创设真实情境提高化学计算教学实效

摘要： 在初中化学计算教学中运用实验创设有趣而又有意义的情境，让学生从不同的角度、不同的侧面理解化学反应中各物质的数量关系，体会定量研究在化学科学中的价值，学习和提高化学计算的基本方法和技能。

关键词： 实验情境; 化学计算; 化学教学; 教学设计

文章编号： 1005-6629（2018）11-0052-04中图分类号： G633.8文献标识码： B

从化学计算的发展史来看，第一个把数学和化学相结合并取得重大成果的人是德国化学家里希特（1762～1807）[1]。里希特有很高的数学修养，他在质量守恒理论的指导下第一次提出“化学计算”这一术语，创立了化学反应中各种物质之间质量比的计算方法。在研究方法上，他也不只局限于对物质变化的定性观察，而是将数学、物理等知识与化学相融合，开展了定量分析，为化学发展成为一门可以用数字表示的真正的科学做出了贡献。但“化学计算”不是空穴来风，而是基于化学实验事实。里希特试图推导出适应于所有化学反应过程的数学公式，结果失败了，因为化学反应千变万化，反应过程本身亦纷繁复杂。所以从量的角度解决化学问题并非单纯的数学运算，也并非简单的方法、技巧等技能的操练，而是以基本概念、基本理论、元素化合物知识为基础，以化学式、化学方程式及溶液组成等蕴含的量的关系为依据，进行分析、判断、推理、运算的过程。

从化学计算的教学方法来看，化学计算是初三学生学习化学的一个难点，也是造成学生两极分化的一个原因。“依据化学方程式的计算”的教学，一些教师的习惯模式是“范例展示—模仿练习—错误分析—强化训练”，按照“设、式、量、比、算、答”的程序来组织教学。学生看似掌握了化学计算技能，但是实际上缺乏对定量研究物质变化的理解。如何引导学生由感性到理性、由定性到定量来认识化学变化，正确理解与化学变化有关的定量计算问题，是摆在我们面前的重要课题。初中化学计算教学应该依据课程标准，设计化学计算教学情境，帮助学生从宏观与微观、定性与定量相结合的视角去理解、掌握化学计算的基本方法和技能。

1 从课标的视角理解化学计算教学的内涵

“依据化学方程式的计算”[2]是上海教育出版社义务教育化学教材（以下简称“沪教版教材”）第4章第3节的内容，义务教育化学课程标准不仅要求“能根据化学方程式进行简单的计算”，而且要求“认识定量研究对于化学科学发展的重大作用”[3]。这就意味着我们不应单纯地从数字运算的角度教化学计算，更要让学生明白在化学中“为什么要计算”以及“怎样计算”？

“依据化学方程式的计算”是整个中学阶段的化学计算所采用的基本计算方法，这节课的学习将为学生建立正确的化学计算的学科观念打下基础。

在沪教版教材的第3章中，学生已经学习了利用化学式计算化合物中元素的质量分数的方法，在本节中又学习了质量守恒定律和化学方程式，这些概念及原理为定量研究化学变化提供了基本依据。在教学中我们发现，学生在化学符号与其蕴含的数目、质量等关系以及微观与宏观相结合方面存在较大的困难。因此在本课的教学中，要在学生的认知顺序和心理发展顺序的基础上引导学生以化学计算为载体综合运用实验操作、物质制备及其性质等知识，加深对化学反应中元素不变和质量守恒的理解。为此，笔者对教材进行了深入的挖掘和创新，创设了有趣而又有意义的实验情境，并依据实验数据来设计计算题，使学生体会计量操作所得数据在化学变化中的意义，认识到化学计算是建立在化学基本概念、基本原理、符号表征基础之上的，并且在实际生产和生活中具有广泛的应用价值。

2 设计具有真实应用情境的化学计算

在化学实验、化学科学研究和生产生活中存在着大量需要从量的角度去解决的化学问题，教师应该善于将化学计算置于这些情境中。尤其是趣味实验，以其简单的操作，有趣的现象对初中学生会产生极大的吸引力。在课堂教学过程中，教师应立足于学生的认知基础，大力开发教材的实验功能，以激活學生原有的知识[4]。笔者在本节课上设计了2个将反应物“量化”的课堂演示实验，创设了真实的实验情境条件下的化学计算，用实验穿针引线，把计算融入到对化学实验探究问题的解决过程中，这样就还原了化学计算的本质——从定量的角度研究化学变化。

本节课实验的设计重在创设真实的实验背景，巧妙串联教师精心设计的计算题及反思。由于不是实验课，实验操作要简便易行，不纠结在繁杂的实验细节上，突出计量操作所得数据的物理量的意义。在设计习题时，由于是新授课，按照逐步推进的基本教学原则严格控制问题的难度。

2.1 “象鼻牙膏”演示实验

[实验药品及仪器]51mL 30%双氧水、二氧化锰粉末、家用洗洁精、250mL锥形瓶

[实验原理及过程]量取51mL双氧水，向其中加入少量洗洁精，混合均匀，放在热水浴中预热1分钟，注入装有二氧化锰粉末（先用少量的水润湿，以增大与双氧水的接触面积）的250mL锥形瓶底部，即刻有灰黑色的泡沫像挤牙膏似地从筒口不断涌出，长长的、弯弯的泡沫片刻间溢出，酷似“象鼻子”。这是因为过氧化氢在二氧化锰催化下迅速分解生成大量氧气，氧气逸出与发泡剂形成泡沫。在泡沫涌出的过程中，教师请学生协助将带火星的木条伸入“象鼻子”里，并提问带火星的木条复燃的缘由。

[教学过程]教师告诉学生实验中使用了含17g过氧化氢的双氧水，并请一位学生上台板演反应的化学方程式。教师评价后简述“象鼻子”实验原理。

[提问]以过氧化氢分解反应为例说明化学方程式能表示哪些含义？

[学生回答]表示过氧化氢在催化剂作用下分解生成水和氧气这个事实。

[教师补充]

（1） 微观意义

每2个过氧化氢分子分解成2个水分子和1个氧气分子，分子个数之比为：

（2） 宏观意义

每68份质量的过氧化氢分解成36份质量的水和32份质量的氧气，其质量之比为：

[教师反问]“象鼻子”为什么会长这么长呢？

[教师启发]形成象鼻子主要是由于反应放出大量氧气，氧气越多，鼻子越长，我们能否估算实验中放出多少氧气？

[过渡提问]17g过氧化氢能生成多少克氧气呢？

由此引出依据化学反应中物质之间质量比的方法计算生成物的质量的例题1。

设计意图： 这个实验有三个功能。一是激趣，夸张有趣的实验有效地激发了学生积极的情绪并将学生带入探究的课堂。带火星的木条提醒学生自然联想到泡沫中有氧气，教师别出心裁的呈现方式开阔了学生的视野。二是借助双氧水制取氧气的反应从微观与宏观相结合的角度复习化学方程式的含义，让学生体会化学符号中蕴含的量的关系，为下面的化学计算做好充分的知识准备。三是根据这个实验背景编写了一个关于“象鼻子”长度的计算题。

[例题1]在上述“象鼻子”实验中，使用了51mL含17g过氧化氢的双氧水，在催化剂作用下最多能产生多少克氧气？

设计意图： 例题1中数据有真实的实验背景，但在编制习题时根据实际实验用量（30%双氧水51mL、密度为1.11g·mL―1），避开学生没有学到的溶液质量分数等较为复杂的数据，简化为较接近学生认知水平的“17g过氧化氢”这一质量数据。

例题1的作用是示范引领，是整节课的重点内容。因此在教学中教师将5个步骤整齐地板书并重复强调。在算出氧气质量后，将计算“象鼻子”长度的物理和数学公式直接展示给学生，重点突出，难点分散，估算出的“象鼻子”长度与实验中看到的视觉冲击印象比较吻合，使这一实际问题有效解决。

[练习1]实验室要用双氧水制取8g氧气，试计算有多少克过氧化氢参与反应？

设计意图： 练习1的作用是让学生模仿练习，两道题目都与过氧化氢的反应有关联，让学生做起来也饶有兴趣，并且教师将题目变式为由生成物来计算反应物。课堂采用学生板演、同桌互助的方式，便于检验学生学习情况及时发现问题。

2.2 “固液”反应演示实验

师生共同配平化学方程式并复习配平化学方程式的依据。

以此实验为真实背景，设计例题2与练习2并进行反思。

设计意图： 氧化铜与盐酸反应的实验是一个操作很简便的试管实验，但是它在本节课所承担的作用却不容低估： 一是自然地引入具有实验情境的化学计算题;二是让学生练习观察实验现象并养成准确进行语言描述的习惯;三是此处也是预设一个具体的问题情境，为解决反思性问题埋下伏笔。

[例题2]试计算0.4g氧化铜黑色粉末加入足量的稀盐酸充分反应后可以生成多少克氯化铜？

[练习2]0.4g氧化铜与足量稀盐酸反应生成氯化铜溶液，求盐酸中参与反应的氯化氢的质量？（若生成氯化铜理论上须消耗0.365g HCl，由于稀盐酸过量，回避了氯离子与铜离子形成配合物的复杂情形。）

设计意图： 例题2与练习2中的数据也是演示实验中的实际用量，在加热条件下黑色氧化铜固体完全溶解形成绿色溶液。在实验现象的辅助下，学生比较轻松地理解了反应物“足量”的含义。教师与学生共同的练习使课堂学习的计算方法再次呈现，以加深学生对五个计算步骤的印象，进一步强化解题的规范，而且回避了“过量计算”问题。练习2的计算数据又可以帮助学生理解问题反思。

在习题呈现方式上设计了多种变式，这些教学措施的变换是根据学生的认知过程设计的，不但丰富了课堂形式，突出了教学重点，更重要的是消除了学生对化学计算的畏难情绪，学生在各种不同的训练中，尝试到成功的快乐，逐渐对枯燥的计算课产生兴趣。

3 提升学生对实验数据在化学计算中的应用与理解能力

在中学化学计算教学中，教师投入大量时间和精力在计算技巧、方法的传授上，甚至编出许多抽象、繁杂、脱离生产生活实际的“假题”让学生反复练习，但学生还是不得要领。原因是忽略了计算的前提应是具有可操作性的测量方法及其数据分析。笔者将计算问题置于真实的情境中，让学生在解决实验室及生产生活中有关“质量、体积”等的实际测量问题时，真正体验到定量研究的操作方法。教师通过反思性问题的提出也进一步延伸了实验数据的应用价值。

[反思1]实验室用含17g过氧化氢的双氧水按照如图1所示的装置来制取并收集氧气，能收集到8g氧气吗？

设计意图： 通过这个问题的讨论，让学生体会“依据化学方程式的计算”仅仅是理论计算，实际测量中要考虑到装置的合理性、气体在水中的溶解性及排水法收集气体的纯度等各种因素。

因此练习1应改为“实验室要用双氧水制取8g氧气，试计算理论上至少要有多少克过氧化氢参与反应？”因为过氧化氢要分解、氧气还有一部分溶解在水中……这些都是得不到的氧气。实际得到8g氧气的话，真正消耗过氧化氢的质量应该超过理论计算量。

[反思2]将例题2中的“足量的稀盐酸”改为“10mL含2g HCl的稀盐酸”计算结果是否会改变？请你结合实验现象说明理由。（学生对这个问题感到突然，大家不敢讲话了。）

[教師引导]某同学叙述的哪个实验现象说明反应物的用量？

[学生]计算结果不变，因为黑色固体消失说明氧化铜完全反应掉了，盐酸是过量的。（一位同学举手回答，全班响起了掌声。）

设计意图： 通过演示实验让学生观察到0.4g CuO全部消失，要求学生根据氧化铜的质量计算生成的CuCl2的质量，在盐酸中的HCl这个反应物上进行了变式思考，先是足量盐酸，再改成20mL含4g HCl的稀盐酸，并且与化学反应的现象和练习2的计算结果相联系，学生较容易理解在遇到多个数据时如何选择。

通过以上有实验背景的计算，学生不难从真实的“数据”中理解“真实的化学”，从而建构有意义的深度学习。

综上所述，“依据化学方程式的计算”实质上也意味着化学计算的重点并不在单纯的数字运算方法上，而是对化学概念、原理以及物理量关系的理解上。关键是看学生能否真正理解这类问题的化学意义并找到比例关系，即能否找到化学反应中的相关物质，以及已知量和未知量之间的对应物理量关系。只有理解了建立在质量守恒定律上的化学方程式中各种质和量的物理量关系，才能依据条件选择适当的代数关系进行计算[5]。

总体而言，这节课在充分把握教材的逻辑顺序、学生的认知顺序和心理发展顺序的基础上，通过创设真实和实用的情境，构建了实验和计算有机融合的个性化课堂，还原了化学计算的本质。整节课突出了“依据化学方程式中物质之间的质量比关系”，通过有目的、有计划地对问题进行合理的转化，让学生从不同的角度、不同的侧面去认识化学反应中各物质的质量关系，在理解中学习，从而形成了一定的迁移能力，取得了良好的教学效果，为以后化学计算素养的提升奠定了基础。

参考文献：

[1]汪朝阳，肖信.化学史人文教程[M].北京： 科学出版社， 2010： 19.

[2]王祖浩，王磊主编.全日制义务教育教科书·化学（九年级上册）[M].上海： 上海教育出版社， 2012： 107～108.

[3]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准[S].北京： 北京师范大学出版社， 2011： 27.

[4]杨砚宁.巧设实验 让经典焕发新意——“化学反应中物质的质量关系”课堂实验教学设计分析[J].化学教育， 2016， 37（11）： 66～68.

[5]杨玉琴.化学计算的学科本质及其教学[J].化学教学， 2013，（10）： 6～9.