美國(guó)２００５年版Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ《化學(xué)》教材中的單位教學(xué)

摘要：在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，教師常發(fā)現(xiàn)學(xué)生單位學(xué)習(xí)和運(yùn)用方面存在著較大問題。美國(guó)2005 年版Prentice Hall《化學(xué)》教材的設(shè)計(jì)對(duì)我們突破單位教學(xué)難點(diǎn)有一定的啟示，文章介紹并分析該教材中的單位教學(xué)內(nèi)容，以期從中得到一些有益的啟示。

關(guān)鍵詞：教材；單位；科學(xué)測(cè)量

文章編號(hào)：1005－6629(2008)05－0044－04中圖分類號(hào)：G633.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，教師常發(fā)現(xiàn)學(xué)生單位學(xué)習(xí)和運(yùn)用方面存在著較大問題。例如，七個(gè)SI基本單位中，物質(zhì)的量單位“摩爾(mol)”是高一學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的基本內(nèi)容之一。很多教師認(rèn)為“物質(zhì)的量”在教學(xué)中是個(gè)難點(diǎn)。對(duì)高一學(xué)生而言，物質(zhì)的量是以前從未聽過的抽象概念，理解和掌握它有很大的難度，甚至有些學(xué)生在整個(gè)高中化學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)束后，對(duì)物質(zhì)的量的理解還是含糊不清，導(dǎo)致了教師在給學(xué)生介紹這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，有些不知所措，怎么講學(xué)生都理解不了。學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)單位出現(xiàn)類似問題的原因主要有兩方面：一是缺乏對(duì)單位意義和重要性的感性認(rèn)識(shí)；二是對(duì)單位的意義及其計(jì)算缺乏系統(tǒng)性的訓(xùn)練。要突破單位教學(xué)的難點(diǎn)，需要加強(qiáng)單位的意義、單位基礎(chǔ)知識(shí)以及單位換算等方面的教學(xué)，從單位對(duì)于化學(xué)學(xué)科的整體意義方面進(jìn)行教學(xué)。美國(guó)2005 年版Prentice Hall《化學(xué)》教材[1]的設(shè)計(jì)對(duì)于我們突破單位教學(xué)難點(diǎn)有一定的啟示，文章將該教材中單位教學(xué)內(nèi)容與國(guó)內(nèi)的進(jìn)行比較分析，以期為中學(xué)化學(xué)教師提供參考。

1美國(guó)《化學(xué)》教材中單位教學(xué)內(nèi)容及特點(diǎn)

美國(guó)2005 年版Prentice Hall《化學(xué)》教材將關(guān)于單位及其換算問題編排在第3章“科學(xué)測(cè)量(SCIENTIFIC MEASUREMENT)”和第10章“化學(xué)量(CHEMICAL QUANTITIES )”內(nèi)容中[2]。“科學(xué)測(cè)量”主要由3節(jié)內(nèi)容構(gòu)成，分別為：測(cè)量及其不確定性(Measurements and Their Uncertainty)；國(guó)際單位制(The International System of Units)；轉(zhuǎn)換問題(Conversion Problems)。“化學(xué)量”也由3節(jié)內(nèi)容構(gòu)成，分別為：“摩爾：物質(zhì)的量(The Mole: A Measurement of Matter)”、“摩爾質(zhì)量和摩爾體積的關(guān)系(Mole-Mass and Mole -Volume Relationships)”以及“百分組成和化學(xué)式(Percent Composition and Chemical Formulas)”。“科學(xué)測(cè)量”內(nèi)容的介紹為“化學(xué)量”內(nèi)容的介紹奠定了很好的基礎(chǔ)。兩章內(nèi)容都系統(tǒng)地介紹了化學(xué)單位教學(xué)，達(dá)到化學(xué)單位教學(xué)目標(biāo)。“化學(xué)量”中的內(nèi)容在我國(guó)中化學(xué)教材中都能找到，而我國(guó)中化學(xué)教材中沒有與“ 科學(xué)測(cè)量”相對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，因此我們重點(diǎn)來介紹一下該美國(guó)教材中的“ 科學(xué)測(cè)量”內(nèi)容。

1.1測(cè)量及其不確定性

該教材第一節(jié)內(nèi)容從測(cè)量的角度使學(xué)生體驗(yàn)單位對(duì)于化學(xué)學(xué)科的重要性。化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，化學(xué)工作者每天在做大量的測(cè)量工作。測(cè)量是指為了確定被測(cè)對(duì)象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程。量值是由數(shù)字和單位兩部分組成。純粹的數(shù)字沒有任何意義，只有單位對(duì)其補(bǔ)充說明時(shí)，才具有實(shí)際意義。該教材主要的突破點(diǎn)是讓學(xué)生從化學(xué)學(xué)科的本身特性來認(rèn)識(shí)單位對(duì)于化學(xué)學(xué)習(xí)的重要性，使學(xué)生意識(shí)到在做化學(xué)計(jì)算，描述化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程，處理數(shù)據(jù)問題時(shí)，單位的意義和重要性。

這節(jié)內(nèi)容先從測(cè)量值的表達(dá)和使用入手，給學(xué)生介紹數(shù)據(jù)的表示方法。在化學(xué)學(xué)習(xí)中，經(jīng)常遇見一些很大或者特別小的數(shù)字，例如，1克H包含602，000，000，000，000，000，000，000個(gè)氫原子，一個(gè)Au的質(zhì)量是0.000 000 000 000 000 000 000 327g等，這些數(shù)字的書寫和使用都很累贅，科學(xué)計(jì)數(shù)法可以簡(jiǎn)化這些數(shù)據(jù)的記錄。用科學(xué)計(jì)數(shù)法記錄的數(shù)字由大于1而小于10的系數(shù)和以10為底數(shù)的指數(shù)兩部分組成，如數(shù)據(jù)602，000，000，000，000，000，000，000個(gè)氫原子就可以寫成6.02×10²³個(gè)氫原子。

接下來，介紹準(zhǔn)確度、精密度、誤差的概念及其區(qū)別。實(shí)際的化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中，由于儀器、實(shí)驗(yàn)條件、環(huán)境等因素的限制，測(cè)量不可能無限精確，物理量的測(cè)量值與客觀存在的真實(shí)值之間總會(huì)存在著一定的差異，這種差異就是測(cè)量誤差。誤差的表示方法有絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差兩種。絕對(duì)誤差等于測(cè)量值減去真實(shí)值，表示測(cè)量值偏離真值的大小；相對(duì)誤差也稱百分誤差，是指絕對(duì)誤差與測(cè)量值或多次測(cè)量的平均值的比值，通常將其結(jié)果表示為百分?jǐn)?shù)的形式。絕對(duì)誤差可以表示一個(gè)測(cè)量結(jié)果的可靠程度，而相對(duì)誤差則可以比較不同測(cè)量結(jié)果的可靠性。化學(xué)工作者的成功主要取決于測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。通常把測(cè)定結(jié)果與真實(shí)值之間的接近程度稱為準(zhǔn)確度，而把一組測(cè)量數(shù)據(jù)之間的接近程度稱為精密度。同時(shí)，教材舉生活中的“箭和靶”和“稱體重”的實(shí)例說明什么是準(zhǔn)確度、精密度、什么樣的情況下會(huì)產(chǎn)生誤差，來加深學(xué)生對(duì)概念的理解。

本節(jié)最后給學(xué)生介紹測(cè)量及運(yùn)算中的有效數(shù)字問題。為了取得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，不僅要準(zhǔn)確測(cè)量，而且還要正確讀出數(shù)據(jù)。數(shù)字的位數(shù)不僅表示數(shù)字的大小，也反映測(cè)量的準(zhǔn)確程度。在測(cè)量結(jié)果的數(shù)字表示中，由若干位可靠數(shù)字加一位估讀數(shù)字，便組成了有效數(shù)字。有效數(shù)字保留的位數(shù)，應(yīng)根據(jù)分析方法與儀器的準(zhǔn)確度來決定，一般測(cè)量值中最后一位是估讀數(shù)字，其余數(shù)字均為準(zhǔn)確數(shù)字。例如，某樣品質(zhì)量為2.46g（在2.4 g與2.5g之間所讀的數(shù)），數(shù)字2和4都是準(zhǔn)確數(shù)字，數(shù)字6是估讀數(shù)字，但2、4和6這三個(gè)數(shù)字都表達(dá)了有用的信息，在這里都是有效數(shù)字。因此，讀數(shù)據(jù)時(shí)，要讀至儀器誤差所在的位置，數(shù)據(jù)的位數(shù)不能任意增加或減少。進(jìn)行單位換算時(shí)，有效數(shù)字的位數(shù)不變；在加減法與運(yùn)算中，運(yùn)算結(jié)果有效數(shù)字取到參與運(yùn)算各數(shù)中最靠前出現(xiàn)估讀數(shù)的那一位；在乘除運(yùn)算中，結(jié)果的有效數(shù)字一般以參與運(yùn)算中有效數(shù)字位數(shù)最少的為準(zhǔn)。

1.2 國(guó)際單位制(SI)

在測(cè)量的過程中，由于不同的政府、不同的民族、不同的文化習(xí)俗，不同的歷史原因，人們采用不同的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，形成了多種單位制。這對(duì)國(guó)際貿(mào)易、科學(xué)文化的交流造成了很大的障礙。為了方便國(guó)家間的交流，1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式通過了世界各國(guó)通用的國(guó)際單位制，簡(jiǎn)稱SI。國(guó)際單位制來源于米制（是以米為基礎(chǔ)的十進(jìn)制單位體系，起源較早）， 并繼承了米制的優(yōu)點(diǎn)(如十進(jìn)位，用專門詞頭構(gòu)成十進(jìn)倍數(shù)及分?jǐn)?shù)單位等)， 同時(shí)克服了米制的缺點(diǎn)，是米制的現(xiàn)代形式。該節(jié)內(nèi)容包括SI基本單位、SI詞冠、常用物理量及其單位三部分。

SI基本單位有：長(zhǎng)度單位米(m) 、質(zhì)量單位千克(kg)、時(shí)間單位秒(s)、電流強(qiáng)度單位安培(A)、熱力學(xué)溫度單位開爾文(K)、物質(zhì)的量單位摩爾(mol)和發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉(cd)，共七個(gè)（見表1）。除電流強(qiáng)度單位安培(A) 和發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉(cd)外，其余五個(gè)是化學(xué)學(xué)科中常用的基本單位。

SI詞冠中介紹了常用的米制詞冠——兆(Mega)、千(kilo)、分(deci)、厘(centi)、毫(milli)、微(micro)、納(nano)、皮(pico)等，并給出詞冠與SI基本單位的倍數(shù)關(guān)系（見表2）。

基于實(shí)際應(yīng)用問題，教材列出了常用的五種物理量：長(zhǎng)度、體積、質(zhì)量、溫度、能量以及它們的SI基本單位與其他常用單位。比如：長(zhǎng)度的SI基本單位是米(m)， 其他常用單位有：千米(km)、分米(dm)、 厘米(cm)、 毫米(mm)、微米(μm)、納米(nm)；表征體積的常用單位有： 升(L)、毫升(ml)、立方厘米(cm3)、微升(μl)； 質(zhì)量的SI基本單位是千克(kg)， 其他常用單位有克(g)、 毫克(mg)、微克(μg)；溫度的SI基本單位是開爾文(K)， 其他常用單位是攝氏度(℃)； 能量的SI基本單位是焦耳(J)， 其它常用單位有：千焦(kJ)。教材中分別用表格將這些常用物理量的單位列出來，并介紹了每一物理量的常用單位與對(duì)應(yīng)的SI基本單位間的倍數(shù)關(guān)系，這里只以長(zhǎng)度的單位為例（見表3）。

1.3 轉(zhuǎn)換問題

國(guó)際單位制單位之間以及國(guó)際單位制單位與其他慣用的非國(guó)際單位制單位之間都存在著轉(zhuǎn)換問題，如何進(jìn)行單位間的換算問題，正是“轉(zhuǎn)換問題”中所要介紹的內(nèi)容。單位間的換算經(jīng)常要用到換算因子和量綱分析法。換算因子是指換算過程中使兩個(gè)數(shù)據(jù)相等的比例系數(shù)，如，等式1m=100cm 中的100就是這個(gè)等式中的換算因子。量綱是表示一個(gè)物理量如何由基本量組合的式子。量綱不同的兩個(gè)量不能加減或相等的，例如，1千克與1米這兩個(gè)量不能相加減或相等，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)是質(zhì)量，具有質(zhì)量的量綱，另一個(gè)是長(zhǎng)度，具有長(zhǎng)度的量綱。在同一單位制中，只有當(dāng)各量的量綱相同時(shí)才能相加減或相等。量綱分析法又叫因次分析法，是一種數(shù)學(xué)分析方法，通過量綱分析，可定出同一物理量不同單位間的換算因子，可檢驗(yàn)公式中物理量的書寫正誤，定出方程中比例系數(shù)的量綱和單位。運(yùn)用量綱分析法是單位轉(zhuǎn)換常用的一種方法，教材為學(xué)生分析具體例題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)單位轉(zhuǎn)換，引起學(xué)生對(duì)單位轉(zhuǎn)換的重視。

2中美中學(xué)化學(xué)教材中單位教學(xué)內(nèi)容的對(duì)比及啟示

與美國(guó)中學(xué)化學(xué)教材中單位教學(xué)內(nèi)容相比，我國(guó)中學(xué)化學(xué)教材中單位教學(xué)內(nèi)容的編排有很多的不足之處。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)物質(zhì)的量及單位前，已經(jīng)接觸并且應(yīng)用過許多單位，但教材中沒有對(duì)這些單位一個(gè)整合的內(nèi)容，且在介紹物質(zhì)的量及其單位時(shí)過于簡(jiǎn)單、抽象，加大了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)單位知識(shí)的難度；教材在利用新知識(shí)解決實(shí)際問題上缺乏實(shí)例；教材沒有充分介紹學(xué)生學(xué)習(xí)新化學(xué)單位所需要的鋪墊知識(shí)（化學(xué)相關(guān)的數(shù)學(xué)和物理新知識(shí)）等。通過分析比較，筆者認(rèn)為該美國(guó)教材中“科學(xué)測(cè)量”內(nèi)容給我們提供了一個(gè)新的視角——從測(cè)量的角度來認(rèn)識(shí)化學(xué)科學(xué)。使學(xué)生從理論的角度認(rèn)識(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程就是測(cè)量的過程，充分意識(shí)到化學(xué)學(xué)習(xí)中單位的意義和重要性。這兩章的內(nèi)容給與我們的啟示主要有以下幾點(diǎn)：

2.1系統(tǒng)性

該美國(guó)教材中“科學(xué)測(cè)量”和“化學(xué)量”兩章內(nèi)容的安排順序和系統(tǒng)介紹更符合學(xué)生學(xué)習(xí)的規(guī)律。美國(guó)著名的心理學(xué)家奧蘇伯爾的意義學(xué)習(xí)論認(rèn)為，有意義學(xué)習(xí)過程即新舊知識(shí)相互聯(lián)系、相互作用的過程即同化的過程，這種相互聯(lián)系相互作用是由認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的原有的適當(dāng)觀念起決定作用。因此通過測(cè)量來介紹單位，學(xué)生不僅可以把以前學(xué)過的零碎知識(shí)加以系統(tǒng)整理，又可以使之與新知識(shí)相互作用，將新知識(shí)納入原有知識(shí)群的網(wǎng)絡(luò)中，使原有的知識(shí)系列向縱向和橫向發(fā)展，豐富原有知識(shí)系列，從而建立起高效合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)。這兩章的內(nèi)容使學(xué)生對(duì)有關(guān)單位方面的知識(shí)系列有系統(tǒng)整體的認(rèn)識(shí)。

2.2方法性

在學(xué)生自覺地意識(shí)到科學(xué)測(cè)量真正意義的基礎(chǔ)上，教材設(shè)計(jì)者給學(xué)生介紹了一系列的方法，教學(xué)生如何去做。測(cè)量中科學(xué)計(jì)數(shù)法的運(yùn)用、有效數(shù)字的取舍、誤差分析、單位轉(zhuǎn)換方法等科學(xué)測(cè)量知識(shí)的介紹將數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)知識(shí)充分地融合，使學(xué)生對(duì)數(shù)、物理量及單位和定量研究方法有全面地認(rèn)識(shí)。

2.3實(shí)用性

“科學(xué)測(cè)量”內(nèi)容介紹了生活中大量學(xué)生社會(huì)生活中常見的測(cè)量事例（見表2）和解決問題的例題，使學(xué)生對(duì)物理量的計(jì)量單位等形成一般的感性認(rèn)識(shí)。同時(shí)，設(shè)計(jì)化學(xué)測(cè)量問題情境，讓學(xué)生使用科學(xué)測(cè)量的知識(shí)和方法對(duì)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)量、分析，在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，鞏固學(xué)生科學(xué)測(cè)量知識(shí)，形成科學(xué)測(cè)量觀，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，使學(xué)生學(xué)會(huì)在生活中科學(xué)地解決日常生活中的實(shí)際測(cè)量問題。這章內(nèi)容最后設(shè)置了“化學(xué)中的職業(yè)—分析化學(xué)家”這樣一個(gè)小欄目，使學(xué)生了解科學(xué)測(cè)量在化學(xué)分支學(xué)科—分析化學(xué)中的應(yīng)用。

3單位教學(xué)的策略

結(jié)合美國(guó)該化學(xué)教材中的單位教學(xué)內(nèi)容，針對(duì)我國(guó)中學(xué)生在單位學(xué)習(xí)中存在的問題，我們提出以下一些具體的教學(xué)策略。

3.1 化學(xué)教師應(yīng)重視單位知識(shí)系統(tǒng)性的教學(xué)

很多教師認(rèn)為物理量和單位的學(xué)習(xí)是數(shù)學(xué)和物理學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，經(jīng)常忽視與物理和數(shù)學(xué)與化學(xué)知識(shí)的銜接部分內(nèi)容的教學(xué)。事實(shí)上，學(xué)生在學(xué)習(xí)其他科目時(shí)已經(jīng)初步學(xué)習(xí)了單位的一些知識(shí)，初中物理介紹單位是從物理學(xué)的角度來認(rèn)識(shí)物理測(cè)量和單位。化學(xué)也是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，在做化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，也離不開測(cè)量，特別對(duì)以后從事化學(xué)研究的人員，需要做大量的化學(xué)測(cè)量工作。因此，在化學(xué)教學(xué)中進(jìn)行單位教學(xué)，教師引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)加以整合、重視單位知識(shí)系統(tǒng)性的教學(xué)是突破單位教學(xué)的前提。

3.2 系統(tǒng)地介紹國(guó)際單位制

學(xué)生對(duì)國(guó)際單位制單位中的許多單位很熟悉，但是在學(xué)生頭腦中，這些知識(shí)很零散，教師可以用學(xué)生已有知識(shí)，幫助學(xué)生理解新概念。當(dāng)新概念形成時(shí)，人的大腦要把新概念同已有知識(shí)相比較、相聯(lián)系，為新概念在已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中尋找適當(dāng)?shù)奈恢茫赂拍罹捅宦?lián)結(jié)為大腦中原有知識(shí)結(jié)構(gòu)的一部分，從而被消化、吸收，這就是同化。中學(xué)生大腦里的知識(shí)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，同化新概念的能力不強(qiáng)，這就要求教師努力調(diào)動(dòng)學(xué)生已有的知識(shí)，調(diào)整學(xué)生頭腦中的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生加強(qiáng)新舊概念間的聯(lián)系，同化新概念。如，關(guān)于物質(zhì)的量及其單位摩爾的新概念，對(duì)學(xué)生來說陌生又難懂，但如果將國(guó)際單位制系統(tǒng)地介紹之后，學(xué)生很自然的會(huì)將物質(zhì)的量同質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間等物理量聯(lián)系起來，把摩爾同千克、米、秒等基本單位聯(lián)系起來，學(xué)生就容易找到新舊概念的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，弄清概念間的關(guān)系，從而更好地編織單位知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。因此，系統(tǒng)地向?qū)W生介紹國(guó)際單位制內(nèi)容是學(xué)生學(xué)好物質(zhì)的量及其單位、化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)計(jì)算、熱化學(xué)、反應(yīng)速率和化學(xué)平衡先決條件，能促進(jìn)后繼理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生更好的解決發(fā)展過程中的各種問題和困難。

3.3 練習(xí)鞏固，強(qiáng)化理解

學(xué)生在解決問題過程中，由于對(duì)所學(xué)新知識(shí)不是很熟悉，達(dá)不到運(yùn)用自如的水平，習(xí)慣用舊方法解題，導(dǎo)致學(xué)生解決問題的能力很難提高，如用物質(zhì)的量單位（摩爾）解題可以簡(jiǎn)化很多計(jì)算過程，但是學(xué)生在學(xué)習(xí)物質(zhì)的量及其單位之后，依然用原來的相對(duì)原子質(zhì)量等舊知識(shí)解題，由于計(jì)算量很大，往往導(dǎo)致結(jié)果出錯(cuò)，這就要求教師在學(xué)完新知識(shí)后，引導(dǎo)學(xué)生用新知識(shí)，新方法來解決實(shí)際問題，反復(fù)練習(xí)鞏固，以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解。

化學(xué)單位知識(shí)是學(xué)生進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。科學(xué)測(cè)量方法是綜合知識(shí)、綜合能力的體現(xiàn)，需要一定的數(shù)學(xué)、物理等知識(shí)作鋪墊。單位教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)把科學(xué)帶進(jìn)學(xué)生生活，教會(huì)學(xué)生如何用科學(xué)測(cè)量的方法來處理一些生活中遇到的實(shí)際測(cè)量問題，有利于學(xué)生科學(xué)方法的掌握，科學(xué)測(cè)量觀的形成。

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