初中化学定量观的内涵及其教学价值

罗月旺　李珍

摘要：从教学观察和实践来看，初中化学教学的难点很大程度就是学生对有关知识的“计量”没能深刻理解。为此，基于化学学科特点，在物质和物质变化的层面，从宏观与微观的视角，揭示出初中化学定量观的三点内涵：计量知识、计量思维和计量手段，并探讨其教学价值。

关键词：物质；物质变化；定量观

文章编号：1008-0546（2016）08-0020-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.08.008

初中化学定量观是指有关物质及其物质变化计量关系的思想，从宏观与微观的角度定量认识物质的组成、结构和变化之间的数量关系。初中化学有关定量的内容贯穿运用在教学各阶段，例如，空气中氧气体积分数的测定、电解水实验、化学符号的书写、纯净物中各元素的质量关系、化学反应中的质量关系、溶液组成及物质的溶解度、溶液酸碱度、元素与人体健康等，只有从定量的角度去理解和应用，学生才能对物质及其转化的现象或结果背后计量的本质进行深刻理解并解决有关问题。但从教学观察和实践来看，很多初中化学教师对量的认识比较片面，没有认识到定量观在帮助学生深刻理解有关知识、培养学生化学核心素养等方面的教学价值，只当作知识性知识来教学，没有引导学生从定量的角度来认识物质及其物质变化，造成学生的定量思维水平很低，化学用语、化学计算等有关定量的内容成了教学难点。为此，揭示初中化学定量观的内涵，探讨建构初中化学定量观的教学价值很有意义。

定量观是一种观念性知识，有其知识属性和思维属性。化学研究的物质及其物质变化存在计量关系。从计量知识来看，其计量关系主要有两个基本物理量：“数量”和“质量”，并由此延伸出浓度、酸碱度、反应速率等物理量；从计量思想来看，定量观是研究化学问题的重要思想方法，是用统计思想将宏观事实与微观本质联系起来，并将结果用符号来表征；从计量手段来看，初中化学的计量手段主要用了已知事实和实验手段。为此，以物质及其物质变化的知识为载体，揭示初中化学定量观的计量知识、计量思想和计量手段方面的整体内涵。同时学生在获取计量数据的过程中建构计量思想，掌握获取数据的计量手段，这三个方面互相影响，互相促进，构成初中化学定量观的内容体系，如图1所示：

一、初中化学定量观的内涵

（一）物质及其物质变化存在定量关系

1. 纯净物的组成存在固定的数量和质量的关系。

任何纯净物都有固定的组成，不同的物质组成不同。从定量的角度认识纯净物的固定组成才能够很好地揭示物质的本质。

物质是由元素这一基本要素组成的。不同元素原子的核电荷数（即质子数）不同（从元素层面对原子进行分类），元素排列是有规律性的（根据元素原子的核内质子数（原子序数）递增排成元素周期表）；元素原子相互结合的数量关系有一定规律性（用元素化合价来定量描述不同元素原子之间相互化合的数量比关系）。

物质是有结构的（构成物质的基本微粒有分子、原子和离子，原子是构成物质的最基本的微粒）。结构是有层次的（每一种微粒都有独特的或固有的组成与结构），原子是构成物质的基本微粒。

微小原子的质量计量用相对原子质量表示（原子质量是定量研究化学的基础量），分子质量用相对分子质量表示。元素质量是该元素原子质量的总和，物质中元素之间有质量关系（用元素质量比或元素质量分数等方法来表示）。

例如物质二氧化碳的知识性定量内涵是二氧化碳由碳、氧元素组成，碳、氧元素的原子质子数分别为6和8，在元素周期表中氧元素在碳元素的后两位；碳元素与氧元素结合时，碳元素显+4价、氧元素显-2价；二氧化碳由CO2分子构成，1个CO2分子由1个碳原子和2个氧原子构成，CO2分子中碳原子与氧原子个数比为1∶2；碳原子质量很小，其相对原子质量为12；二氧化碳的相对分子质量为44；碳元素与氧元素的质量比为3∶8；二氧化碳中碳元素的质量分数为27.3%、氧元素的质量分数为72.7%。

2. 混合物的组成存在一定的定量关系。

混合物由多种物质组成，混合物中各组分的含量一般不同，科学地进行定量表示，水溶液是生产生活中最常见的混合物。例如空气中氧气的含量用体积分数表示，溶液中溶液的质量等于溶质质量+溶剂质量、在溶液中溶质的含量用溶质质量分数表示；固体物质的溶解有一定的限度，用溶解度来表示；溶液的酸碱度用pH值来表示等。

3. 物质变化按一定的数量和质量关系发生。

物质的转化过程是原子的规律性重组过程。化学反应存在一定的数量和质量的关系，这种定量关系是有规律性的。

物质转化都要遵守质量守恒定律，这是基于反应前后元素守恒（元素种类和质量不变），基于反应前后原子种类、数目、质量不变的结果。

化学反应中各微粒是按一定的数量比发生的，物质转化前后各物质质量是按一定的质量比发生的。

中和反应的微观实质是H+和OH-结合生成H2O分子。

例如水电解反应，实质是氢原子和氧原子的规律性重组，反应前后原子的种类、数目和质量不变，反应前后氢元素和氧元素的质量不变，反应前后H2O分子、O2分子与H2分子的个数比为2∶1∶2，参加反应的水与生成的氧气和氢气的质量比为9∶8∶1，遵守质量守恒定律等。

（二）物质及其物质变化的定量关系有其计量思想

这里的计量思想主要是指在获取、表达和分析物质及其物质变化存在的数量和质量关系的过程中提炼出来，有利于计量知识的深刻理解的思维方法。初中化学定量观的计量思想主要有科学计量思想、符号表征思想、整体局部思想和量变质变思想，这些思想是相互交替，共同促进计量知识的生成。

科学计量的关键是要明确使用什么标准来选用计量单位，计量结果要求准确和简约，是一种智慧层面的思维。例如原子的质量很小，选用“1”（常省略）作计量单位，该计量单位是用一种碳原子的质量的1/12作为基准；元素化合价是计量不同元素的原子之间形成化合物的比例关系；固体物质的溶解度用某一温度下，该物质在100g溶剂（通常为水）中达到饱和状态时的溶质质量（单位：克），这一标准来计量。

符号表征思想就是将宏观事实准确、简洁地用数量和符号来表示，变繁为简地用化学符号将宏观与微观联系起来。化学符号是化学的独特语言，是表征物质及其物质变化的宏观与微观、定性与定量思维的核心工具。化学符号主要有元素符号、化学式和化学方程式（元素符号是化学符号语言的基础符号），各自有其微观与宏观的定量意义。

用整体局部思想厘清混合物与纯净物、物质与元素、元素与原子、分子与原子、化学反应与反应物和生成物之间的定量关系。图2表示物质组成中整体局部思想的定量关系。

量变质变思想就是物质的量与质存在一定的关系，物质量变到一定程度会引起质变；自然界或生产生活对物质或元素的量是有要求的，相关量（如温度、浓度、质量等因素）的“度”对物质及其物质变化有影响。通过对量的分析与推理，确定物质会产生不同现象或结果的质的本质原因。例如，CO与CO2的化学性质差异的原因分析；空气中二氧化碳的体积分数约为0.03%，空气中二氧化碳含量过高或过低会造成自然界破坏，空气中二氧化碳含量达一定数值，对人群产生有害影响；人体缺钙易得佝偻病，钙吸收过多容易引起动脉硬化；降水的pH<5.6称为酸雨；生铁和钢中含碳量与硬度和韧性关系；不饱和溶液、饱和溶液和结晶的转化与温度、水量和溶质质量的关系；固体物质的溶解度与温度的关系。实验室制取二氧化碳选用不纯物石灰石或大理石和稀盐酸；碳完全燃烧或不完全燃烧与氧气量的关系；物质爆炸极限数值；中和反应实验滴入稀盐酸的量与溶液酸碱性变化的关系等。

（三） 已有事实和实验是获取物质及物质变化定量关系的重要手段

物质及物质变化存在的定量关系是客观存在的，可以进行定量研究 。测定或获取、分析数据、表达数量是定量认识物质及物质变化本质的重要途径。初中化学教学主要用已有事实和实验来获取物质及物质变化的定量关系。

①已有事实手段。初中化学通过已有事实获取定量关系的方式主要有微观图、史实资料和人们认知习惯等。例如通过精密仪器获得的水分子模型帮助学生得出水可以用H2O来表示，通过水分解过程的微观示意图得出化学变化的微观实质是原子的规律性重组过程；从探索原子结构奥秘的史实资料中，认识原子结构；根据人们的认知习惯获得溶液的溶质质量分数、饱和溶液与不饱和溶液、溶解度等概念。物质及物质变化的定量关系用计量手段获取。

②实验探究手段。从实验内容来看，初中化学有关计量的典型实验主要有测定空气中氧气的体积分数、电解水实验（获取水的组成）、配制一定溶质质量分数的溶液和中和反应实验等。从实验技能来看，实验仪器规格、药品用量等常常要控制量。从实验思想方法来看，实验探究过程中常常要控制变量（控制无关变量、测量自变量和因变量）、误差分析有关的量等。

二、建构初中化学定量观的教学价值

任何化学现象或事实背后都存在数量关系，定量观是化学问题的本体特征，也是研究物质组成、结构和变化的重要思想方法。“原子”、“元素”是定量概念的两个核心基本量。初中化学定量观的建构过程从“原子”、“元素”出发，使学生深刻地理解物质及其物质变化的计量成因，并从宏观与微观的角度研究物质及其物质变化的计量关系。定量观的建构与化学基本观念的形成互相作用，共同发展。同时，在定量观的建构过程中促进学生学科核心素养的形成。

（一）增进学生对计量知识的深刻理解

知识是观念的载体，将知识转化为观念，才能实现知识的深刻理解和灵活迁移。让学生通过学习形成观念关键是把教学的着眼点从关注后端（知识结论）变为关注前端（知识结论的生成过程），厘清计量的成因来解构化学的有关符号、概念和理论，把知识的学习由记忆转变为发现，增进学生对计量知识的深刻理解。在初中化学教学中，学生通过事实证据和实验探究等手段获取物质及物质变化定量关系，厘清计量的成因，注重规律的揭示，防止定量内容数字化，让学生理解性地学，加深对计量知识和计量思想的理解和掌握。学生定量观的建构在学习过程中有着不可替代的作用。例如，学习“溶液”的定量知识，关键不在多记多练，而是要帮助学生厘清溶质、溶剂、溶液、溶解度及溶质的质量分数之间的定量关系，认清溶液中的定量变化。 “氢气在氧气中燃烧”反应物质之间的质量关系的理解过程如图3所示：

（二）促进学生对化学基本观念的深刻理解。

知识不是孤立存在的，在知识的基础上形成的观念也必然存在依赖关系。化学基本观念能促进学生定量观的理性建构，定量观的培养又反过来强化学生对化学基本观念的深刻理解，它们互相作用，共同发展。初中化学定量观的核心知识与其蕴涵的化学基本观念之间的关系，如表1所示：

（三）转变教师的教学行为

教师对定量内容的认识不同，其教学行为也就不同。目前，初中教师的定量意识不高，多数教师只停留在定性层面进行教学，没有认识到定量观也是一种重要的学科观念，没有深刻地理解建构定量观的作用和意义。定量观的建构教学就是一种观念教学，有利于教师从知识为本的教学转变为观念为本的教学，也有利于学生学习方式的转变，形成科学的认知结构。例如，在原子结构的教学中，教师要引导学生建构起原子由三种粒子构成，其中电荷守恒和质量守恒，原子得失电子形成离子，同类原子的核电荷数（质子数）相同称为某元素，原子的质量很小，用相对原子质量来计量原子质量等的定量观，从而使学生建构起原子结构的定量内容体系。

（四）有利于学生化学核心素养的培养

如果学生能用定量思维来分析认识物质，理解其中的定量关系，掌握问题解决的思想和手段。那么，学生的化学核心素养将大大提高。化学核心素养包括：宏观与微观结合的思想、物质分类思想、辩证思维、模型认知、科学探究和绿色化学。初中化学定量观的计量知识和计量思想的建构过程中，逐渐提高学生的宏微结合思想、物质分类思想、辩证思维和模型认知等核心素养，计量手段的科学应用也必然提高学生的科学探究能力和绿色化学思想。例如，沪教版在中和反应实验过程中“用玻璃棒蘸取实验1所得溶液”；用白色点滴板作反应容器检验溶液的酸碱性；在“硫在氧气中燃烧”的实验中，用一支细玻璃棒做成的微型燃烧匙作改进实验就是从定量角度体现了绿色化学思想。

化学是在分子、原子的水平上研究物质组成、结构及其变化的科学，这些研究离不开定量观的支撑。初中化学定量观的建构意义，不仅是知识的本身，还是研究物质及其物质变化的重要思维方法和手段，同时培养学生绿色化学、实验安全等科学品质，提高初中生的化学核心素养，并有利于初高中化学定量观知识的衔接。

参考文献

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