基于真实情境的化学计算教学设计与实施

李小静

摘要：以我国提出的“碳达峰”“碳中和”的基本目标与达成途径为线索，创设真实情境进行“纯净物中元素之间的质量关系”的教学，让学生在解决问题的过程中体验到定量研究方法在化学研究中的重要作用，理解化学计算的应用价值。

关键词：真实情境：化学计算；质量关系

文章编号：1008-0546（ 2022 ）11x-0038-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.11x.010

一、问题的提出

化学计算是初中化学教学的重要组成部分，在初中化学教学中占有重要地位。但由于对化学计算的定位不准，初中化学计算教学中存在的普遍现象是：教师把化学计算当成基本技能教学，使得教学过于模式化、程序化，过分重视计算格式的练习，却忽略化学计算的本质及意义。学生也习惯通过“依葫芦画瓢”式的机械训练来达到“熟能生巧”的目的，所以学生对化学计算课的普遍感觉是机械枯燥、没有化学味道。

“纯净物中元素之间的质量关系”是上海教育出版社义务教育化学课本第3章第3节的内容。《义务教育化学课程标准（2011版）》对这部分内容的具体标准为：能用化学式表示常见物质的组成；利用相对原子质量、相对分子质量进行物质组成的简单计算；能看懂某些商品标签上标示的组成元素及其含量[1]。大多数初中化学教师对本节计算课的教学已形成了固定的模式：教师展示例题→教师示范计算格式→学生模仿→教师设计练习→学生操练。为了让学生反复练习，有时教师会编出一些脱离生活实际的“假题”。一节课下来，学生记住了计算格式，却不明白为什么要计算，为什么是这样计算，没有体会到化学计算的实际意义和价值。

二、化学计算的学科本质

化学计算的学科本质是对化学问题的数学处理过程，即对物质的组成、结构、性质和变化规律的量化过程。化学计算并非是“按照一套既定规则和操作程序去完成特定任务”的技能，而是“有意识、有意义、有目的、有方法的认知和操作的共同体”[2]。由此，我们看出，化学计算的重点不在数学运算方法和格式上，而是对化学原理、化学计量的关系的理解。这就提醒教师在化学计算教学时，要从单纯的“数学运算”中解脱出来，将化学计算融合在真实情境中，让学生明白“为什么要计算？”“怎样计算？”，通过计算教学让学生建构定量的意识，培养化学计算能力，明白化学计算的价值，从计量的角度提升学科核心素养。

三、教学设计与实施

如何让学生在学习过程中体会到化学计算的实际意义和价值？笔者以我国提出的“碳达峰”“碳中和”的基本目标与达成途径为线索，创设真实情境进行“纯净物中元素之间的质量关系”的教学，让学生在解决问题的过程中体验到定量研究方法在化学研究中的重要作用，理解化学计算的应用意义。

1．教学目标

（1）通过挖掘化学式的定量含义，感知纯净物中元素之间的质量比是一定的，掌握依据化学式计算化合物中各元素的质量比以及化合物中某元素的质量分数的方法。

（2）初步形成对化合物的化学式进行定量处理的能力，初步学会运用观察、比较、分类、概括等处理信息的方法。

（3）通过利用化学计算来解决生活、生产、科技发展中的问题，培养勤于思考、勇于实践的精神，体会化学计算的价值。

2．教学流程

教学流程如图1所示。

3．教学过程

（1）创设真实情境，提出解决问题

[播放视频]什么是“碳达峰”“碳中和”。

[师]2020年9月，习近平主席在联合国大会上代表中国政府向世界宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”“碳达峰”“碳中和”中的“碳”指的是什么？

[生]是指二氧化碳。

[师]要实现“碳中和”，我们必须要关注二氧化碳的排放、消耗等问题，大家知道有哪些途径能产生二氧化碳？

[生]人和动植物的呼吸；煤、石油、天然气的燃烧；微生物的分解作用等。

[师]现在我们家家户户都用上了天然气作燃料，天然气的主要成分甲烷完全燃烧会产生二氧化碳。若一个家庭一个月燃烧的甲烷是16 kg，完全燃烧会产生多少质量的二氧化碳？这些二氧化碳如何处理才能实现“碳中和”的目标呢？让我们一起来探究吧！

设计意图：介绍我国提出的“碳达峰”“碳中和”的基本目标，提出要实现“碳中和”，必须要关注二氧化碳的排放、消耗等问题。以家庭燃料天然气完全燃烧为例创设真实情境，提出定量计算的问题来统领整堂课，激发学习兴趣，产生探究欲望。

（2）问题解决1：16 kg甲烷中含碳元素的质量是多少？

[展示]甲烷的分子结构示意图，如图2所示。

[师]根据甲烷的分子结构，你能写出它的化学式吗？

[生]写化学式CH4。

[师]这个化学式能给我们提供哪些信息？

[生]从宏观上看，CH4表示甲烷这种物质，还可知道甲烷是由碳、氢元素组成；从微观上看，CH4表示1个甲烷分子，还可知道1个甲烷分子是由1个碳原子和4个氢原子构成的。

[生]根据碳、氢的相对原子质量，我们还可以计算甲烷的相对分子质量：Mr（CH4）=12x1+1x4=16。

[引导归纳]物质的化学式，既有宏观的含义，还有微观的含义；既有定性的含义，也有定量的含义。

[师]1个甲烷分子中，碳、氢原子的质量之比是多少？

[生]列式计算：（12x1）：（1x4）=3：1。

[师]10个甲烷分子中，碳、氢原子的质量之比是多少？

[生]列式计算：（12x1x10）：（1x4x10）=3：1。

[師]盛满甲烷气体的集气瓶中，甲烷分子的碳、氢原子的质量之比又是多少？为什么？

[生]还是3：1，因为计算式前后分子的个数可以约去。

[师]甲烷中，碳、氢元素的质量之比是多少？为什么？

[生]还是3：1，因为元素是具有相同质子数的一类原子的总称，甲烷分子中的碳原子的质量总和就是碳元素的质量，氢原子的质量总和就是氢元素的质量，故甲烷中碳、氢元素的质量比也为3：1。

[师]相应的，1个甲烷分子中碳原子的质量分数及甲烷中碳元素的质量分数，大家能计算了吗？

[生]列式计算：

[师]强调计算格式的规范性。

[引导归纳]纯净物中元素之间的质量之比，就是该纯净物的一个分子中各原子之间的质量之比，即纯净物中各元素质量比=各原子的相对原子质量×原子个数之比；纯净物中某元素的质量分数，就是该纯净物的一个分子中该原子的质量分数，即纯净物中某元素的质量分数计算方法为：ω（元素）=该元素的相对原子质量（Ar）×原子个数×100%

化合物的相对分子质量（Mr）

[师]若一个家庭一个月燃烧的甲烷是16 kg，这相当于产生了多少质量的碳元素？

[生]列式计算：m（C） =m（CH4）xω（C）=16 kgx75%=12 kg

[引导归纳]化合物中元素的质量计算方法为：m（化合物）×ω（元素） m（元素）

设计意图：依据化学式进行计算，重点应帮助学生从宏观物质、元素、微观分子、原子四者联系的思维角度厘清内容链接，解构化合物的定比定律，使学生从知识与思维层面深入理解“纯净物中元素之间的质量关系”内容系统的逻辑关系，及其定量观的相关内涵。[3]本环节围绕问题“16 kg甲烷中含碳元素的质量是多少？”，引导学生挖掘甲烷化学式的含义，进行定量分析，从微观到宏观、个体到整体推测纯净物中元素之间的质量之比、纯净物中元素的质量分数的计算方法，形成“宏一微一符”表征定量思想和“模型认知”定量方法，同时，进一步规范学生的计算格式，培养学生良好的计算习惯，为问题解决2中计算“16 kg甲烷完全燃烧生成二氧化碳的质量是多少？”的教学奠定基础。

（3）问题解决2：16 kg甲烷完全燃烧生成二氧化碳的质量是多少？

[师]16 kg甲烷完全燃烧可生成二氧化碳的质量是多少？

[生]思考。[展示]甲烷完全燃烧的微观示意图，如图3所示。

[师]根据该反应的微观示意图，写出甲烷完全燃烧的符号表达式。

[生]写符号表达式：CH4+O2-点燃→H2O+CO2

[师]在反应中，甲烷中的碳元素最终全部转化到了二氧化碳中，这两种物质中的碳元素质量存在什么关系？为什么？

[生]化学反应前后元素的质量相等，所以甲烷中碳元素的质量与二氧化碳中碳元素的质量相等。

[师]非常好，依据这个原理，我们可以计算16 kg甲烷完全燃烧可生成二氧化碳的质量是多少吗？

[生]讲思路：16 kg甲烷中含碳元素12 kg，我们只要计算多少质量的二氧化碳中含碳元素12 kg即可，只要把12 kg除以二氧化碳中碳元素的质量分数。

[生]列式计算：

[引导归纳]根据元素的质量计算化合物质量的方法为：m（化合物）←ω（元素）-m（元素）

设计意图：本环节要解决“16 kg甲烷完全燃烧生成二氧化碳的质量是多少？”的问题，因目前学生还未学习依据化学方程式计算的相关内容，因此让学生观察甲烷完全燃烧的微观示意图，依据反应前后元素质量不变的原理进行计算，为第4章“依据化学方程式的计算”的学习打下基础，让学生感受“元素守恒思想”在化学计算中的实际应用。另外，已知化合物中元素的质量计算化合物的质量，是逆向转化的定量问题，让学生进一步形成“整体与个体关系”意识，进一步培养“模型认知”定量方法，从而突破相关的定量思想方法建构的难点。[4]

（4）问题解决3：每年因燃烧甲烷排放的二氧化碳可以转化为多少质量的淀粉？

[师]2021年全国人口普查发布的数据显示，中国约有5.2亿户家庭。假设每户家庭都用天然气作燃料，则每年因燃烧甲烷约排放多少质量的二氧化碳？（计算结果保留一位小数）

[生]列式计算：

m（C02）=44 kgx5.2x108x12=2.7xl0 11kg

= 2.7x10 8t

即2.7亿吨。

[师]在这么大排放量的前提下，我们如何实现“碳中和”？

[生]讨论：多植树造林，通过光合作用消耗二氧化碳；用其他能源代替化石燃料，用石灰浆等物质来吸收二氧化碳等。

[师]我国发明了一种新技术，可以“吃掉二氧化碳”。

[播放视频]2021年9月24日中央电视台《朝闻天下》“人工合成淀粉”。

[师]中国从二氧化碳人工合成淀粉技术被国际学术界认为是影响世界的重大颠覆性技术，这一过程只需11步反应就可完成，基本物质转化如图4所示。

[师]原来“靠喝西北风”真的能让人类生存下去。淀粉可以用化学式（C6H10O5）n来表示，二氧化碳转化成淀粉时，其中的碳元素全部转化为了淀粉中的碳元素。大家计算一下，我国每年因燃烧甲烷排放的二氧化碳可以转化为多少质量的淀粉？（提示：淀粉的相对分子质量为162 n，计算结果保留一位小数）。

[生]列式计算：

即1.7亿吨。

[呈现资料]资料一：玉米中淀粉含量（纯度）为75%；资料二：东三省一亩地可产玉米0.7 t。

[师]如果按人工合成淀粉的路徑，将2.7亿吨二氧化碳全部转化为1.7亿吨淀粉。化学教与学2022年第11期（下半月刊）

①理论上相当于多少质量的玉米经光合作用合成的淀粉？

②生产这些玉米约需要多少亩土地？

（计算结果保留一位小数）

[生]列式计算：

①m（玉米）=1.7x108t÷75%=2.3x10 8 t

②2.3x108t÷0.7 t／亩=3.3x108亩

即3.3亿亩。

[师]看到这些数据，你有什么感想？

[生1]二氧化碳人工合成淀粉的技术，不仅能消耗二氧化碳实现“碳中和”，还能帮我们产粮食，节省了很多土地，真是一举三得呀！

[生2]不仅能节省土地，还能节省大量的人力、物力、财力。

设计意图：通过视频介绍中国人工合成淀粉技术，拓展学生视野，激发学生民族自豪感，让学生体会到化学在科技进步、社会发展中的作用，培养学生学习化学的信心。另外，将化学计算问题融入到真实的情境中，一方面让学生巩固“已知元素质量计算化合物质量”的计算，另一方面让学生在解决生产、生活、科技中有关“量的问题”的过程中，真正体验到定量计算在化学研究中的重要作用，深切体会到化学计算的应用价值。

（5）总结反思提升，拓展应用练习

[师]同学们来讲一讲，本节课我们依据化合物的化学式，学会了哪些计算？

[生]归纳小结。

[师]板书并补充完善（图5）。

[师]除了学会这些计算方法，大家还有哪些收获？

[生1]了解到了我们国家人工合成淀粉的技术，这真是一项了不起的研究。

[生2]化学计算格式要规范，跟数学、物理的要求有些不一样，计算时要注意。

[生3]化学计算时，我们可以用微观、宏观相结合的方式来思考计算的方法。

[生4]化学计算可以解决很多生活、科技中的问题。

[师]布置课堂练习。

设计意图：引导学生从学习内容、学习方法与思想等方面对本节课进行总结与反思，让学生深入理解“纯净物中元素之间的质量关系”的定量思想，也进一步让学生感受到化学与实际生活息息相关，认识到学好化学计算可以解决很多生活、科技中的问题。

四、教学反思

化学计算能力是学生化学学科能力的重要组成部分，学生只有理解了建立在化学基本概念、化学基本原理基础上的各种化学符号语言所表示的质和量的关系，才能依据条件选择适当关系进行计算。[2]

本节课以“碳达峰”“碳中和”为情境主题，以“16 kg甲烷完全燃烧产生的二氧化碳可以转化成多少质量的淀粉”为计算目标，将化学计算的价值实现作为学习目的，依据认知发展线索设计3个“问题连续体”来达成计算目标。在此过程中，帮助学生厘清宏观物质、元素、微观分子、原子四者的联系，解构化合物的定比定律，形成“宏一微一符”表征定量思想和“模型认知”定量方法。学生深入理解“纯净物中元素之间的质量关系”后，能根据题目中的条件选择适当关系进行定量计算，教学过程中规范了计算格式，体现出化学计算的本质，从而让学生体会到化学计算的应用价值。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部．义务教育化学课程标准（2011年版）[s]．北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]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．

[3] 罗月旺，李珍，杨梓生．促进初中学生定量观建构的教学设计[J].化学教学，2017（5）：29-32.

[4]杨宝权，高原．基于“有意义的学习经历”的化学概念教学[J].中学化学教学参考，2018（9）：23-26.