“数据分析”在化学学习中的功能及教学思考

何双安

摘要：  通过对“数据分析”类高考试题的功能评价，从课程层面厘清“数据分析”在课程内容要求中的功能，梳理教科书中部分“数据分析”内容的呈现方式，由下到上循序渐进，体现学科观念形成的阶段性。基于知识的认识功能理解“数据分析”在证据推理等核心素养发展中的重要作用。从教学层面，提出如何促进学生定量意识形成、建构“三重表征”思维模型以及避免认识偏差的教学思考。

关键词：  数据分析; 证据推理; 定量意识; 教学思考

文章编号：  1005 6629（2022）08 0093 05

中图分类号：  G633.8

文献标识码：  B

数据作为信息的主要载体，在定量研究中处于核心地位。从化学教学的角度来看，2020版新教材提供了大量的图像、表格类的数据，以人教版选择性必修教科书《物质结构与性质》为例， 共有元素的电离能、电负性、共价半径，共价键的键长、键能，不同羧酸的pKa，某些分子的范德华力，某些共价晶体的熔点和硬度等14个数据表格，为学生发现变化趋势、分析原因、解释现象、选择生产适宜条件等提供了很好的学习素材。在教学中教师应充分发挥数据应有的功能，引导学生分析、处理数据，提高获取信息、证据推理的能力。

1 解读评价高考化学“数据分析”类试题的学科功能

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）的颁布，教、学、评的视角从基于化学知识点转向基于核心素养的发展。证据推理是化学学科核心素养的重要内容之一。证据可能是某种确定的事实或者抽象意义的知识，也可能以数据的形式呈现。近年来高考命题以“素养”立意，基于“定量分析”亦或“量”证据推理的试题在高考试卷中频频出现，以2022年1月浙江高考化学27题（节选）为例：

某学生设计实验确定Al（NO3）3·xH2O的结晶水数目。称取样品7.50g，经热分解测得气体产物中有NO2、 O2、 HNO3、 H2O，其中H2O的质量为3.06g; 残留的固体产物是Al2O3，质量为1.02g。计算 ： x=      （写出计算过程）。

如何理解该高考试题的学业质量评价功能？有的教师认为这是一个计算题，计算结晶水的数目，考查学生的计算技能;也有教师认为要依据反应前后Al元素的守恒来列式，因为结晶水中的氢元素加热分解后部分进入硝酸气体产物中，考查学生元素守恒观及计算技能。这两种认识都只是关注知识技能以及解题方法，还不具备新课标的评价功能。如果能从学科本原上理解，这是定量测定实验收集的三个数据，需要进行数据的合理筛选，考查学生实验探究中数据的处理及计算能力，这样就有了学科的功能;如果进一步从课程目标进行解读，本题以宏观质量的变化探究微观组成，是基于“量”证据的计算推理，试题就有了考查学生化学学科核心素养的功能。这样就上升到课程的视角认识“数据分析”。

显然，一道外表特征是化学计算的高考试题，对其解读间接地映射出了一種认识状况。许多教师主要是关注教什么知识，对教什么背后形成的逻辑缺乏深层次的理解，更多关注的是教学领域问题，而较少关注课程领域的问题[1]。因此，从课程出发，回归对学科教学的本原性认识，根植于教师的教学实践，其重要性不言而喻。

2 厘清“数据分析”在化学课程学习中的要求与功能

新课标在内容要求上规定了学生应学习的内容，还在学业要求中有预期学生在学完主题内容后能做什么、有何素养能力表现、达到何种质量的描述。

2.1 从课程内容的表述明确所要学习的知识及其要求

关于必修主题1新课标在内容要求上的表述： 认识化学科学研究需要实证与推理，注重宏观与微观的联系。了解物质的量及其相关物理量的含义和应用，体会定量研究对化学科学的重要作用。基于证据进行分析和推理等对于科学探究的重要性……[2]。

从表述中可以发现，“数据分析”是科学探究过程中对物质的组成、性质和变化规律的“量化”过程，其本质内涵是定量研究物质组成及其转化的数学处理过程，体现它的计量功能。它是帮助学生理解化学概念、逐步建构化学观念的有效途径。

奥苏伯尔指出： 在有意义学习中，新的学习总是建立在原先的学习基础之上的，而后继的学习又可以巩固和加深原先的学习。教材中部分“数据分析”内容各个层次上彼此关联的观念由下到上循序渐进的组织，如图1所示。

从图1可以清晰地看出各阶段学科观念的发展。初中阶段主要从宏观和微观两个视角理解三个概念的意义，理解质量守恒定律，并从“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。如化学式是用元素符号表示纯净物组成及原子个数比的式子，隐含着化合物中各元素的质量比及某元素的质量分数的意义;而化学方程式是用化学式表示化学反应的式子，反应前后元素守恒，通过化学式的相对分子质量或相对原子质量的计算揭示化学反应中各反应物与生成物之间的质量关系。高中阶段通过定量探究物质的组成、结构及其变化的认识活动和实践活动，使学生体验科学论证过程，提升证据推理能力。

2.2 从知识的认识功能理解“数据分析”的素养发展功能

科学探究中的“数据”可以来自实验或文献资料，新课程教材中也提供了大量的表格和数据，这些“数据”成为知识内容的一部分。知识具有的认识功能包含认识角度、认识路径、推理判据。正是因为知识的这些认识功能，所以具有核心素养的发展价值[3]。

2.2.1 概念形成与应用中的“数据分析”

从认识角度看，借助可视化的宏观现象分析微观本质是化学学科最具特征的思维方式。如浓硫酸的沸点很高（338℃），这与硫酸分子结构中含有两个—OH有关，由于形成分子间氢键而高度缔合，表现为难挥发性和外观粘稠状;阿伏伽德罗定律的认识路径： 决定气体体积的因素有气体分子数目、气体分子大小、分子之间的距离→气体中分子之间的距离远大于分子本身的大小→气体分子数目、分子之间的距离是气体体积的决定因素→同温同压下，不同气体分子之间的距离相等→同温同压下气体体积取决于分子数目。在隐含的数据分析中建立起了概念。

物质的熔点在初中科学中是通过实验建立起的概念，高中的学习要上升到构成物质的微粒作用观来理解熔点的概念。通过熔沸点数据分析，从宏观和微观相结合的视角分析与解决实际问题。图2为基于熔沸点数据解决实际问题的认识路径。

显然，“数据”作为“量”的证据具有解释功能，揭示数据背后隐含的微观本质，可发展学生的证据推理素养。

2.2.2 定量分析实验中的“数据分析”

“强酸和强碱滴定”测量溶液浓度是新课标中明确规定的学生必做实验，人教版教材设置的“方法导引”栏目，以便从实验中提炼更上位的“定量分析”的思想和方法。

水溶液中酸碱反应本质H++OH- H2O是学生学习酸碱中和滴定的认識基础。需要引导学生思考： 需要测定什么量？实验已知量是什么？理解宏观现象要观察什么？如何观察？揭示化学反应体系内离子浓度变化的微观本质，建立起应用离子反应进行物质检测的定量分析方法的认识。经历以下认识路径： 强酸强碱中和滴定→溶液中H+或OH-浓度变化→测滴定过程中的pH→坐标描点→滴定曲线;对滴定曲线图的模型认识，比较数据特点、pH变化趋势， 发现其规律;找到“溶液pH的突变及指示剂颜色变化”是反应已完全的判据（宏观），得出反应达到终点的推理，至此获得滴定消耗标准溶液的体积，计算出待测液的物质的量浓度。

从学科素养发展功能上来看： 一是可以实现知识的迁移。酸碱中和滴定实验，学生初步建立起处理定量实验问题的思维模型，并迁移到氧化还原滴定，从溶液浓度测定拓宽到物质中元素、离子等成分含量的测定;二是有利于学科核心素养的发展。“能用数据、图表、符号等描述实验证据并据此进行分析推理形成结论4-3”，这是学业质量评价“证据推理与模型认知”素养水平的最高等级。

3 促进学生定量意识形成避免认识偏差的两点建议

3.1 设计“元认知知识”学习策略促进定量意识的形成

定量类化学概念是定性概念的自然延伸和发展，其形成是以学生对其研究对象有一定感性认识的积累为基础的。

“某物质在氧气中燃烧，只生成二氧化碳和水，则该物质中一定含有什么元素”“某物质和二氧化碳反应只生成碳酸钠和氧气，则该物质中一定含有哪些元素”这两个问题，并没有数据显示，但隐含了定量分析推理的过程。前一个问题是研究有机物分子组成时的一个经典问题，解决该问题的模型是质量守恒定律。根据产物判断该物质一定含有碳、氢两种元素，还可能含有氧元素。后一个问题，学生很自然得出“只有钠元素一定存在”的错误结论，之所以会丢失氧元素，可能原因有： 一是受前一问题的负迁移;二是学生缺乏从“量”的视角分析事物变化的直觉思维（物质定组成观念），即定量意识的缺失。为改变这种状况，通常在问题一之后，及时进行教学跟进，见表1。

常态教学中常用方法1进行跟进，但教学效果甚微，这是为什么呢？笔者认为，方法1的设计是按照“程序性知识”进行教学，学生没有形成元认知。方法2按照元认知知识进行教学，基于课程目标“能解释证据与结论之间的关系，形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径”设计，可以引导学生思考实验需要测量哪些数据、如何测量等问题。充分利用实验方案所呈现的有关“量”的证据，提升学生对于“量”的敏感性[4]。从定性感知走向定量描述，从元认知出发促进学生形成自动化的“量化”思维习惯。

3.2 建构相互联系的“三重表征”思维模型促进定量思维的发展

随着化学知识内容的深入，容易出现将化学方程式等同于化学反应的过程，将所有反应都当作基元反应处理的认识误区。为此，将知识进行结构化方式的认识，如图3所示。

以热化学方程式的符号表征为中介，把宏观的放热、吸热现象与微观世界的微粒运动联系起来，即化学键的断裂、生成是化学反应中的焓变的本质原因，通过数据分析，实现三重表征的意义建构。但热力学研究不涉及时间，即不涉及速率及反应机理。对比化学反应的焓变与反应进程中能量变化图之间的本质区别，建立起化学反应是有“历程”的认识，以反应历程图作为认知模型，几个基元反应就包含几个“能峰”，“峰”的高低表示活化能的大小，从而建立起“活化能”概念、活化能数据仅对基元反应具有物理意义的认识[5]，避免产生认识误区。

总之，从培养“量”的意识到发展“量”的思维，这样形成的“定量观”是对学科研究对象及研究过程的本原性认识，具有超越课堂时空的持久价值和迁移价值。

参考文献：

[ 1 ] 王伟. 高中化学教师学科理解水平评价研究[D]. 武汉： 华中师范大学博士学位论文， 2021.

[ 2 ] 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.

[ 3 ] 王磊， 魏锐. 学科核心素养发展导向的高中化学课程内容和学业要求——《普通高中化学课程标准（2017年版）》解读[J]. 化学教育， 2018， （9）： 48.

[ 4 ] 薛青峰. 在实验教学中促进学生定量观建构的实践与思考[J]. 化学教学， 2020， （9）： 60.

[ 5 ] 吴星. 中学化学学科理解疑难问题解析[M]. 上海： 上海教育出版社， 2020.