摘要： 在初中化學計算教學中運用實驗創(chuàng)設有趣而又有意義的情境，讓學生從不同的角度、不同的側面理解化學反應中各物質的數(shù)量關系，體會定量研究在化學科學中的價值，學習和提高化學計算的基本方法和技能。

關鍵詞： 實驗情境; 化學計算; 化學教學; 教學設計

文章編號： 1005-6629（2018）11-0052-04中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

從化學計算的發(fā)展史來看，第一個把數(shù)學和化學相結合并取得重大成果的人是德國化學家里希特（1762～1807）[1]。里希特有很高的數(shù)學修養(yǎng)，他在質量守恒理論的指導下第一次提出“化學計算”這一術語，創(chuàng)立了化學反應中各種物質之間質量比的計算方法。在研究方法上，他也不只局限于對物質變化的定性觀察，而是將數(shù)學、物理等知識與化學相融合，開展了定量分析，為化學發(fā)展成為一門可以用數(shù)字表示的真正的科學做出了貢獻。但“化學計算”不是空穴來風，而是基于化學實驗事實。里希特試圖推導出適應于所有化學反應過程的數(shù)學公式，結果失敗了，因為化學反應千變萬化，反應過程本身亦紛繁復雜。所以從量的角度解決化學問題并非單純的數(shù)學運算，也并非簡單的方法、技巧等技能的操練，而是以基本概念、基本理論、元素化合物知識為基礎，以化學式、化學方程式及溶液組成等蘊含的量的關系為依據(jù)，進行分析、判斷、推理、運算的過程。

從化學計算的教學方法來看，化學計算是初三學生學習化學的一個難點，也是造成學生兩極分化的一個原因。“依據(jù)化學方程式的計算”的教學，一些教師的習慣模式是“范例展示—模仿練習—錯誤分析—強化訓練”，按照“設、式、量、比、算、答”的程序來組織教學。學生看似掌握了化學計算技能，但是實際上缺乏對定量研究物質變化的理解。如何引導學生由感性到理性、由定性到定量來認識化學變化，正確理解與化學變化有關的定量計算問題，是擺在我們面前的重要課題。初中化學計算教學應該依據(jù)課程標準，設計化學計算教學情境，幫助學生從宏觀與微觀、定性與定量相結合的視角去理解、掌握化學計算的基本方法和技能。

1 從課標的視角理解化學計算教學的內涵

“依據(jù)化學方程式的計算”[2]是上海教育出版社義務教育化學教材（以下簡稱“滬教版教材”）第4章第3節(jié)的內容，義務教育化學課程標準不僅要求“能根據(jù)化學方程式進行簡單的計算”，而且要求“認識定量研究對于化學科學發(fā)展的重大作用”[3]。這就意味著我們不應單純地從數(shù)字運算的角度教化學計算，更要讓學生明白在化學中“為什么要計算”以及“怎樣計算”？

“依據(jù)化學方程式的計算”是整個中學階段的化學計算所采用的基本計算方法，這節(jié)課的學習將為學生建立正確的化學計算的學科觀念打下基礎。

在滬教版教材的第3章中，學生已經學習了利用化學式計算化合物中元素的質量分數(shù)的方法，在本節(jié)中又學習了質量守恒定律和化學方程式，這些概念及原理為定量研究化學變化提供了基本依據(jù)。在教學中我們發(fā)現(xiàn)，學生在化學符號與其蘊含的數(shù)目、質量等關系以及微觀與宏觀相結合方面存在較大的困難。因此在本課的教學中，要在學生的認知順序和心理發(fā)展順序的基礎上引導學生以化學計算為載體綜合運用實驗操作、物質制備及其性質等知識，加深對化學反應中元素不變和質量守恒的理解。為此，筆者對教材進行了深入的挖掘和創(chuàng)新，創(chuàng)設了有趣而又有意義的實驗情境，并依據(jù)實驗數(shù)據(jù)來設計計算題，使學生體會計量操作所得數(shù)據(jù)在化學變化中的意義，認識到化學計算是建立在化學基本概念、基本原理、符號表征基礎之上的，并且在實際生產和生活中具有廣泛的應用價值。

2 設計具有真實應用情境的化學計算

在化學實驗、化學科學研究和生產生活中存在著大量需要從量的角度去解決的化學問題，教師應該善于將化學計算置于這些情境中。尤其是趣味實驗，以其簡單的操作，有趣的現(xiàn)象對初中學生會產生極大的吸引力。在課堂教學過程中，教師應立足于學生的認知基礎，大力開發(fā)教材的實驗功能，以激活學生原有的知識[4]。筆者在本節(jié)課上設計了2個將反應物“量化”的課堂演示實驗，創(chuàng)設了真實的實驗情境條件下的化學計算，用實驗穿針引線，把計算融入到對化學實驗探究問題的解決過程中，這樣就還原了化學計算的本質——從定量的角度研究化學變化。

本節(jié)課實驗的設計重在創(chuàng)設真實的實驗背景，巧妙串聯(lián)教師精心設計的計算題及反思。由于不是實驗課，實驗操作要簡便易行，不糾結在繁雜的實驗細節(jié)上，突出計量操作所得數(shù)據(jù)的物理量的意義。在設計習題時，由于是新授課，按照逐步推進的基本教學原則嚴格控制問題的難度。

2.1 “象鼻牙膏”演示實驗

[實驗藥品及儀器]51mL 30%雙氧水、二氧化錳粉末、家用洗潔精、250mL錐形瓶

[實驗原理及過程]量取51mL雙氧水，向其中加入少量洗潔精，混合均勻，放在熱水浴中預熱1分鐘，注入裝有二氧化錳粉末（先用少量的水潤濕，以增大與雙氧水的接觸面積）的250mL錐形瓶底部，即刻有灰黑色的泡沫像擠牙膏似地從筒口不斷涌出，長長的、彎彎的泡沫片刻間溢出，酷似“象鼻子”。這是因為過氧化氫在二氧化錳催化下迅速分解生成大量氧氣，氧氣逸出與發(fā)泡劑形成泡沫。在泡沫涌出的過程中，教師請學生協(xié)助將帶火星的木條伸入“象鼻子”里，并提問帶火星的木條復燃的緣由。

[教學過程]教師告訴學生實驗中使用了含17g過氧化氫的雙氧水，并請一位學生上臺板演反應的化學方程式。教師評價后簡述“象鼻子”實驗原理。

[提問]以過氧化氫分解反應為例說明化學方程式能表示哪些含義？

[學生回答]表示過氧化氫在催化劑作用下分解生成水和氧氣這個事實。

[教師補充]

（1） 微觀意義

每2個過氧化氫分子分解成2個水分子和1個氧氣分子，分子個數(shù)之比為：

（2） 宏觀意義

每68份質量的過氧化氫分解成36份質量的水和32份質量的氧氣，其質量之比為：

[教師反問]“象鼻子”為什么會長這么長呢？

[教師啟發(fā)]形成象鼻子主要是由于反應放出大量氧氣，氧氣越多，鼻子越長，我們能否估算實驗中放出多少氧氣？

[過渡提問]17g過氧化氫能生成多少克氧氣呢？

由此引出依據(jù)化學反應中物質之間質量比的方法計算生成物的質量的例題1。

設計意圖： 這個實驗有三個功能。一是激趣，夸張有趣的實驗有效地激發(fā)了學生積極的情緒并將學生帶入探究的課堂。帶火星的木條提醒學生自然聯(lián)想到泡沫中有氧氣，教師別出心裁的呈現(xiàn)方式開闊了學生的視野。二是借助雙氧水制取氧氣的反應從微觀與宏觀相結合的角度復習化學方程式的含義，讓學生體會化學符號中蘊含的量的關系，為下面的化學計算做好充分的知識準備。三是根據(jù)這個實驗背景編寫了一個關于“象鼻子”長度的計算題。

[例題1]在上述“象鼻子”實驗中，使用了51mL含17g過氧化氫的雙氧水，在催化劑作用下最多能產生多少克氧氣？

設計意圖： 例題1中數(shù)據(jù)有真實的實驗背景，但在編制習題時根據(jù)實際實驗用量（30%雙氧水51mL、密度為1.11g·mL―1），避開學生沒有學到的溶液質量分數(shù)等較為復雜的數(shù)據(jù)，簡化為較接近學生認知水平的“17g過氧化氫”這一質量數(shù)據(jù)。

例題1的作用是示范引領，是整節(jié)課的重點內容。因此在教學中教師將5個步驟整齊地板書并重復強調。在算出氧氣質量后，將計算“象鼻子”長度的物理和數(shù)學公式直接展示給學生，重點突出，難點分散，估算出的“象鼻子”長度與實驗中看到的視覺沖擊印象比較吻合，使這一實際問題有效解決。

[練習1]實驗室要用雙氧水制取8g氧氣，試計算有多少克過氧化氫參與反應？

設計意圖： 練習1的作用是讓學生模仿練習，兩道題目都與過氧化氫的反應有關聯(lián)，讓學生做起來也饒有興趣，并且教師將題目變式為由生成物來計算反應物。課堂采用學生板演、同桌互助的方式，便于檢驗學生學習情況及時發(fā)現(xiàn)問題。

2.2 “固液”反應演示實驗

師生共同配平化學方程式并復習配平化學方程式的依據(jù)。

以此實驗為真實背景，設計例題2與練習2并進行反思。

設計意圖： 氧化銅與鹽酸反應的實驗是一個操作很簡便的試管實驗，但是它在本節(jié)課所承擔的作用卻不容低估： 一是自然地引入具有實驗情境的化學計算題;二是讓學生練習觀察實驗現(xiàn)象并養(yǎng)成準確進行語言描述的習慣;三是此處也是預設一個具體的問題情境，為解決反思性問題埋下伏筆。

[例題2]試計算0.4g氧化銅黑色粉末加入足量的稀鹽酸充分反應后可以生成多少克氯化銅？

[練習2]0.4g氧化銅與足量稀鹽酸反應生成氯化銅溶液，求鹽酸中參與反應的氯化氫的質量？（若生成氯化銅理論上須消耗0.365g HCl，由于稀鹽酸過量，回避了氯離子與銅離子形成配合物的復雜情形。）

設計意圖： 例題2與練習2中的數(shù)據(jù)也是演示實驗中的實際用量，在加熱條件下黑色氧化銅固體完全溶解形成綠色溶液。在實驗現(xiàn)象的輔助下，學生比較輕松地理解了反應物“足量”的含義。教師與學生共同的練習使課堂學習的計算方法再次呈現(xiàn)，以加深學生對五個計算步驟的印象，進一步強化解題的規(guī)范，而且回避了“過量計算”問題。練習2的計算數(shù)據(jù)又可以幫助學生理解問題反思。

在習題呈現(xiàn)方式上設計了多種變式，這些教學措施的變換是根據(jù)學生的認知過程設計的，不但豐富了課堂形式，突出了教學重點，更重要的是消除了學生對化學計算的畏難情緒，學生在各種不同的訓練中，嘗試到成功的快樂，逐漸對枯燥的計算課產生興趣。

3 提升學生對實驗數(shù)據(jù)在化學計算中的應用與理解能力

在中學化學計算教學中，教師投入大量時間和精力在計算技巧、方法的傳授上，甚至編出許多抽象、繁雜、脫離生產生活實際的“假題”讓學生反復練習，但學生還是不得要領。原因是忽略了計算的前提應是具有可操作性的測量方法及其數(shù)據(jù)分析。筆者將計算問題置于真實的情境中，讓學生在解決實驗室及生產生活中有關“質量、體積”等的實際測量問題時，真正體驗到定量研究的操作方法。教師通過反思性問題的提出也進一步延伸了實驗數(shù)據(jù)的應用價值。

[反思1]實驗室用含17g過氧化氫的雙氧水按照如圖1所示的裝置來制取并收集氧氣，能收集到8g氧氣嗎？

設計意圖： 通過這個問題的討論，讓學生體會“依據(jù)化學方程式的計算”僅僅是理論計算，實際測量中要考慮到裝置的合理性、氣體在水中的溶解性及排水法收集氣體的純度等各種因素。

因此練習1應改為“實驗室要用雙氧水制取8g氧氣，試計算理論上至少要有多少克過氧化氫參與反應？”因為過氧化氫要分解、氧氣還有一部分溶解在水中……這些都是得不到的氧氣。實際得到8g氧氣的話，真正消耗過氧化氫的質量應該超過理論計算量。

[反思2]將例題2中的“足量的稀鹽酸”改為“10mL含2g HCl的稀鹽酸”計算結果是否會改變？請你結合實驗現(xiàn)象說明理由。（學生對這個問題感到突然，大家不敢講話了。）

[教師引導]某同學敘述的哪個實驗現(xiàn)象說明反應物的用量？

[學生]計算結果不變，因為黑色固體消失說明氧化銅完全反應掉了，鹽酸是過量的。（一位同學舉手回答，全班響起了掌聲。）

設計意圖： 通過演示實驗讓學生觀察到0.4g CuO全部消失，要求學生根據(jù)氧化銅的質量計算生成的CuCl2的質量，在鹽酸中的HCl這個反應物上進行了變式思考，先是足量鹽酸，再改成20mL含4g HCl的稀鹽酸，并且與化學反應的現(xiàn)象和練習2的計算結果相聯(lián)系，學生較容易理解在遇到多個數(shù)據(jù)時如何選擇。

通過以上有實驗背景的計算，學生不難從真實的“數(shù)據(jù)”中理解“真實的化學”，從而建構有意義的深度學習。

綜上所述，“依據(jù)化學方程式的計算”實質上也意味著化學計算的重點并不在單純的數(shù)字運算方法上，而是對化學概念、原理以及物理量關系的理解上。關鍵是看學生能否真正理解這類問題的化學意義并找到比例關系，即能否找到化學反應中的相關物質，以及已知量和未知量之間的對應物理量關系。只有理解了建立在質量守恒定律上的化學方程式中各種質和量的物理量關系，才能依據(jù)條件選擇適當?shù)拇鷶?shù)關系進行計算[5]。

總體而言，這節(jié)課在充分把握教材的邏輯順序、學生的認知順序和心理發(fā)展順序的基礎上，通過創(chuàng)設真實和實用的情境，構建了實驗和計算有機融合的個性化課堂，還原了化學計算的本質。整節(jié)課突出了“依據(jù)化學方程式中物質之間的質量比關系”，通過有目的、有計劃地對問題進行合理的轉化，讓學生從不同的角度、不同的側面去認識化學反應中各物質的質量關系，在理解中學習，從而形成了一定的遷移能力，取得了良好的教學效果，為以后化學計算素養(yǎng)的提升奠定了基礎。

參考文獻：

[1]汪朝陽，肖信.化學史人文教程[M].北京： 科學出版社， 2010： 19.

[2]王祖浩，王磊主編.全日制義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].上海： 上海教育出版社， 2012： 107～108.

[3]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準[S].北京： 北京師范大學出版社， 2011： 27.

[4]楊硯寧.巧設實驗 讓經典煥發(fā)新意——“化學反應中物質的質量關系”課堂實驗教學設計分析[J].化學教育， 2016， 37（11）： 66～68.

[5]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.