指向学科能力的化学试题对教学的启示*——对温州市初中学业水平考试科学试卷中“化学方程式计算题”的分析

翁庆双 胡声伟

（1.瑞安市教育发展研究院 浙江 温州 325200；2.瑞安市飞云中学 浙江 温州 325200）

学科核心素养的实质是学生顺利完成学习理解、应用实践和迁移创新的学科认识活动和问题解决活动的稳定的心理调节机制，即学生的学科能力。［1］定量计算能力是初中科学学科核心能力的构成要素之一，化学方程式计算是定量计算中的重要组成部分。

在依据课程标准命题的背景下，考试不再是缺乏“人与发展”的狭义评价。课程标准是一个完整的评价体系，能让考试有机地融入到教育之中，成为教育过程中的重要一环。［2］温州市初中科学学业水平考试重视对学生学科核心知识、基本技能和科学思想、方法的考查，全面考查学生的科学学科核心素养。化学方程式计算所涉及到的知识和能力是初中科学学科核心素养的重要组成部分，在近5年的学业考试中，化学方程式计算的考查都是重点内容。

一、化学方程式计算的考查评价方式与特征

在每年的学业水平考试中，化学方程式计算的试题不断推陈出新，但它们都具有鲜明的共同特征。

1.试题突出对学科核心素养的考查

从试题三要素的角度看，它们具有如下特点：

（1）考查目标相同。考查目标是对考核内容的方向性思考和把握。近5年的试题以课程标准为命题依据，考查目标相同。从知识目标看，试题考查的内容是：知道化学方程式的意义、能根据化学方程式进行生成物和反应物之间的计算。［3］从能力目标看，化学学科能力包含学习理解、应用实践和迁移创新三个层次。［4］学习理解考查学生对基础性内容的理解，应用实践考查学生应对简单变式、利用知识解决常见问题的能力，迁移创新考查学生对真实复杂问题的解决能力以及创造性思维的能力。［1］试题主要考查学生迁移创新的能力。

（2）试题情境有效。整理近5 年温州市学业水平考试卷中“化学方程式计算题”的情境（见表1），具有如下共同特点：

表1 近5 年温州市学业水平考试科学试卷中“化学方程式计算题”试题情境汇总

①真实性：情境源于真实的生产生活实际、科研或实验。②适切性：符合学生的阅读习惯和认知特点。③思想性：隐含解决问题可以迁移的思想方法。④关联性：与设问关联程度高，目标指向明确。

（3）设问指向明确。化学方程式计算题中多涉及物质成分的变化，需要提供多种形式的信息。试题合理设置问题指向、详细说明相关操作及影响、建立数据之间的联系，让学生分析信息，完成相关计算。

2.试题立足高水平学科能力的考查

学生定量化能力的形成和发展是一个由简单到复杂、由基础到综合、由具体到抽象的过程，它经历了从低水平到高水平的学习进阶：认识概念或符号中所蕴含的数量关系→直接运用数量关系进行简单计算→整合或转换数量关系进行综合运算→运用科学思想方法进行复杂运算。［5］由此构建根据化学方程式计算的“学习进阶”构架（见图1）。

图1 根据化学方程式计算的“学习进阶”架构

例1：温州2021-31（1）（2）

“化学氧自救呼吸器”是一种在缺氧环境中通过制氧剂临时供氧的装置。制氧剂的主要成分是超氧化钾（KO2），产生氧气的主要原理是超氧化钾与人体呼出的水汽反应，其化学方程式为：4KO2＋2H2O＝4KOH＋3O2↑。制氧剂中其他成分不能生成氧气。

（1）小明设计化学氧自救呼吸器时，为确定制氧剂的用量，除了查阅人体每分钟呼吸次数外，还需了解哪些与人体呼吸相关的数据？▲（例举一个）。

（2）若该呼吸器需为使用者提供48 g 氧气，则至少需要含超氧化钾80%的制氧剂的质量是多少？

“化学氧呼吸器”在特殊人群日常保健和矿井急救中都有重要作用，本题的解答是真实情境下的问题解决过程。在实际制作过程中，使用者的用量决定了装置的大小和结构，（1）（2）小题分别从不同角度考查化学方程式计算的相关要素。学生需要运用科学思维，综合应用各类方法和知识进行问题分析，该题属于水平4 的能力要求，这也是近5 年试题共同的特征。

二、根据化学方程式计算的现状与成因分析

中学生学习根据化学方程式计算，是从量的角度丰富和完善对物质的组成、性质和变化规律的认识。［6］从学生试卷答题情况出发，可以了解学生根据化学方程式计算的能力现状。

1.答题情况反映学科能力不足

近5年试题的难度值处于0.42-0.65之间，学生的答题情况亦有规律可循。

例2：温州2020-32（2）

工业纯碱中含少量氯化钠。兴趣小组分别采用不同的方法测定工业纯碱样品中碳酸钠的质量分数。

（2）方法二：沉淀法。称取15 g 样品完全溶解于水中配成60 g 样品溶液，取三个烧杯分三次进行实验，每次加入30 g 氯化钙溶液充分反应，过滤、洗涤、干燥所得的沉淀质量记录如下表。

计算样品中碳酸钠的质量分数。

在学生的错误答案中，“将2 g（或4 g、6 g）等沉淀的质量数据代入计算，并根据计算结果得出相应的质量分数”和“将任意沉淀质量数据代入计算并得出相应结果”最具代表性。可见，大部分学生会利用化学方程式进行简单计算，但并未达到迁移创新的学科能力层次。很大一部分学生的能力停留在水平2和水平3，即他们已经基本达到了知识目标，却未能完全达到能力目标。

根据化学方程式计算的学习进阶架构（见图1），将温州市学业考试试题进行层级拆分，并用试题对不同年级学生进行能力测验。测试数据表明，从学生能力水平角度看，绝大部分学生能达到水平1和水平2，约80%学生能达到水平3，而能达到水平4 的学生大约只有一半。所以学生的根据化学方程式计算的能力较低，只能对知识进行较低水平的输出。从学生能力发展角度看，能达到水平1 和水平2 的学生数量随着学习时间的增长有明显增加，而达到水平4（较高水平能力）的人数增长不明显。可见学生从开始学习化学方程式到参加初中学业水平考试的时间里，根据化学方程式计算能力并没有得到有效提升。

2.学习方式反映传统定位有不足

（1）不同学段的教学现状。以八年级下学期学生为访谈对象，了解到教师在根据化学方程式计算的新课教学中最主要的教学形式是，以例题解答为线索进行计算流程讲解，只有近一成课堂中是以解决一个具体问题的形式进行。绝大多数学生表示，在九年级下学期的复习课中，这部分内容的复习基本上以练习、讲解为主要形式。在为数不多的专题复习课中，包含了情境创设、真实问题解决等要素，但这类型的教学方式所占比例极低。

可见，绝大部分老师认为根据化学方程式计算只是一种技能，将它看作通过练习即可掌握的技能，反映在教学实践中是过多地强调模仿和练习。受这种认识的影响，教师往往将计算过程归纳为“设、写、找、比、算、答”六个基本步骤，让学生模仿并反复练习。［6］这种做法只能使学生暂时熟练计算技能，而不能从定量角度研究物质变化，缺乏深层次的理解。

（2）现状和需求存在差距。课程标准要求“能根据化学方程式进行生成物和反应物之间的计算”，意味着根据化学方程式计算的重点不在于数字运算，而是对概念、原理以及量的关系的理解。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。［5］

根据化学方程式计算并非是“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、有方法地认识和操作的共同体”。根据化学方程式计算是一种能力，它是基于科学知识，运用数学方法解决物质变化中“量”的问题的能力。

由于根据化学方程式计算的传统定位和学科本质之间的差距，形成了学生的学习方法和实际需求之间的矛盾，处于计算规则和技巧的练习状态。这种机械式练习将根据化学方程式计算固化为某种格式，学生能力长期停留在较低水平层级。

三、基于学科能力发展进阶的教学样式建构

基于对根据化学方程式计算学科本质的理解，结合其学科能力的层级进阶架构（见图1），在不同的学习阶段可采取不同的教学样式，尊重学生循序渐进的学习规律（见图2）。

图2 根据化学方程式计算能力进阶的教学样式

1.凸显学科思维的模型建构

水平1和水平2是根据化学方程式计算能力进阶的基础，各能力层级都需要正确认识科学语言背后的含义、深入理解物质变化过程中的质量守恒。其中包含物质变化过程中独有的学科思维特点：从宏观实验现象入手，在分子、原子等微观层面上建立描述，认识物质反应实质的模型，最终建立宏观和微观反应过程的有机联系。

根据化学方程式计算涉及化学式、质量守恒定律、相对分子质量等多个核心概念，因此，在八年级下册新课学习过程中，以核心概念模型建构为教学重点，使之与学科思维特点相适应。

例3：质量守恒定律的教学

质量守恒定律，既有质量的改变，又有原子排列方式的变化，可以引导学生从动态角度认识物质。本节课采用实验和思考相结合、实物与模型相匹配的教学方法（见图3），从宏观到微观、从现象到本质，帮助学生自主建构化学反应的模型。

图3 “质量守恒定律”教学流程

2.立足过程参与的探究教学

从水平2 到水平3 的提升需要表格、图像等素材的支持，真实性是有效素材的必备要素。在九年级上册酸碱盐等物质性质的学习中，涉及到多种有特点、有代表性的化学变化。以物质间的具体反应为素材背景，进行根据化学方程式的计算，在数据的获取中不仅能深入了解物质的性质，亦能实现能力水平的递进。

例4：酸和碱的反应

盐酸和氢氧化钠的反应是学生较熟悉的化学反应之一，他们已经能较熟练地分析盐酸与氢氧化钠反应中物质种类变化和质量比等。以此反应为背景，进行数据计算。

粗略计算。向滴有酚酞的氢氧化钠溶液（已知浓度）中逐滴滴加稀盐酸，记录现象如下，计算稀盐酸的浓度。

精确计算。利用精确度更高的酸度计测量溶液的pH，将数据绘制成图像。学生根据图像中的信息进行相关计算。

3.指向深度理解的任务设计

学生的思维达到水平3 后往往会进入能力提升的“瓶颈期”，这便需要教师统筹规划，引导学生实现所学知识从碎片化到结构化的进程，实现能力的升华。

主题任务是学习的一种形式，是在学习内容和学情分析的基础上，围绕主题将一系列相互关联的学习任务按一定逻辑主线排列的一种学习过程。它利用主题任务对学习内容进行统筹规划和深度加工，并根据一定逻辑有序地开展学习活动，从而推动学生主动思考，使学生在交流合作和探索实践的同时不断加深对科学本质的认识，实现由浅层学习向深层学习的转化。围绕任务主题开展教学活动的流程见图4。

图4 任务主题的教学流程

例5：“气体制取”复习课

以温州2019-33 试题为背景，设置复习情境：在氧气性质学习的过程中，实验室需要提供较多氧气。以此为任务主题，分解为以下四个子任务（见表2），以过氧化氢溶液制取氧气为任务情境，展开复习。

表2 “气体制取”复习课的主要任务

根据化学方程式计算是从量的角度认识物质变化，是学科能力指导下陈述性知识、程序性知识和策略性知识的综合应用。本文正确定位，聚焦能力的进阶过程，关注学生的学习历程，以情境为媒介，用适时适量的定量计算让学生的科学思维变得更丰富、更活跃，同时让学生从中体验并收获运用数学手段解决科学问题的快乐，感受到科学思维的精巧，促进学生学科能力的有效提升。