核心素養視域下中學化學計算教學的再思考

摘要： 中學化學計算教學應定位于以幫助學生理解物質的組成、結構、性質以及物質之間的轉化為目的，建構定量研究化學物質及轉化的基本思維方式。定量類化學概念是化學計算的載體和依據，準確理解和建構定量類化學概念是化學計算教學的重要內容。從化學定量概念自身發展的思維路徑、教材組織的建構方式和問題解決的支撐系統三個視角以案例形式探討了定量類化學概念的特點和教學思路。

關鍵詞： 化學計算; 定量觀; 定量類化學概念; 核心素養

文章編號： 1005-6629（2020）02-0042-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

化學計算是中學化學的重要教學內容之一，在《普通高中化學課程標準（實驗）》中，它被列為一個獨立主題，與化學實驗、基本概念與原理、元素化合物以及有機化學相并列，被定義為一種化學學科知識和學科技能;而對接于核心素養的《普通高中化學課程標準（2017年版）》中[1]，化學計算被定義為一種研究化學物質及其變化的方法和手段，強化了它的計量功能。核心素養強調的是“內涵發展”和“學習力”的提升，因此基于核心素養的化學計算教學是一個在學科觀念引領下的定量類化學概念的建構過程，也是一個學科原理定量理解的應用過程。本文僅從定量類化學概念的建構視角談談核心素養視域下中學化學計算教學的認識與思考。

1? 定量視角下化學計算的理解

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）在課程性質中規定“化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎性學科……”。從中可以看出化學學科的研究對象是“物質及其轉化”，探尋“物質及其轉化”的基本規律和建構“物質及其轉化”的科學理論是化學科學認識活動中的兩大基本任務。化學計算應服務于這兩大基本任務，因此化學計算的本質內涵應該是定量研究物質及其轉化的數學處理過程，是對物質的組成、結構、性質和變化規律的“量化”過程。中學化學是化學學科的啟蒙和基礎教育階段，故中學化學計算教學應定位于以幫助學生理解物質組成、結構、性質以及物質之間轉化為目的，建構起定量研究化學物質及其轉化的基本思維方式。

同時新課標還指出“其特征是從微觀層面認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質”，也就是說“宏觀—微觀—符號”三重整體認知是化學學科的基本認知方式，從這個角度看化學計算也是一種定量觀視角下的基于“宏觀—微觀—符號”三重關系理解基礎上的化學認識活動，其中宏觀定量和微觀定量是符號表征定量視域下的兩個重要內涵，但符號表征下的宏觀定量和微觀定量如果離開了物質的量這一媒介，那么宏觀定量和微觀定量就變成了兩個孤立的觀察視角。當引入了“物質的量”概念后，它將宏觀定量與微觀定量進行了有機的統一，“宏觀—微觀—符號”三重定量表征才得到完美整合。因此物質的量是定量研究化學的重要媒介和工具（見圖1）。

新課標在“學科核心素養與課程目標”中提出，“能從內因與外因、量變與質變等方面較全面地分析物質

圖1? 定量觀視角下的“宏·微·符”關系

的化學變化，關注化學變化中的能量轉化”（屬于素養2之水平2）、“能解釋證據與結論之間的關系，確定形成科學結論所需要的證據和尋找證據的途徑”（其中定性分析與定量計算相結合屬于素養3之水平3）。因此，中學階段的化學計算不應單純地理解為化學基本技能，而應理解為一種定量探究物質組成及其變化的認識活動和實踐活動，是培養學生化學核心素養的重要途徑之一。

化學計算是定量研究化學問題的數學處理過程。根據化學研究的對象（物質及其轉化）可知，中學化學計算的主要形態有狀態類（物質）和過程類（轉化）兩種形式，所謂“狀態類”計算主要是指確定某物質在一定狀態下的組成、結構和性質，如物質化學式的確定、混合物組成的測定、溶解度相關計算等;“過程類”計算主要涉及物質轉化過程中能量變化和物質變化（條件、趨勢、快慢和結果等），而化學反應速率和化學平衡既屬于狀態類又屬于過程類，當然實際情況更多的是兩類計算的相互融合（如圖2所示）。

圖2? 中學化學兩類計算形態之間的關系

2? 關注定量類化學概念的建構和理解

在定量研究的過程中，為了有效表征定量研究的方法、過程和結論，必須建立相應的學科概念，這類概念都具有“量”的屬性，如溶解度、不飽和度、濃度、化學反應速率等，我們將其稱為定量類化學概念。從化學計算過程看，化學計算可以理解為運用定量類化學概念解決相關問題的過程，因此定量類化學概念是化學計算的載體和依據，準確理解和建構定量類化學概念也是化學計算教學的重要內容。

2.1? 厘清定量類核心概念自身形成和發展的思維路徑

定量類化學概念的出現是化學研究從定性上升為定量的必然結果，它是定性概念的發展，因此，在進行定量類化學概念教學時有必要對其形成和發展的思維路徑進行梳理與剖析，找出建構該核心概念的基礎性概念。圖3是定量概念“溶解度”與“溶液濃度”形成和發展的思維路徑。

“溶解度”是中學化學非常重要的一個定量類概念，它是衡量某物質在某溶劑中溶解能力的指標。“溶解”是“溶解度”形成的原始概念，“溶解性”是“溶解度”形成的基礎性概念。以“溶解”為起點，在分析“溶解過程”時就形成了“溶解能力”的研究內容，在“溶解結果”的表征中形成了“溶液組成”的研究內容，這兩部分知識相輔相成、相互伴生;在定性到定量的研究過程中，衍生出兩個重要的定量類化學概念——溶解度和溶液濃度，因此溶解度概念的建構必需以溶解性概念以及影響物質溶解性大小（即溶解能力）的因素為基礎。

2.2? 厘清定量類核心概念建構過程的教材處理方式

定量類化學概念是定性概念的自然延伸和發展，因此這類概念的形成是以學生對其研究對象有大量感性認識積累為基礎。教材在建構這類概念時一般在概念建構之前會設置大量的事實讓學生在潛移默化中感受概念建立的必要性[2]。圖4是化學反應速率概念的建構過程。

圖3? 定量觀視域下物質的溶解性與溶液組成進階圖示

圖4? 中學教材中化學反應速率概念的建構過程

化學反應速率是一個定量研究化學反應快慢的概念，在建立該概念之前，讓學生意識到化學反應速率是研究化學反應時一個非常重要的參數，是很有必要的。為此初中教材（人教版）在“我們周圍的空氣”單元教學中就通過實驗對比[3]，讓學生在感性層面上意識到化學反應有快慢之別，并體會到化學反應的快慢是可以改變的;在后續的教學中又通過爆炸、溶液中的反應等大量事實讓學生進一步體會到反應溫度、反應物微粒之間的接觸情況都能影響反應的快慢，在此過程中潛移默化地讓學生形成化學反應速率的初始概念。當學生積累了大量的與化學反應速率相關的事實性知識后，如溫度越高、溶液的濃度越大、反應物接觸面積越大，反應就越快。此時在學科認知層面上，表征化學反應速率概念的條件已經成熟，再結合高中學生的認知心理特點，教材以任務型學習為基點，通過概念的表征與理解來系統建構化學反應速率的概念，為運用概念解決問題奠定了堅實的理論基礎。

2.3? 厘清應用定量類核心概念解決化學計算問題的支撐系統

任何一個化學概念都不是孤立存在的，它會與其他概念存在直接或間接的聯系。厘清核心概念與其他相關概念或其衍生概念之間的聯系是理解核心概念內涵與外延的關鍵。除此之外，定量類核心概念與其他相關概念之間的關系還需要從“量”的角度去思考，這是運用定量類核心概念解決化學計算問題的必要條件。

例如依據化學方程式進行計算，其核心概念是化學方程式，運用化學方程式解決有關化學變化中的計算問題是定量研究化學問題的核心教學內容之一，它需要從“量”的角度理解元素符號、化學式與化學方程式三者之間的聯系，并能從宏觀和微觀兩個視角理解三個概念的意義，能用“物質的量”將宏微兩個視角統一起來，這些都是運用化學方程式進行計算的必要知識和方法。我們可以用圖5來理解化學方程式與其他相關概念之間的關系。

圖5? 根據化學方程式計算的知識結構和支撐系統

3? 結束語

我們不能把化學計算教學簡單地理解為化學計算題的教學，也不能將其簡單理解為化學計算方法的傳授或化學計算技能的訓練[4]。從計量視角理解化學實驗、從定量視角理解化學過程是化學計算教學的指導思想。化學計算教學可以理解為在學科觀念指導下，理解數據變化背后的化學原理、運用化學定量概念、融合數學思維，以獲取化學定量問題研究的結果或結論為目的的分析推理的過程。在化學計算教學過程中，應進一步強化學生對學科概念原理的理解，提升學生的學科綜合素養，從而形成解決學科定量問題的基本思維方式和技能。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學2[M]. 南京： 江蘇鳳凰教育出版社， 2015.

[3]王晶主編. 義務教育教科書·化學（九年級上下冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[4]薛青峰. 圖示教學法在化學概念復習教學中的應用[J]. 中學化學， 2017， （2）： 1～2.