在實驗教學中促進學生定量觀建構的實踐與思考

摘要：定量觀是化學學科的基本觀念之一，它能促進學生對化學問題的思考更加理性和深入，從而提升學生的化學學科素養，因此發展學生的定量思維能力進而促進定量觀的形成是中學化學教學的基本任務之一。實驗是開展化學教學的重要途徑，從實驗觀察、證據推理和實驗延展三個方面舉例闡釋促進學生定量觀建構的教學實踐與思考。

關鍵詞：定量觀; 定量觀念; 定量思維; 定量意識; 化學實驗

文章編號：1005-6629（2020）09-0059-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

任何事物都是“質”與“量”的統一。事物的“質”是指該事物區別于他事物的內在規定性，其包含多方面，且是密不可分的統一整體。因此“質”是區別事物的根據，是認識事物的起點和基礎。事物的“量”是質的等級、規模、范圍和結構的表現，是事物可以由數和形來表示的規定性。與事物有不同方面的質相對應，事物的量也有不同的方面，把握了事物的量，就能更深刻地把握事物的質。人們常說的“心中有數”就是指對情況和問題要有基本的數量分析，因此從“量”的視角認識和理解事物具有重要的實踐意義。

1?“定量觀”和“定量觀念”的理解

“觀”和“觀念”雖然都有“表示對事物認識和看法”的意思，它們之間有一定的相似性，但兩者也有明顯的區別。“觀”更側重于宏觀層面，含有運用觀念解決問題能力的含義，如定量觀是依據化學基礎，運用數學方法解決物質組成、結構、變化中“量”的問題的一種能力[1];而“觀念”是人們對事物的主觀與客觀認識的系統化之集合體，它更多地側重于具體看法，也可以是相對較為微觀的學科知識、學科認識或學科理解，如質量守恒定律既屬于化學學科知識，也屬于化學學科觀念（定量觀念）?！坝^”統攝著“觀念”，“觀念”融合成“觀”。讓學生形成定量觀就必需幫助學生建構起一個個具體的定量觀念，建構路徑而建構定量觀念的過程是需在定量意識的基礎上，在定量思維的參與下逐步形成的一種基于“量”的認識與理解的過程。因此學生化學定量觀的形成就必需以定量觀念建構為核心，從培養“量”的意識、發展“量”的思維和建構“量”的觀念三個層面著手（見圖1）。

2?實驗過程中促進學生定量觀念建構的教學實踐

化學研究的對象是物質及其轉化，而化學物質無論是其存在還是轉化都是以確定的形式（即“量”的形式）進行的，只有把研究物質及其轉化從定性上升到定量的高度，才能揭示出物質存在的本質和轉化的規律，因此定量觀是學習、研究化學的基本學科觀念，而定量觀念也就成為看待化學問題、研究化學現象的一種視角[2]。

在中學化學教學中，化學實驗本身既是學科教學的重要內容，同時也是研究學科其他內容的重要途徑和方法，因此化學實驗是一種過程與方法，是一種認識與實踐活動。它在為學生的化學學習提供大量事實性學科知識的同時，也使學生在該過程中體驗并感悟到這些知識背后的“量”的重要性，培養學生在解決化學問題時所必需具有的定量思想。因此化學實驗是喚醒學生定量意識、發展定量思維、形成定量觀念的重要而有效的途徑。定量觀念、化學實驗與研究對象三者之間的關系如圖2所示。

2.1?在實驗觀察中促進學生定量意識的覺醒

某次中考復習調研聽課現場，教師讓學生思考下列問題：“某物質和二氧化碳反應只生成碳酸鈉和氧氣，則該物質中一定含有的元素有。”很顯然解決該問題的模型是質量守恒定律，大多數學生看到問題是判斷元素種類，就自然而然地根據“反應前后元素種類不變”進行前后比較得出“只有鈉元素是一定存在”的錯誤結論，之所以會丟失氧元素，是因為定量意識的缺位，也就是說，學生缺乏從“量”的視角分析事物變化的直覺思維，或者說學生喚醒物質定組成觀念（即定比定律）的能力欠佳。由此可見，學生的定量意識能否即時跟進將直接影響其對問題思考的深刻性。在具體教學過程中，可以充分利用實驗所呈現的有關“量”的因素提升學生對于“量”的敏感能力，從而促進學生定量意識的覺醒。

例如在九年級《化學》（人民教育出版社）上冊第一個探究實驗“觀察和描述——對蠟燭及其燃燒的探究”[3]中，從“量”的視角探究火焰不同部位的溫度，使學生真正明白在用酒精燈加熱時為什么要使用外焰的原因。在接下來的第二個探究實驗“人體吸入的空氣與呼出的氣體有什么不同”[4]中，以氣體能否支持小木條繼續燃燒和能否使澄清石灰水變渾濁為判據，通過比較呼吸前后以及不同學生在實驗時憋氣時間長短對實驗現象的影響，探究空氣在經過人的呼吸作用后，其成分所發生的變化以及影響這一變化的因素，讓學生知道物質的濃度（含量）變化能改變物質的某些性質，初步體悟“質”與“量”的關系。

又如在九年級化學“氧氣”[5]教學中，可以引導學生從“量”的視角分析：木炭（或硫）分別在空氣和氧氣里燃燒時現象不同的可能原因，該問題通過剖析空氣和氧氣的差異性，一方面可以培養學生“量”的直覺意識，另一方面也可以為鐵絲在氧氣中燃燒實驗埋下認知上的伏筆，

并通過對鐵絲燃燒實驗條件分析，

讓學生真正體會到不同物質在燃燒時所需要氧氣的最低濃度是有差異的，為后續涉及有關耗氧實驗問題（如爆炸極限、測定空氣中氧氣含量的實驗拓展等）的解釋提供知識和思維儲備。

當學生還未學習相關化學用語時，若強調某種“量”的事物特性時，通常會使用一些帶有定量含義的詞語來表達。如表征某溶液中溶質含量多少時一般會用濃或稀來表述，對于有顏色的溶液也可以用顏色深或淺來描述，當濃度概念建立以后就常使用濃度的具體數值進行表征;又如表征溶液酸堿性時，開始常用強酸性、弱堿性等詞語描述，當學習過pH概念后就會使用溶液具體的pH來表征，進而學習溶液酸堿性本質以后通常會使用c（H+）或c（OH-）的數據進行表征。因此化學中的“量”既可以數據表征，也可以是帶有定量含義的定性描述，且定性描述是培養定量意識的起點，也是學生形成定量意識的必經階段。

2.2?在證據推理中促進學生定量思維的發展

在化學教學中，定量思維是一種非常重要的理性思維，它在認識事物時有著嚴密的邏輯性和層次性，同時也具有嚴格的精準性，它是建構定量類化學概念、解決定量類化學問題的核心思維方式?；瘜W實驗為定量研究提供了相應的證據（即實驗現象或實驗數據），實驗素材背后的學科本質需要研究者（或學習者）進行邏輯加工和分析推理。在這個過程中，“量”是一類不可或缺的基礎性原始證據，只有將定性與定量結合進行研究得到的推論才會具有更加可靠的確信度。因此，定量思維是基于定量觀念視角下分析問題和解決問題的基本思維方式。

化學式是一個最基本的定量類化學用語。如教材提供了“電解水實驗”[6]這一素材，讓教師引導學生利用實驗中所得到的相關數據，經過“基于證據的推理”這一嚴謹的學科思維過程，得到“水分子中氫原子和氧原子的個數比是固定的”科學事實，從而為化學式概念的形成做好認知上的準備。因此，電解水實驗是一個典型的基于“量證據”進行推理的教學實踐活動。但在實際教學中，許多教師都是根據最后所得氣體的體積近似等于2∶1的結論進行推理，其實這樣的推理過程缺乏基于證據推理應有的嚴謹性。為了充分發揮這一實驗的教學功能，培養學生定量思維能力，促進學生定量意識水平的提升，筆者在教學實踐中進行了如下設計。

數據記錄：教師演示實驗，用36V直流電源電解H2SO4（約1∶4）溶液，當O2體積達最小讀數（1mL）時，關閉電源，待氣體體積穩定后記錄第一組數據，以后每隔1～1.5min左右記錄一次氣體的體積讀數，記錄4～5次。

數據分析：首先引導學生分別從兩種氣體體積的絕對量比值和變化量比值兩個角度分析數據，并分析H2和O2的絕對量比值不等于2∶1，而變化量的比值卻等于2∶1的可能原因;再引導學生從分子原子關系的角度結合數據，定量反推水分子中氫、氧原子數量關系。

實驗結論：水分子中氫、氧原子的個數比是2∶1（本實驗并不能得到水分子的具體構成）。

數據獲取能力以及數據關系判定能力是衡量定量思維水平的一個重要指標，當實驗數據與理論數據出現差異時，不能想當然地認為是實驗誤差的原故，而要認真分析差異背后的真實原因。在此教學情境中既豐富了學生的理解認知過程，也培養了學生實事求是的科學態度。

又如，強電解質和弱電解質的概念是高中化學的重要教學內容，它是基于“量”的證據進行推理建構的典型課例：物質的量濃度不同的HA或BOH溶液導電能力有強有弱[7]的實驗事實是推理建構的基本依據（即證據），其教學基點是電解質溶液的導電能力與溶液中離子濃度大小呈正相關，即溶液中離子濃度越大，溶液的導電能力就越強。而此時學生還沒有形成這個教學基點，即學生缺少這一學科知識，因此幫助學生形成這一學科知識是本節課的教學起點。此外，若電解質不完全電離可以采用對比方法間接證明（即推理），而電解質完全電離則可以通過測定溶液中離子濃度的定量實驗方法直接證明。筆者的具體教學思路如下：

首先，通過控制變量的思維方式幫助學生形成教學基點，即只能改變離子的濃度，其他的量均保持不變（可以通過測定蒸餾水中逐滴加入飽和食鹽水的過程中電導率變化來實現[8]）。

然后，在此教學基點上引導學生從“量”的視角分析上述基本實驗事實：（1）實驗中酸溶液為什么選擇醋酸溶液和鹽酸，而不選擇醋酸溶液和硫酸？堿溶液選擇氨水和氫氧化鈉溶液而不選擇氨水和氫氧化鋇溶液？（2）實驗中醋酸溶液電導能力弱于鹽酸，氨水導電能力弱于氫氧化鈉溶液，說明了什么？通過問題解決，學生推理得到電解質在水溶液中的電離程度有大有小的結論，此時可以進一步引導學生分析醋酸（或氨水）中溶質存在的粒子形態，從而找出它們的電離特點，即醋酸（或氨水）在水溶液中的電離是不完全的，但仍未得到氯化氫（或氫氧化鈉）在水溶液中的電離是完全的結論。

最后，引導學生解決下列問題：如何證明氯化氫（或氫氧化鈉）在水溶液中是完全電離的（可以通過測定0.1mol·L-1的HCl或NaOH溶液中H+或OH-的濃度來實現）。

這樣的教學不僅能讓學生真正理解電解質強弱的含義，更重要的是通過強弱電解質概念的建構過程，提高了學生的定量思維水平，發展了學生的證據推理能力。

2.3?在實驗延展中促進學生定量觀念的形成

課本所列舉的實驗都是前人經過無數次實驗后所形成的經典實驗，其背后還包含著許多類似的實驗，因此在適當時機對其進行適當的延伸（深度）和拓展（寬度）是提升實驗能力、促進學科理解、建構學科觀念的一種有效措施。在這種延伸與拓展的過程中，如果能引導學生從“量”的視角進行思考，將會更好地促進學生理解實驗中表面現象與背后學科原理之間的關系，在“量”的層面形成學科理解，從而幫助學生形成某一具體的化學定量觀念。當然學生對實驗延伸與拓展的收獲與學生具備的相應學科知識多少密切相關。

例如初中化學進入中考復習后，學生已經具有了大量的事實性化學知識，同時在思維層面上也具有了一定的定量思維能力，因此這一階段對于那些富含定量意味的實驗復習教學，除了在知識層面加強前后聯系外，更要在思維層面強化“量”的功能，使學生能在更高思維層面理解實驗原理和本質，充分提升實驗的教學價值。例如關于“空氣中氧氣含量的測定”[9]實驗復習，可以在回憶紅磷燃燒法測定空氣中氧氣含量實驗的基礎上，引導學生關于“能否選擇木炭或者硫作為該實驗的耗氧物質”的討論。該問題的本質是實驗方案的設計與評價，它一方面可以促進學生對該實驗測定原理的深化理解，另一方面也可以促進學生從“量”的高度重新認識可燃物的燃燒條件。在具體教學中筆者按如下教學思路進行設計。歸因：產物狀態的影響→改進：產物影響的消除（產物吸收）→驗證：實驗方案設計并實驗驗證→結論：可燃物燃燒時所需氧氣的最低濃度會影響實驗結果。具體教學過程如下：

問題1：能否用木炭或硫磺代替紅磷？為什么？（提出問題并幫助學生回憶、理解該裝置能夠測定空氣中氧氣含量的原理）

問題2：將廣口瓶中的水換成濃NaOH溶液后可以達到實驗目的嗎？（引發學生從量的視角找出木炭燃燒與硫燃燒所得產物在性質上的差異性，木炭在燃燒過程中隨著氧氣的消耗而生成CO氣體，從而在理論上排除木炭的可行性，進一步強化定量分析的價值認同）

實驗探究：實驗裝置如圖3所示，在集氣瓶內加入少量濃NaOH溶液（用橡皮筋標示出NaOH溶液的液面），將液面上方的空間分為5等份，用彈簧夾夾緊橡皮管。點燃燃燒匙里的硫磺并迅速伸入瓶中，等硫磺熄滅并冷卻后，搖晃集氣瓶使氣體充分被濃NaOH溶液吸收，打開彈簧夾，觀察實驗現象——只有少量水進入集氣瓶中。

原因探析：分別用O2傳感器和SO2傳感器探測硫燃燒過程中集氣瓶內O2和SO2含量的變化，當硫燃燒熄滅時，體系內O2并沒有被完全消耗（經測定氣體中剩余氧氣的體積分數約為14%），燃燒時由于裝置不宜振蕩，SO2幾乎沒有被NaOH溶液吸收;燃燒結束后振蕩，SO2被吸收干凈。

定量觀念：可燃物在氧氣中能夠燃燒不僅溫度要達到某一量值（即著火點），而且氧氣濃度也要達到某一量值（不同物質所需量值可能不同）。

遷移應用：引導學生站在“量”的高度，分別從氧氣和二氧化碳的雙重視角對“燈火實驗檢測地窖中空氣的安全性”的結果進行分析評估：燈火實驗測定的是空氣中氧氣的含量，而不涉及空氣中二氧化碳的含量，對人而言，空氣中氧氣和二氧化碳含量都很重要，也就是說，若火焰熄滅，人肯定不能進入;但火焰不熄滅，人進入也不一定安全。

思維拓展：空氣中氧氣含量不變的情況下，二氧化碳含量升高會影響可燃物的燃燒嗎？

當學生具有較強的定量觀念后，他們在分析研究事物時就會下意識地從“量”的維度思考相關問題，在思考進程中也會適時采取串聯型思考方式或并聯型思考方式。經過這樣定量化思考過的問題在理解上會更加全面與深入，這樣的教學能使學科知識得到真正意義上的整合，學生的思考力和學習力得到有效提升。

3?結語

學科觀念的建構不是一蹴而就的，建構的途徑也多種多樣，化學實驗只是其中一條常見而有效的途徑而已。此外化學實驗在學科教學中的作用也是多方面的，其教學價值的開發應根據教學設計的總體目標來設定。而學科觀念處于學科認識層面，能夠促進學生對學科知識的深層次理解和學科思維水平的提升。因此在實驗教學中可以從實驗目的與觀念建構的視角尋找兩者的契合點，在達成知識目標與技能目標的前提下，引導學生在實驗分析中形成學科觀念，在觀念指導下提升實驗能力，從而真正實現實驗教學與觀念建構的良性互動。

參考文獻：

[1]張建陽. 中學化學定量觀的培養策略[J]. 中學化學教學參考， 2016， （4）：9～10.

[2]楊花雨. 中學化學定量觀念的內涵和培養策略研究[D]. 北京：首都師范大學碩士學位論文， 2014.

[3][4][5][6][9]王晶， 鄭長龍主編. 義務教育教科書·化學（九年級）[M]. 北京：人民教育出版社， 2017.

[7]王祖浩主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M]. 南京：江蘇鳳凰教育出版社， 2017.

[8]薛青峰， 孫美華. 概念主題理念下的化學概念教學的實踐與思考[J]. 化學教學， 2018， （8）：45～48.