基于真實情境的化學計算教學設計與實施

李小靜

摘要：以我國提出的“碳達峰”“碳中和”的基本目標與達成途徑為線索，創設真實情境進行“純凈物中元素之間的質量關系”的教學，讓學生在解決問題的過程中體驗到定量研究方法在化學研究中的重要作用，理解化學計算的應用價值。

關鍵詞：真實情境：化學計算；質量關系

文章編號：1008-0546（ 2022 ）11x-0038-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.11x.010

一、問題的提出

化學計算是初中化學教學的重要組成部分，在初中化學教學中占有重要地位。但由于對化學計算的定位不準，初中化學計算教學中存在的普遍現象是：教師把化學計算當成基本技能教學，使得教學過于模式化、程序化，過分重視計算格式的練習，卻忽略化學計算的本質及意義。學生也習慣通過“依葫蘆畫瓢”式的機械訓練來達到“熟能生巧”的目的，所以學生對化學計算課的普遍感覺是機械枯燥、沒有化學味道。

“純凈物中元素之間的質量關系”是上海教育出版社義務教育化學課本第3章第3節的內容。《義務教育化學課程標準（2011版）》對這部分內容的具體標準為：能用化學式表示常見物質的組成；利用相對原子質量、相對分子質量進行物質組成的簡單計算；能看懂某些商品標簽上標示的組成元素及其含量[1]。大多數初中化學教師對本節計算課的教學已形成了固定的模式：教師展示例題→教師示范計算格式→學生模仿→教師設計練習→學生操練。為了讓學生反復練習，有時教師會編出一些脫離生活實際的“假題”。一節課下來，學生記住了計算格式，卻不明白為什么要計算，為什么是這樣計算，沒有體會到化學計算的實際意義和價值。

二、化學計算的學科本質

化學計算的學科本質是對化學問題的數學處理過程，即對物質的組成、結構、性質和變化規律的量化過程。化學計算并非是“按照一套既定規則和操作程序去完成特定任務”的技能，而是“有意識、有意義、有目的、有方法的認知和操作的共同體”[2]。由此，我們看出，化學計算的重點不在數學運算方法和格式上，而是對化學原理、化學計量的關系的理解。這就提醒教師在化學計算教學時，要從單純的“數學運算”中解脫出來，將化學計算融合在真實情境中，讓學生明白“為什么要計算？”“怎樣計算？”，通過計算教學讓學生建構定量的意識，培養化學計算能力，明白化學計算的價值，從計量的角度提升學科核心素養。

三、教學設計與實施

如何讓學生在學習過程中體會到化學計算的實際意義和價值？筆者以我國提出的“碳達峰”“碳中和”的基本目標與達成途徑為線索，創設真實情境進行“純凈物中元素之間的質量關系”的教學，讓學生在解決問題的過程中體驗到定量研究方法在化學研究中的重要作用，理解化學計算的應用意義。

1．教學目標

（1）通過挖掘化學式的定量含義，感知純凈物中元素之間的質量比是一定的，掌握依據化學式計算化合物中各元素的質量比以及化合物中某元素的質量分數的方法。

（2）初步形成對化合物的化學式進行定量處理的能力，初步學會運用觀察、比較、分類、概括等處理信息的方法。

（3）通過利用化學計算來解決生活、生產、科技發展中的問題，培養勤于思考、勇于實踐的精神，體會化學計算的價值。

2．教學流程

教學流程如圖1所示。

3．教學過程

（1）創設真實情境，提出解決問題

[播放視頻]什么是“碳達峰”“碳中和”。

[師]2020年9月，習近平主席在聯合國大會上代表中國政府向世界宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”“碳達峰”“碳中和”中的“碳”指的是什么？

[生]是指二氧化碳。

[師]要實現“碳中和”，我們必須要關注二氧化碳的排放、消耗等問題，大家知道有哪些途徑能產生二氧化碳？

[生]人和動植物的呼吸；煤、石油、天然氣的燃燒；微生物的分解作用等。

[師]現在我們家家戶戶都用上了天然氣作燃料，天然氣的主要成分甲烷完全燃燒會產生二氧化碳。若一個家庭一個月燃燒的甲烷是16 kg，完全燃燒會產生多少質量的二氧化碳？這些二氧化碳如何處理才能實現“碳中和”的目標呢？讓我們一起來探究吧！

設計意圖：介紹我國提出的“碳達峰”“碳中和”的基本目標，提出要實現“碳中和”，必須要關注二氧化碳的排放、消耗等問題。以家庭燃料天然氣完全燃燒為例創設真實情境，提出定量計算的問題來統領整堂課，激發學習興趣，產生探究欲望。

（2）問題解決1：16 kg甲烷中含碳元素的質量是多少？

[展示]甲烷的分子結構示意圖，如圖2所示。

[師]根據甲烷的分子結構，你能寫出它的化學式嗎？

[生]寫化學式CH4。

[師]這個化學式能給我們提供哪些信息？

[生]從宏觀上看，CH4表示甲烷這種物質，還可知道甲烷是由碳、氫元素組成；從微觀上看，CH4表示1個甲烷分子，還可知道1個甲烷分子是由1個碳原子和4個氫原子構成的。

[生]根據碳、氫的相對原子質量，我們還可以計算甲烷的相對分子質量：Mr（CH4）=12x1+1x4=16。

[引導歸納]物質的化學式，既有宏觀的含義，還有微觀的含義；既有定性的含義，也有定量的含義。

[師]1個甲烷分子中，碳、氫原子的質量之比是多少？

[生]列式計算：（12x1）：（1x4）=3：1。

[師]10個甲烷分子中，碳、氫原子的質量之比是多少？

[生]列式計算：（12x1x10）：（1x4x10）=3：1。

[師]盛滿甲烷氣體的集氣瓶中，甲烷分子的碳、氫原子的質量之比又是多少？為什么？

[生]還是3：1，因為計算式前后分子的個數可以約去。

[師]甲烷中，碳、氫元素的質量之比是多少？為什么？

[生]還是3：1，因為元素是具有相同質子數的一類原子的總稱，甲烷分子中的碳原子的質量總和就是碳元素的質量，氫原子的質量總和就是氫元素的質量，故甲烷中碳、氫元素的質量比也為3：1。

[師]相應的，1個甲烷分子中碳原子的質量分數及甲烷中碳元素的質量分數，大家能計算了嗎？

[生]列式計算：

[師]強調計算格式的規范性。

[引導歸納]純凈物中元素之間的質量之比，就是該純凈物的一個分子中各原子之間的質量之比，即純凈物中各元素質量比=各原子的相對原子質量×原子個數之比；純凈物中某元素的質量分數，就是該純凈物的一個分子中該原子的質量分數，即純凈物中某元素的質量分數計算方法為：ω（元素）=該元素的相對原子質量（Ar）×原子個數×100%

化合物的相對分子質量（Mr）

[師]若一個家庭一個月燃燒的甲烷是16 kg，這相當于產生了多少質量的碳元素？

[生]列式計算：m（C） =m（CH4）xω（C）=16 kgx75%=12 kg

[引導歸納]化合物中元素的質量計算方法為：m（化合物）×ω（元素） m（元素）

設計意圖：依據化學式進行計算，重點應幫助學生從宏觀物質、元素、微觀分子、原子四者聯系的思維角度厘清內容鏈接，解構化合物的定比定律，使學生從知識與思維層面深入理解“純凈物中元素之間的質量關系”內容系統的邏輯關系，及其定量觀的相關內涵。[3]本環節圍繞問題“16 kg甲烷中含碳元素的質量是多少？”，引導學生挖掘甲烷化學式的含義，進行定量分析，從微觀到宏觀、個體到整體推測純凈物中元素之間的質量之比、純凈物中元素的質量分數的計算方法，形成“宏一微一符”表征定量思想和“模型認知”定量方法，同時，進一步規范學生的計算格式，培養學生良好的計算習慣，為問題解決2中計算“16 kg甲烷完全燃燒生成二氧化碳的質量是多少？”的教學奠定基礎。

（3）問題解決2：16 kg甲烷完全燃燒生成二氧化碳的質量是多少？

[師]16 kg甲烷完全燃燒可生成二氧化碳的質量是多少？

[生]思考。[展示]甲烷完全燃燒的微觀示意圖，如圖3所示。

[師]根據該反應的微觀示意圖，寫出甲烷完全燃燒的符號表達式。

[生]寫符號表達式：CH4+O2-點燃→H2O+CO2

[師]在反應中，甲烷中的碳元素最終全部轉化到了二氧化碳中，這兩種物質中的碳元素質量存在什么關系？為什么？

[生]化學反應前后元素的質量相等，所以甲烷中碳元素的質量與二氧化碳中碳元素的質量相等。

[師]非常好，依據這個原理，我們可以計算16 kg甲烷完全燃燒可生成二氧化碳的質量是多少嗎？

[生]講思路：16 kg甲烷中含碳元素12 kg，我們只要計算多少質量的二氧化碳中含碳元素12 kg即可，只要把12 kg除以二氧化碳中碳元素的質量分數。

[生]列式計算：

[引導歸納]根據元素的質量計算化合物質量的方法為：m（化合物）←ω（元素）-m（元素）

設計意圖：本環節要解決“16 kg甲烷完全燃燒生成二氧化碳的質量是多少？”的問題，因目前學生還未學習依據化學方程式計算的相關內容，因此讓學生觀察甲烷完全燃燒的微觀示意圖，依據反應前后元素質量不變的原理進行計算，為第4章“依據化學方程式的計算”的學習打下基礎，讓學生感受“元素守恒思想”在化學計算中的實際應用。另外，已知化合物中元素的質量計算化合物的質量，是逆向轉化的定量問題，讓學生進一步形成“整體與個體關系”意識，進一步培養“模型認知”定量方法，從而突破相關的定量思想方法建構的難點。[4]

（4）問題解決3：每年因燃燒甲烷排放的二氧化碳可以轉化為多少質量的淀粉？

[師]2021年全國人口普查發布的數據顯示，中國約有5.2億戶家庭。假設每戶家庭都用天然氣作燃料，則每年因燃燒甲烷約排放多少質量的二氧化碳？（計算結果保留一位小數）

[生]列式計算：

m（C02）=44 kgx5.2x108x12=2.7xl0 11kg

= 2.7x10 8t

即2.7億噸。

[師]在這么大排放量的前提下，我們如何實現“碳中和”？

[生]討論：多植樹造林，通過光合作用消耗二氧化碳；用其他能源代替化石燃料，用石灰漿等物質來吸收二氧化碳等。

[師]我國發明了一種新技術，可以“吃掉二氧化碳”。

[播放視頻]2021年9月24日中央電視臺《朝聞天下》“人工合成淀粉”。

[師]中國從二氧化碳人工合成淀粉技術被國際學術界認為是影響世界的重大顛覆性技術，這一過程只需11步反應就可完成，基本物質轉化如圖4所示。

[師]原來“靠喝西北風”真的能讓人類生存下去。淀粉可以用化學式（C6H10O5）n來表示，二氧化碳轉化成淀粉時，其中的碳元素全部轉化為了淀粉中的碳元素。大家計算一下，我國每年因燃燒甲烷排放的二氧化碳可以轉化為多少質量的淀粉？（提示：淀粉的相對分子質量為162 n，計算結果保留一位小數）。

[生]列式計算：

即1.7億噸。

[呈現資料]資料一：玉米中淀粉含量（純度）為75%；資料二：東三省一畝地可產玉米0.7 t。

[師]如果按人工合成淀粉的路徑，將2.7億噸二氧化碳全部轉化為1.7億噸淀粉。化學教與學2022年第11期（下半月刊）

①理論上相當于多少質量的玉米經光合作用合成的淀粉？

②生產這些玉米約需要多少畝土地？

（計算結果保留一位小數）

[生]列式計算：

①m（玉米）=1.7x108t÷75%=2.3x10 8 t

②2.3x108t÷0.7 t／畝=3.3x108畝

即3.3億畝。

[師]看到這些數據，你有什么感想？

[生1]二氧化碳人工合成淀粉的技術，不僅能消耗二氧化碳實現“碳中和”，還能幫我們產糧食，節省了很多土地，真是一舉三得呀！

[生2]不僅能節省土地，還能節省大量的人力、物力、財力。

設計意圖：通過視頻介紹中國人工合成淀粉技術，拓展學生視野，激發學生民族自豪感，讓學生體會到化學在科技進步、社會發展中的作用，培養學生學習化學的信心。另外，將化學計算問題融入到真實的情境中，一方面讓學生鞏固“已知元素質量計算化合物質量”的計算，另一方面讓學生在解決生產、生活、科技中有關“量的問題”的過程中，真正體驗到定量計算在化學研究中的重要作用，深切體會到化學計算的應用價值。

（5）總結反思提升，拓展應用練習

[師]同學們來講一講，本節課我們依據化合物的化學式，學會了哪些計算？

[生]歸納小結。

[師]板書并補充完善（圖5）。

[師]除了學會這些計算方法，大家還有哪些收獲？

[生1]了解到了我們國家人工合成淀粉的技術，這真是一項了不起的研究。

[生2]化學計算格式要規范，跟數學、物理的要求有些不一樣，計算時要注意。

[生3]化學計算時，我們可以用微觀、宏觀相結合的方式來思考計算的方法。

[生4]化學計算可以解決很多生活、科技中的問題。

[師]布置課堂練習。

設計意圖：引導學生從學習內容、學習方法與思想等方面對本節課進行總結與反思，讓學生深入理解“純凈物中元素之間的質量關系”的定量思想，也進一步讓學生感受到化學與實際生活息息相關，認識到學好化學計算可以解決很多生活、科技中的問題。

四、教學反思

化學計算能力是學生化學學科能力的重要組成部分，學生只有理解了建立在化學基本概念、化學基本原理基礎上的各種化學符號語言所表示的質和量的關系，才能依據條件選擇適當關系進行計算。[2]

本節課以“碳達峰”“碳中和”為情境主題，以“16 kg甲烷完全燃燒產生的二氧化碳可以轉化成多少質量的淀粉”為計算目標，將化學計算的價值實現作為學習目的，依據認知發展線索設計3個“問題連續體”來達成計算目標。在此過程中，幫助學生厘清宏觀物質、元素、微觀分子、原子四者的聯系，解構化合物的定比定律，形成“宏一微一符”表征定量思想和“模型認知”定量方法。學生深入理解“純凈物中元素之間的質量關系”后，能根據題目中的條件選擇適當關系進行定量計算，教學過程中規范了計算格式，體現出化學計算的本質，從而讓學生體會到化學計算的應用價值。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部．義務教育化學課程標準（2011年版）[s]．北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]楊玉琴，化學計算的學科本質及其教學[J].化學教學，2013（10）：6-9．

[3] 羅月旺，李珍，楊梓生．促進初中學生定量觀建構的教學設計[J].化學教學，2017（5）：29-32.

[4]楊寶權，高原．基于“有意義的學習經歷”的化學概念教學[J].中學化學教學參考，2018（9）：23-26.