核心素养视域下中学化学计算教学的再思考

摘要： 中学化学计算教学应定位于以帮助学生理解物质的组成、结构、性质以及物质之间的转化为目的，建构定量研究化学物质及转化的基本思维方式。定量类化学概念是化学计算的载体和依据，准确理解和建构定量类化学概念是化学计算教学的重要内容。从化学定量概念自身发展的思维路径、教材组织的建构方式和问题解决的支撑系统三个视角以案例形式探讨了定量类化学概念的特点和教学思路。

关键词： 化学计算; 定量观; 定量类化学概念; 核心素养

文章编号： 1005-6629（2020）02-0042-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

化学计算是中学化学的重要教学内容之一，在《普通高中化学课程标准（实验）》中，它被列为一个独立主题，与化学实验、基本概念与原理、元素化合物以及有机化学相并列，被定义为一种化学学科知识和学科技能;而对接于核心素养的《普通高中化学课程标准（2017年版）》中[1]，化学计算被定义为一种研究化学物质及其变化的方法和手段，强化了它的计量功能。核心素养强调的是“内涵发展”和“学习力”的提升，因此基于核心素养的化学计算教学是一个在学科观念引领下的定量类化学概念的建构过程，也是一个学科原理定量理解的应用过程。本文仅从定量类化学概念的建构视角谈谈核心素养视域下中学化学计算教学的认识与思考。

1  定量视角下化学计算的理解

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）在课程性质中规定“化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础性学科……”。从中可以看出化学学科的研究对象是“物质及其转化”，探寻“物质及其转化”的基本规律和建构“物质及其转化”的科学理论是化学科学认识活动中的两大基本任务。化学计算应服务于这两大基本任务，因此化学计算的本质内涵应该是定量研究物质及其转化的数学处理过程，是对物质的组成、结构、性质和变化规律的“量化”过程。中学化学是化学学科的启蒙和基础教育阶段，故中学化学计算教学应定位于以帮助学生理解物质组成、结构、性质以及物质之间转化为目的，建构起定量研究化学物质及其转化的基本思维方式。

同时新课标还指出“其特征是从微观层面认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质”，也就是说“宏观—微观—符号”三重整体认知是化学学科的基本认知方式，从这个角度看化学计算也是一种定量观视角下的基于“宏观—微观—符号”三重关系理解基础上的化学认识活动，其中宏观定量和微观定量是符号表征定量视域下的两个重要内涵，但符号表征下的宏观定量和微观定量如果离开了物质的量这一媒介，那么宏观定量和微观定量就变成了两个孤立的观察视角。当引入了“物质的量”概念后，它将宏观定量与微观定量进行了有机的统一，“宏观—微观—符号”三重定量表征才得到完美整合。因此物质的量是定量研究化学的重要媒介和工具（见图1）。

新课标在“学科核心素养与课程目标”中提出，“能从内因与外因、量变与质变等方面较全面地分析物质

图1  定量观视角下的“宏·微·符”关系

的化学变化，关注化学变化中的能量转化”（属于素养2之水平2）、“能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径”（其中定性分析与定量计算相结合属于素养3之水平3）。因此，中学阶段的化学计算不应单纯地理解为化学基本技能，而应理解为一种定量探究物质组成及其变化的认识活动和实践活动，是培养学生化学核心素养的重要途径之一。

化学计算是定量研究化学问题的数学处理过程。根据化学研究的对象（物质及其转化）可知，中学化学计算的主要形态有状态类（物质）和过程类（转化）两种形式，所谓“状态类”计算主要是指确定某物质在一定状态下的组成、结构和性质，如物质化学式的确定、混合物组成的测定、溶解度相关计算等;“过程类”计算主要涉及物质转化过程中能量变化和物质变化（条件、趋势、快慢和结果等），而化学反应速率和化学平衡既属于状态类又属于过程类，当然实际情况更多的是两类计算的相互融合（如图2所示）。

图2  中学化学两类计算形态之间的关系

2  关注定量类化学概念的建构和理解

在定量研究的过程中，为了有效表征定量研究的方法、过程和结论，必须建立相应的学科概念，这类概念都具有“量”的属性，如溶解度、不饱和度、浓度、化学反应速率等，我们将其称为定量类化学概念。从化学计算过程看，化学计算可以理解为运用定量类化学概念解决相关问题的过程，因此定量类化学概念是化学计算的载体和依据，准确理解和建构定量类化学概念也是化学计算教学的重要内容。

2.1  厘清定量类核心概念自身形成和发展的思维路径

定量类化学概念的出现是化学研究从定性上升为定量的必然结果，它是定性概念的发展，因此，在进行定量类化学概念教学时有必要对其形成和发展的思维路径进行梳理与剖析，找出建构该核心概念的基础性概念。图3是定量概念“溶解度”与“溶液浓度”形成和发展的思维路径。

“溶解度”是中学化学非常重要的一个定量类概念，它是衡量某物质在某溶剂中溶解能力的指标。“溶解”是“溶解度”形成的原始概念，“溶解性”是“溶解度”形成的基础性概念。以“溶解”为起点，在分析“溶解过程”时就形成了“溶解能力”的研究内容，在“溶解结果”的表征中形成了“溶液组成”的研究内容，这两部分知识相辅相成、相互伴生;在定性到定量的研究过程中，衍生出两个重要的定量类化學概念——溶解度和溶液浓度，因此溶解度概念的建构必需以溶解性概念以及影响物质溶解性大小（即溶解能力）的因素为基础。

2.2  厘清定量类核心概念建构过程的教材处理方式

定量类化学概念是定性概念的自然延伸和发展，因此这类概念的形成是以学生对其研究对象有大量感性认识积累为基础。教材在建构这类概念时一般在概念建构之前会设置大量的事实让学生在潜移默化中感受概念建立的必要性[2]。图4是化学反应速率概念的建构过程。

图3  定量观视域下物质的溶解性与溶液组成进阶图示

图4  中学教材中化学反应速率概念的建构过程

化学反应速率是一个定量研究化学反应快慢的概念，在建立该概念之前，让学生意识到化学反应速率是研究化学反应时一个非常重要的参数，是很有必要的。为此初中教材（人教版）在“我们周围的空气”单元教学中就通过实验对比[3]，让学生在感性层面上意识到化学反应有快慢之别，并体会到化学反应的快慢是可以改变的;在后续的教学中又通过爆炸、溶液中的反应等大量事实让学生进一步体会到反应温度、反应物微粒之间的接触情况都能影响反应的快慢，在此过程中潜移默化地让学生形成化学反应速率的初始概念。当学生积累了大量的与化学反应速率相关的事实性知识后，如温度越高、溶液的浓度越大、反应物接触面积越大，反应就越快。此时在学科认知层面上，表征化学反应速率概念的条件已经成熟，再结合高中学生的认知心理特点，教材以任务型学习为基点，通过概念的表征与理解来系统建构化学反应速率的概念，为运用概念解决问题奠定了坚实的理论基础。

2.3  厘清应用定量类核心概念解决化学计算问题的支撑系统

任何一个化学概念都不是孤立存在的，它会与其他概念存在直接或间接的联系。厘清核心概念与其他相关概念或其衍生概念之间的联系是理解核心概念内涵与外延的关键。除此之外，定量类核心概念与其他相关概念之间的关系还需要从“量”的角度去思考，这是运用定量类核心概念解决化学计算问题的必要条件。

例如依据化学方程式进行计算，其核心概念是化学方程式，运用化学方程式解决有关化学变化中的计算问题是定量研究化学问题的核心教学内容之一，它需要从“量”的角度理解元素符号、化学式与化学方程式三者之间的联系，并能从宏观和微观两个视角理解三个概念的意义，能用“物质的量”将宏微两个视角统一起来，这些都是运用化学方程式进行计算的必要知识和方法。我们可以用图5来理解化学方程式与其他相关概念之间的关系。

图5  根据化学方程式计算的知识结构和支撑系统

3  结束语

我们不能把化学计算教学简单地理解为化学计算题的教学，也不能将其简单理解为化学计算方法的传授或化学计算技能的训练[4]。从计量视角理解化学实验、从定量视角理解化学过程是化学计算教学的指导思想。化学计算教学可以理解为在学科观念指导下，理解数据变化背后的化学原理、运用化学定量概念、融合数学思维，以获取化学定量问题研究的结果或结论为目的的分析推理的过程。在化学计算教学过程中，应进一步强化学生对学科概念原理的理解，提升學生的学科综合素养，从而形成解决学科定量问题的基本思维方式和技能。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学2[M]. 南京： 江苏凤凰教育出版社， 2015.

[3]王晶主编. 义务教育教科书·化学（九年级上下册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[4]薛青峰. 图示教学法在化学概念复习教学中的应用[J]. 中学化学， 2017， （2）： 1～2.