分析：本题似曾相识，细看就是“合成氨适宜条件选择”的翻版。让人感慨：基础好真是有利于能力提高。

答案：（1）压强一定时，温度升高，SO2转化率下降，说明升温有利于逆反应进行，所以正反应为放热反应；（2）由数据可见400℃或500℃时，增大压强对提高SO2转化率无显著影响，反而会增加成本； （3）否； 否。

4．难题中基础和悟性更显重要

实验序号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ加入钢样粉末的质量 ／g 2．812 5．624 8．436生成气体的体积／L（标准状况） 1．120 2．240 2．800

例4：（07年广东卷第22题）“碘钟”实验中，3I-+S2O82-＝I3-+2SO42-的反应速率可以用 I3-与加入的淀粉溶液显蓝色的时间t来度量，t越小，反应速率越大。某探究性学习小组在20℃进行实验，得到的数据如下表：

实验编号 ① ② ③ ④ ⑤c（I-） ／mol·L-1 0．040 0．080 0．080 0．160 0．120 c（S2O82-） ／mol·L-1 0．040 0．040 0．080 0．020 0．040 t／s 88．0 44．0 22．0 44．0 t1

回答下列问题：

（1）该实验的目的是__________________。

（2）显色时间 t1＝ ________。

（3）温度对该反应的反应速率的影响符合一般规律，若在40℃下进行编号③对应浓度的实验，显色时间t的范围为_______（填字母）

A.＜22.0s B.22.0～44.0s

C.＞44.0s D.数据不足，无法判断

（4）通过分析比较上表数据，得到的结论是____________________。

分析：从测定的五组数据解答四个问题，目的不同，方法也不同。第（1）是问实验目的，从题干与数据对比可知答案是：研究反应物I-与S2O2-8的浓度对反应速率的影响。第（2）问显色时间t1，要费些周折，关键是要从数据变化判断出“反应速率与反应物起始浓度乘积成正比，显色时间与反应物起始浓度乘积成反比”。运用自己所得结论对未知实验数据作预测能力，这要基础知识厚实，更要悟性好，而悟性要靠多实践多思考磨砺。利用①、⑤两组数据中 c（S2O82-）相同，而⑤中 c（I-）是①中c（I-）的3倍关系，求出⑤所用显色时间是①的1／3，即 88s÷3＝29.3s 。 第（3）问本身就有答案，答案为A，当然知识背景是我们已知的规律：温度越高反应速率越快。第（4）问是在第（2）问中解决的，答案：反应速率与反应物起始浓度乘积成正比（或显色时间与反应物起始浓度乘积成反比）。

数据承载着许多信息，数据在信息社会扮演着重要角色。化学专业的数据分析是学习、研究化学的必须，也是习得、驾驭其他领域数据能力的一个途径。在数据分析中可以了解数据的客观性、丰富性、规律性、多解性等特点。学会用基础知识、基本能力以逻辑的、直觉的、假设的、验证的、比较的、类比的等方法分析数据，提升数据分析能力，增加学习信心和乐趣。