2017版课标视域下高中化学计算教学的意义、作用与实现

王新文，龚颖潮

（1.南京市天印高级中学，江苏 南京 211100；2.南京市江宁区教学研究室，江苏 南京 211100）

2017版课程标准中对化学计算没有明确的要求，计算内容也没有规定，教材中对化学计算内容没有专门的安排，故计算教学在“难度把握”“内容选择”“教学评价”等方面均缺少必要的准则和借鉴，所以“自选动作”偏多而“随意性”较强。面对统一的课程标准，厘清计算教学的价值与作用，确立计算教学应秉持的基本教学观念，对当前计算教学及研究都至关重要。

一、高中化学计算教学的意义和作用

对中学阶段化学计算的地位和价值的认识是定位计算教学意义、获取计算教学基本观念、保证计算教学有效性的前提。新课程视域下从学科、课程及计算之间的隶属关系看，对化学计算教学所应秉持的基本观念至少需从以下两个方面认知。

（一）新课程理念——高中化学计算教学观念的基石

1.化学的含义

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。……化学在促进人类文明可持续发展中发挥着日益重要的作用。[1]

无论从课程标准还是化学的未来来看，研究和创造物质是化学的核心特征，计算在其中的地位可结合张嘉同教授在《化学哲学》中的观点具体看待，张教授将物质的组成问题、结构问题和反应问题确定为化学科学的基本问题。其中关于物质的化学式、纯度、晶体结构与密度，及围绕物质合成的“线路产率、速率限度”反应问题等均需要必要的计算。这样看来，中学计算教学应以帮助学生理解物质组成问题、结构问题、反应问题为目的，化学计算是重要的定量研究方法。

研究方法（技术）的涌现和学科理论的发展必然引起学科教学内容的更新，化学计算的内容也理应体现出学科的发展性。比如，有了pH计，复杂pH计算自然就要舍弃；“波谱”使分子结构的确定异常迅捷灵敏，自然要取代一些计算，这是化学尊重客观事实的表现。计算的“舍”与“存”随着化学实验与技术的革新而变化，新技术的应用必将舍弃一些纸笔计算手段。就是说中学化学计算教学应站在化学科学发展的前沿进行组织。如2017版课标情景素材建议指出，选取波谱、色谱、X射线衍射、飞秒化学等向学生展示化学研究技术与应用，了解这些技术的价值就有利于规避无意义的计算教学。[2]

学科理论是化学独立与发展的关键，化学计算正是理论（思想）的应用的范例之一。比如有了守恒理论的化学理解，便诞生了方程式配平及围绕化学方程式的计算等。所以，计算教学的基本观念必须站在化学的前沿，必须在了解化学发展的主要线索基础上建构。

2.新课程的性质

新课程强调通过基础性、时代性等“主动”适应学生，这就需要教学以挖掘学科独特的育人价值跟进。化学新课程强调以发展化学学科核心素养为主旨[3]，重视开展素养为本的教学，这需要教学将知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观进行有效整合，以教学促进健全的能适应未来社会发展的人为目标。所以，计算也应从社会发展的需要、学科发展的需要和学生发展的需要来合理使用教材，不应被束缚在过去的教学大纲和教材内容体系中[4]，即“计算教学”的研究不应受教学大纲的“掣肘”。

为落实化学核心素养的课程目标，计算学习应体现出自主、合作、建构，计算教学应推动学生生成自己对计算价值与方法的认知，突出“1W2H”实施过程，即“why、howtodo和howabout”。“why”指“为什么”：为何这样联结问题和已知；“howtodo”指“如何”：化学思想怎么用相应的载体、方法、程序及规范体现；“howabout”指“怎么样”：结果与反思、评价等。

（二）学科能力——化学计算教学培养的具体目标

1.高中化学计算的特点

“化学计算”不再是课程标准及考纲中的独立主题，所以也就没有了大纲中规定的明确学习内容。这决定于课标对“计算”的价值认识的导向，（参见表1）[5]。

表12017 版课程标准关于物质的量的应用的要求

物质的量的核心功用是“认识化学科学”，是具有“重要作用”的“定量研究”的方法。这和教学大纲单列化学计算的用意迥异：计算在教学大纲有“技能”倾向，在课标中则是解决化学问题的工具与方法，而且体验性学习目标指出了教学需以帮助学生建构为主，二者对教材编写及教学的指导很不相同。现行教材已将物质的量定位于化学量测提供理论和方法，为各类波谱及化学量测数据提供解析等[6]，如人教版必修1第一章第二节教材标题为“化学计量在实验中的应用”[7]，契合了化学计量学的宗旨。

遵照课标意味着一定要杜绝将计算的重心置于“计算的本身”的教学，因为没了具体规约，稍有不慎就会把化学计算技能当作知识教，进而导致走向“数学化”的计算，这并非危言耸听。

早在2001年，宋心琦在《化学学科的现状及基础化学教育改革问题》就指出：“以数学计算来代替真正的理性化，不仅掩盖了（至少淡化了）化学本身的特点……对于学生，要他们在基础化学学习期间，通过计算来了解化学和对化学产生兴趣，几乎是不可能的……常听到不少有经验的化学教师对于化学学习的过分‘数学化’所抒发的忧虑不仅表明他们有很好的化学学科本身的修养，同时表明他们已认同了现代教育学理论的基本观点。”[8]王夔在《中学理科教育中的创新教育问题》中指出，“学生把反应、性质、定义、计算方法当作唯一的绝对的东西背下来，甚至有教师要求学生按照例题计算问题。这样培养出的人很难有创新的愿望和素质。”[9]

化学计算有别于数学、物理等学科计算的特点就是“物质的量”，“摩尔是唯一一个专门针对化学量的SI基本单位，是化学计量的基础”[10]。但并非使用了物质的量的计算就能称之为化学计算，物质的量化学特色集中体现在三个方面：

首先，物质的量的意义揭示了其特色（见表2）。“微观量化”物质组成和变化规律的可行性与必要性是三套教材的导语的共同特色，从认知过程来说，逻辑清晰：物质是由微观粒子构成的（初中）→构成物质的微粒数目是可量化的→认知化学式的意义；物质间是以一定的质量比参加反应的（初中）→质量比是微粒间数量比的宏观现象→对物质的定量化分析及定量化认知变化规律。可以说，把物质的量仅作为数学符号的计算教学是“数学化”的本源，只有将物质的量用于对物质或反应从“宏观—微观—符号”定性定量思维时，才是化学计算，物质的量也才能表现出对化学的重大意义。

表2 三套现行教材关于物质的量的导语

其次，物质的量的概念是基于微观世界形成的。可以说物质的量和摩尔的提出是化学计量学诞生的必然结果，之所以说是必然，是因为建立在“当量”基础上的化学计量学必寻求对物质组成的认识，在此探求过程中，定比定律、道尔顿原子理论、原子量测定、贝采里乌斯化学符号系统、阿伏伽德罗分子假说等理论先后提出，最终原子理论得以确立和发展，化合物、纯净物、元素、分子、原子等重要概念也在此思辨过程中得以建立，可以说对原子分子理论的接受可视为“物质的量”和其单位“摩尔”的起源。[11]可见，物质的量用于化学计量之所以方便，是因为它是“宏·微”转化的桥梁，其深层价值在于获取了剖析物质组成的手段与方法，使研究分子创造分子成为可能。

第三，物质的量对微观粒子的感知想象作用具体表露了化学特色。物质质量的微观实质是什么？物质体积的微观模型是什么？微观粒子有何特点？微粒形状就是晶体形状吗？……物质的量能引导学生有效建立对微粒物理属性的感知（如图1所示）。学生通过物质的量丰富了对微观世界的镜像，具体与完善了微粒观的内涵，有助于建构起“符号”的灵动的化学意义，这是形成系统完备计算能力的基础。

图1 物质的量相关概念对微观世界的感知作用

可见，中学化学计算教学也不可狭隘地等同为解计算题的教学，就像数学教学和解数学题的教学。计算教学是为培育化学特有的思维方式，是为提高化学核心素养，解计算题的教学会过度关注“技能/技巧”的机械训练，甚至为使用技巧而将计算沦为毫无意义的数字游戏。当然计算教学不排除解计算题的教学，但只有将解计算题的教学置于计算教学的系统下来看待，解题教学的目标、组织与过程才能够和化学的含义、课标相匹配。

因此中学化学计算的基本特征为以物质的量为工具，在化学思想指导下，定量化或半定量化加工化学信息获取结论与证据，认识物质组成、结构及处理简单化学问题中数据、图表的过程与能力。

2.高中化学计算的基本计算属性

徐光宪在《今日化学何去何从？》中指出，“分子结构及其和性能的定量关系是化学的第二个21世纪难题，要大力发展密度泛函理论和其他计算方法”[12]。宋心琦在《化学学科的现状及基础化学教育改革问题》中指出：“……除去做必要的量子化学计算外，利用光谱计算某些组分的含量和推导反应动力学方程，以及常规的分子量、化学式量和产率计算等才是他们常作的计算工作。至于复杂体系的化学平衡状态、理论计算也许在书写论文时有人会加上一笔，在实际工作中，人们更相信用适当的实验方法所测定的结果，而不是计算结果。”[13]徐光宪所提的计算方法显然超出了中学化学范畴，宋心琦所述的计算现状与2003版课标和2018年考纲中的要求基本一致。

2017版课标对计算水平的要求（见表3）是置于解决实际问题的情境中来刻画的，相比2003版课标较笼统，但学业要求中有类似的内容。水平标准是极富内涵的，要解决情境问题，先要理解所给数据的意义，甚至需要自己设计实验或使用技术获取数据，再经过数据筛选、分析、加工等过程，后从定量（半定量）角度对化学问题的分析与解决提供实证、推理或结果。鉴于当前数据获取的渠道和手段随着技术的成熟和跨学科能力的提升愈发丰富和多样，使用不同设备、不同能力的人会用不尽相同的办法，未必都需要计算，这就要求计算教学必须和具体科研、生产、生活相结合，进行真实的且必要的计算。立足核心素养培育教学主旨，教学应当积极落实或开发“基本计算”。

表32017 版课标中有关计算的要求

3.学科能力——高中化学计算教学的具体指向

这里“基本”有两层含义：

第一，核心的。计算应以化学核心观念（大概念）为“圆心”，用于诊断并发展学生对化学基本观念、规律等形成的基本认识。通过计算学习，要使不同发展志向的毕业生能获得必备的定量论证能力的素养。这种“基础的、根本的、必备的”的内涵可反映为“基本题型”。

第二，典型的。计算思维与技能应体现包容性和导向性，包容性强调基于基本观念对解题思路与技能的进步抽象，表现为万变归一，导向性即引导学生做有意义的计算。通过计算学习，要能确实有助于在日常生活中合理地运用化学的量化方式处理与化学有关的各种事务。这种反映化学思维与方法的本质的内涵可解读为“基本技能和基本方法”。

“基本”不排除创新，但不以创新为目的，无须为了创新而编撰数据或技巧化，必须且应该掌握的理念、思维与方法可以借鉴过往的规定（如2003版课标），但不可奉其为圭臬。2017版课标中基于问题解决的评价，从三维目标的融合与协同突出了整体育人要求，这对计算教学也是孕育创新实践基因的。

计算教学的具体培养目标既是教学有效性的指标，也有助于教师组织及评价教学内容，计算理应强调以考查学生的科学素养和化学学科能力为主旨。杨玉琴基于化学学科本质及其特殊要求的分析，把化学学科能力要素确定为“符号表征能力、实验能力、模型思维能力和定量化能力”[14]。从直接相关来说，符号表征能力是定量化能力的基础。首先它隐含着“定量化”水平。比如常温下溶液中某离子水解的“可逆”符号一般意味着“程度小、产物少（沉淀气体成不了）”等。其次，对符号的理解水平决定着“定量化”能力与水平，如从化学式获取物质性质信息及关系的结果（如图2所示）。基于基本题型、基本技能与方法，模型思维则是引导学生建构认知方式、思维、分析及表征范式的过程目标。

基于学科能力要素可知，“定量化/半定量化”是认知物质性质、概括/刻画化学规律等的角度，它伴随着整个化学学习过程，它在宏观与微观、经验与理性中交织，它客观反映了学生的学科素养水平。学生对微粒观的建构水平、变化规律的理解层次及符号表征水平，及对数据（曲线）关系中蕴含的化学含义及规律的理解解析能力均为计算能力的重要组成部分，所以化学计算教学不是只涉及计算的教学，是涵盖化学综合素养，是指向四种能力的教学。

图2 从化学式获取物质性质信息及关系

2017版课标将化学计算作为“方法”融入创造分子的“系统”：它被稀释在“实验探究、物质与应用、反应规律及科学发展”的主题中，服务于对物质结构性质的认知，对概念原理的认知，对物质微粒性的认知及对化学符号的认知之中，成为和其他化学素养难以剥离的重要组成部分。提高计算能力就须提升学生三维表征水平。一个化学基础不好的学生，即便天天进行计算演练也难以抵达应有的高度。

基于2017版课标，中学化学计算是为了实现以量进行研究、证实或证伪的需要，主动获取数据或合理选择数据并整理加工的过程，是刻画学生学习结果具体维度之一，尽管当前纸笔测试还是以考查数据加工策略与水平和运算能力为主，想必未来改革是必然的。当前计算教学的实质是以学科理论或思想为指导，结合学习和生活实际问题以元素化合物知识为载体，以基本概念、基本理论和变化规律为思维基础，以基本计算和化学用语技能为基本技能，从物质的量的角度，促使学生对化学反应（现象）从定性和定量的结合分析和推理，其目的在于加强对概念原理的理解，在不同层面认识物质，进一步认识和掌握元素及化合物的性质及变化规律，培养和形成学生解决基本计算类化学问题的技能结构。

二、高中化学基本计算教学的实现

化学计算的有效教学应以符号描述物质及其变化为核心的三重表征思维能力为基础，针对化学计量问题，以学科思想观念为指导，理解数据及数据变化中隐匿的化学过程，融合数学思维进行分析推理及表达获取结果或结论的主动建构过程。具体落实需重视以下策略。

1.重视对变化的量化表征

要从计量视角理解化学变化，需要基于三重表征建构对变化的量化表征。“曲线表征”的核心价值就在于能引导学生通过“量变”去解释并感知“质变”，进而获得“宏微符”不同层面的结论及规律。这就需要凸出实验教学，加强对实验产生的数据或曲线的化学理解。图像是中学基本的数据呈现方式之一，图像表征是通过对反应过程中两种变量之间数量对应关系的描述，形成的反映物质变化趋势、关系及幅度等特点的线段及其组合，它以“数”和“形”相结合的形式揭示了反应所遵循的化学原理与规律，故既可以根据反应的原理做出相应的图像，也可以根据图像推理得出物质反应的原理。[15]量化表征意识和能力是学生计算能力的基础，将量化表征贯彻于核心概念、原理的教学，能引导学生体验到计量在三重表征思维形成中的工具性，并逐步转化为将量变与质变有效关联的意识、方法及策略。如有了向AlCl3溶液中滴加NaOH溶液实验的“沉淀量变”图像模型，那么解决AlCl3和NaOH相互滴加的计算问题，思路与表达就会清晰而多元，解决方法自然会灵活很多。

建构“量”的含义及多维表征，就培养了读懂数、型的化学语义的能力，自然就提升了应用的智慧。

2.突显基于核心观念的结构化

2017版课标修订要求中明确提出“重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化”，这就需要教学的结构化与之匹配。大概念就是学科核心观念，它是对物质及其变化的本质和其认识过程的高度抽象的思维产物。落实基本计算教学需要对基础知识和认知策略围绕基本观念进行融合生成，并在解决实际问题中得以完善。比如“守恒”就是对化学反应用对立统一、联系发展观点考察的认知结果，教学要先帮助学生认知守恒后再应用。如果直接跳跃到用守恒解决计算问题，会让守恒成为“空中楼阁”且体现不出计算的基本属性的内涵，而造成方法的“灌输”，从而人为地制造了计算教学的难度。

基于学生的基础知识构建守恒认知，包括知道化学视角的守恒主要有原子守恒、电荷守恒和得失守恒，了解各守恒的含义及适用背景，理解守恒是抓住“始末状态”而忽略过程分析的思维推理方法，感悟自然科学的客观规律在化学中的表述。如，能量既为一种客观存在形式，那么依据守恒可知，它在变化中也应该是守恒的。尽管化学对能量守恒没有进行刻意的实验证明，但这种逻辑思维发展了认知能力。这就是基本观念对于未知知识架构的积极意义。基于对守恒的理解，学生能意识到计算就是挖掘出化学过程中隐匿的守恒关系并利用方程的思维方式求解未知量的过程。

基于核心观念的结构化，就不会过分强调“差量法”“关系式法”等名称之别，而抓住守恒的本质进行教学。表现为“以不变应万变”而避免“学生跟着习题跑”的教学智慧。

3.落实基本题型与基本技能

江苏省2018年选修考纲在命题指导思想中明确提出以落实“立德树人”为根本任务，将学生的科学素养和化学学科能力以化学基本思想、基本方法、基础知识和基本技能为载体进行考查。基于“教、学、评”一体化，2018年考纲中示例的典型题可成为落实基本题型与基本技能的具体案例。

铁黑产品中Fe3O4的含量是判断产品等级的依据之一。某铁黑样品中混有的杂质为FeO、Fe2O3中的一种。根据国标方法进行的测定实验如下……请计算样品中的质量分数（写出计算过程）。[16]

从基本题型来看，这是以元素化合物知识为载体的关于纯度及化学式的计算。对此，从基本技能来看，需要落实有效数字处理、化学式含义、计算能力及守恒。从落实来看，应基于学生思维的解题过程，提出矫正与优化，并做好示范建模：分析建模、书写规范、表达规范。

除此外，还有针对化学平衡及溶液中离子浓度的计算试题（题略）。

从基本题型来看，这类题大都是将平衡常数隐匿在图、表中，要能据图像或表格中数据计算出来，并分析出对指定问题的结论，或像基于溶度积常数，判断沉淀先后或解决共沉淀问题。离子浓度的大小涉及定量化和半定量手段，难点在于质子守恒式的建立。从落实来看，应针对典型题型生成基本的思维及表达模式，以认知模型的建立和应用进行必要的训练，也是不难掌握的。

针对题型的教学实现重在落实“范式”，“1W2H”教学策略是学生计算思维构建与完善的范式，数据处理及表征的范式（技能）即为基本方法。万不可将基本方法绝对化，合理的表征都是可取的。学生未必选择和教师一样的“解法”，但也能走到正确的道路上来，这就是基于计算的“基本”内涵而应有的教学理念。

自然科学中的计算脱离不了解方程或方程组的简单数学思维，即解题的本质在化学过程的“变”中寻得“定”来，进而通过等式求解出未知的“数”，但化学视域下的数、图、表都是具有化学内涵的，分析论证过程当是化学内涵的关联过程，可以借助数轴、数学思维等工具进行辅助解决，但不必过分强调数学方法而脱离“化学味”，很多化学计算是不可脱离化学理解的数学运算。所以在命题和教学中都应该牢牢抓住计算的“基本属性”，不必也不可过分扩大“数学思维”与“技能”。

基于2017版课标，高中化学计算重在发展定量分析和研究问题的能力，注重对学生的思维品质和化学技能的培养，这体现了化学作为一门成熟自然科学的特点。

参考文献：

[1][2][3][5]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社,2017.

[4]王磊.理解与实践高中化学新课程——与高中化学教师的对话[M].北京：高等教育出版社，2007：29.

[6]梁逸曾,俞汝勤.化学计量学在我国的发展[EB/OL].[2018-01-15].http://www.docin.com/p-1494879205.html.

[7]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书化学1[M].北京：人民教育出版社，2007：11.

[8][9][12][13]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书化学1教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2007.

[10]李云巧.化学计量的发展历史[J].中国计量，2011（10）：91.

[11]曹英.“物质的量”概念的形成历史与科学本质观[D].上海：华东师范大学，2012.

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[15]王新文.类比思维在元素化合物学习中的价值和实现[J].教学月刊，2017（4）：29.

[16]江苏省教育考试院.2018年江苏省普通高中学业水平测试（必修科目）说明[M].南京：江苏凤凰教育出版社，2017.