指向學科能力的化學試題對教學的啟示*
——對溫州市初中學業水平考試科學試卷中“化學方程式計算題”的分析

翁慶雙 胡聲偉

（1.瑞安市教育發展研究院 浙江 溫州 325200；2.瑞安市飛云中學 浙江 溫州 325200）

學科核心素養的實質是學生順利完成學習理解、應用實踐和遷移創新的學科認識活動和問題解決活動的穩定的心理調節機制，即學生的學科能力。［1］定量計算能力是初中科學學科核心能力的構成要素之一，化學方程式計算是定量計算中的重要組成部分。

在依據課程標準命題的背景下，考試不再是缺乏“人與發展”的狹義評價。課程標準是一個完整的評價體系，能讓考試有機地融入到教育之中，成為教育過程中的重要一環。［2］溫州市初中科學學業水平考試重視對學生學科核心知識、基本技能和科學思想、方法的考查，全面考查學生的科學學科核心素養?；瘜W方程式計算所涉及到的知識和能力是初中科學學科核心素養的重要組成部分，在近5年的學業考試中，化學方程式計算的考查都是重點內容。

一、化學方程式計算的考查評價方式與特征

在每年的學業水平考試中，化學方程式計算的試題不斷推陳出新，但它們都具有鮮明的共同特征。

1.試題突出對學科核心素養的考查

從試題三要素的角度看，它們具有如下特點：

（1）考查目標相同。考查目標是對考核內容的方向性思考和把握。近5年的試題以課程標準為命題依據，考查目標相同。從知識目標看，試題考查的內容是：知道化學方程式的意義、能根據化學方程式進行生成物和反應物之間的計算。［3］從能力目標看，化學學科能力包含學習理解、應用實踐和遷移創新三個層次。［4］學習理解考查學生對基礎性內容的理解，應用實踐考查學生應對簡單變式、利用知識解決常見問題的能力，遷移創新考查學生對真實復雜問題的解決能力以及創造性思維的能力。［1］試題主要考查學生遷移創新的能力。

（2）試題情境有效。整理近5 年溫州市學業水平考試卷中“化學方程式計算題”的情境（見表1），具有如下共同特點：

表1 近5 年溫州市學業水平考試科學試卷中“化學方程式計算題”試題情境匯總

①真實性：情境源于真實的生產生活實際、科研或實驗。②適切性：符合學生的閱讀習慣和認知特點。③思想性：隱含解決問題可以遷移的思想方法。④關聯性：與設問關聯程度高，目標指向明確。

（3）設問指向明確?；瘜W方程式計算題中多涉及物質成分的變化，需要提供多種形式的信息。試題合理設置問題指向、詳細說明相關操作及影響、建立數據之間的聯系，讓學生分析信息，完成相關計算。

2.試題立足高水平學科能力的考查

學生定量化能力的形成和發展是一個由簡單到復雜、由基礎到綜合、由具體到抽象的過程，它經歷了從低水平到高水平的學習進階：認識概念或符號中所蘊含的數量關系→直接運用數量關系進行簡單計算→整合或轉換數量關系進行綜合運算→運用科學思想方法進行復雜運算。［5］由此構建根據化學方程式計算的“學習進階”構架（見圖1）。

圖1 根據化學方程式計算的“學習進階”架構

例1：溫州2021-31（1）（2）

“化學氧自救呼吸器”是一種在缺氧環境中通過制氧劑臨時供氧的裝置。制氧劑的主要成分是超氧化鉀（KO2），產生氧氣的主要原理是超氧化鉀與人體呼出的水汽反應，其化學方程式為：4KO2＋2H2O＝4KOH＋3O2↑。制氧劑中其他成分不能生成氧氣。

（1）小明設計化學氧自救呼吸器時，為確定制氧劑的用量，除了查閱人體每分鐘呼吸次數外，還需了解哪些與人體呼吸相關的數據？▲（例舉一個）。

（2）若該呼吸器需為使用者提供48 g 氧氣，則至少需要含超氧化鉀80%的制氧劑的質量是多少？

“化學氧呼吸器”在特殊人群日常保健和礦井急救中都有重要作用，本題的解答是真實情境下的問題解決過程。在實際制作過程中，使用者的用量決定了裝置的大小和結構，（1）（2）小題分別從不同角度考查化學方程式計算的相關要素。學生需要運用科學思維，綜合應用各類方法和知識進行問題分析，該題屬于水平4 的能力要求，這也是近5 年試題共同的特征。

二、根據化學方程式計算的現狀與成因分析

中學生學習根據化學方程式計算，是從量的角度豐富和完善對物質的組成、性質和變化規律的認識。［6］從學生試卷答題情況出發，可以了解學生根據化學方程式計算的能力現狀。

1.答題情況反映學科能力不足

近5年試題的難度值處于0.42-0.65之間，學生的答題情況亦有規律可循。

例2：溫州2020-32（2）

工業純堿中含少量氯化鈉。興趣小組分別采用不同的方法測定工業純堿樣品中碳酸鈉的質量分數。

（2）方法二：沉淀法。稱取15 g 樣品完全溶解于水中配成60 g 樣品溶液，取三個燒杯分三次進行實驗，每次加入30 g 氯化鈣溶液充分反應，過濾、洗滌、干燥所得的沉淀質量記錄如下表。

計算樣品中碳酸鈉的質量分數。

在學生的錯誤答案中，“將2 g（或4 g、6 g）等沉淀的質量數據代入計算，并根據計算結果得出相應的質量分數”和“將任意沉淀質量數據代入計算并得出相應結果”最具代表性?？梢姡蟛糠謱W生會利用化學方程式進行簡單計算，但并未達到遷移創新的學科能力層次。很大一部分學生的能力停留在水平2和水平3，即他們已經基本達到了知識目標，卻未能完全達到能力目標。

根據化學方程式計算的學習進階架構（見圖1），將溫州市學業考試試題進行層級拆分，并用試題對不同年級學生進行能力測驗。測試數據表明，從學生能力水平角度看，絕大部分學生能達到水平1和水平2，約80%學生能達到水平3，而能達到水平4 的學生大約只有一半。所以學生的根據化學方程式計算的能力較低，只能對知識進行較低水平的輸出。從學生能力發展角度看，能達到水平1 和水平2 的學生數量隨著學習時間的增長有明顯增加，而達到水平4（較高水平能力）的人數增長不明顯?？梢妼W生從開始學習化學方程式到參加初中學業水平考試的時間里，根據化學方程式計算能力并沒有得到有效提升。

2.學習方式反映傳統定位有不足

（1）不同學段的教學現狀。以八年級下學期學生為訪談對象，了解到教師在根據化學方程式計算的新課教學中最主要的教學形式是，以例題解答為線索進行計算流程講解，只有近一成課堂中是以解決一個具體問題的形式進行。絕大多數學生表示，在九年級下學期的復習課中，這部分內容的復習基本上以練習、講解為主要形式。在為數不多的專題復習課中，包含了情境創設、真實問題解決等要素，但這類型的教學方式所占比例極低。

可見，絕大部分老師認為根據化學方程式計算只是一種技能，將它看作通過練習即可掌握的技能，反映在教學實踐中是過多地強調模仿和練習。受這種認識的影響，教師往往將計算過程歸納為“設、寫、找、比、算、答”六個基本步驟，讓學生模仿并反復練習。［6］這種做法只能使學生暫時熟練計算技能，而不能從定量角度研究物質變化，缺乏深層次的理解。

（2）現狀和需求存在差距。課程標準要求“能根據化學方程式進行生成物和反應物之間的計算”，意味著根據化學方程式計算的重點不在于數字運算，而是對概念、原理以及量的關系的理解。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。［5］

根據化學方程式計算并非是“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、有方法地認識和操作的共同體”。根據化學方程式計算是一種能力，它是基于科學知識，運用數學方法解決物質變化中“量”的問題的能力。

由于根據化學方程式計算的傳統定位和學科本質之間的差距，形成了學生的學習方法和實際需求之間的矛盾，處于計算規則和技巧的練習狀態。這種機械式練習將根據化學方程式計算固化為某種格式，學生能力長期停留在較低水平層級。

三、基于學科能力發展進階的教學樣式建構

基于對根據化學方程式計算學科本質的理解，結合其學科能力的層級進階架構（見圖1），在不同的學習階段可采取不同的教學樣式，尊重學生循序漸進的學習規律（見圖2）。

圖2 根據化學方程式計算能力進階的教學樣式

1.凸顯學科思維的模型建構

水平1和水平2是根據化學方程式計算能力進階的基礎，各能力層級都需要正確認識科學語言背后的含義、深入理解物質變化過程中的質量守恒。其中包含物質變化過程中獨有的學科思維特點：從宏觀實驗現象入手，在分子、原子等微觀層面上建立描述，認識物質反應實質的模型，最終建立宏觀和微觀反應過程的有機聯系。

根據化學方程式計算涉及化學式、質量守恒定律、相對分子質量等多個核心概念，因此，在八年級下冊新課學習過程中，以核心概念模型建構為教學重點，使之與學科思維特點相適應。

例3：質量守恒定律的教學

質量守恒定律，既有質量的改變，又有原子排列方式的變化，可以引導學生從動態角度認識物質。本節課采用實驗和思考相結合、實物與模型相匹配的教學方法（見圖3），從宏觀到微觀、從現象到本質，幫助學生自主建構化學反應的模型。

圖3 “質量守恒定律”教學流程

2.立足過程參與的探究教學

從水平2 到水平3 的提升需要表格、圖像等素材的支持，真實性是有效素材的必備要素。在九年級上冊酸堿鹽等物質性質的學習中，涉及到多種有特點、有代表性的化學變化。以物質間的具體反應為素材背景，進行根據化學方程式的計算，在數據的獲取中不僅能深入了解物質的性質，亦能實現能力水平的遞進。

例4：酸和堿的反應

鹽酸和氫氧化鈉的反應是學生較熟悉的化學反應之一，他們已經能較熟練地分析鹽酸與氫氧化鈉反應中物質種類變化和質量比等。以此反應為背景，進行數據計算。

粗略計算。向滴有酚酞的氫氧化鈉溶液（已知濃度）中逐滴滴加稀鹽酸，記錄現象如下，計算稀鹽酸的濃度。

精確計算。利用精確度更高的酸度計測量溶液的pH，將數據繪制成圖像。學生根據圖像中的信息進行相關計算。

3.指向深度理解的任務設計

學生的思維達到水平3 后往往會進入能力提升的“瓶頸期”，這便需要教師統籌規劃，引導學生實現所學知識從碎片化到結構化的進程，實現能力的升華。

主題任務是學習的一種形式，是在學習內容和學情分析的基礎上，圍繞主題將一系列相互關聯的學習任務按一定邏輯主線排列的一種學習過程。它利用主題任務對學習內容進行統籌規劃和深度加工，并根據一定邏輯有序地開展學習活動，從而推動學生主動思考，使學生在交流合作和探索實踐的同時不斷加深對科學本質的認識，實現由淺層學習向深層學習的轉化。圍繞任務主題開展教學活動的流程見圖4。

圖4 任務主題的教學流程

例5：“氣體制取”復習課

以溫州2019-33 試題為背景，設置復習情境：在氧氣性質學習的過程中，實驗室需要提供較多氧氣。以此為任務主題，分解為以下四個子任務（見表2），以過氧化氫溶液制取氧氣為任務情境，展開復習。

表2 “氣體制取”復習課的主要任務

根據化學方程式計算是從量的角度認識物質變化，是學科能力指導下陳述性知識、程序性知識和策略性知識的綜合應用。本文正確定位，聚焦能力的進階過程，關注學生的學習歷程，以情境為媒介，用適時適量的定量計算讓學生的科學思維變得更豐富、更活躍，同時讓學生從中體驗并收獲運用數學手段解決科學問題的快樂，感受到科學思維的精巧，促進學生學科能力的有效提升。