基于教材中數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的實(shí)踐探索

丁浩

摘要：化學(xué)教材中涉及大量的定量數(shù)據(jù)，教學(xué)中教師要幫助學(xué)生厘清數(shù)據(jù)修約規(guī)則、挖掘數(shù)據(jù)隱含信息、拓展數(shù)據(jù)運(yùn)用價(jià)值，以發(fā)揮數(shù)據(jù)的最大功效，使其更好地服務(wù)于教學(xué)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)教材；數(shù)據(jù)處理；教材分析

文章編號(hào)：1005–6629（2015）7–0014–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

數(shù)據(jù)是精辟、適度概括的語(yǔ)言，具有精確和蘊(yùn)意豐富等特點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中，教師會(huì)用到各種數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生的條件和背景不同，來(lái)源也不同，可能源于教材或是其他文獻(xiàn)，也可能是源于科研論文或?qū)嶋H生產(chǎn)。對(duì)這些數(shù)據(jù)，不能只進(jìn)行簡(jiǎn)單的呈現(xiàn)，而要幫助學(xué)生厘清數(shù)據(jù)的含義，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚砗鸵饬x拓展，使學(xué)生更容易理解其內(nèi)涵，以期獲得更好的教學(xué)效果。本文以化學(xué)教材中的相關(guān)數(shù)據(jù)為例，談?wù)剶?shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。

1 厘清數(shù)據(jù)修約規(guī)則，明確相應(yīng)實(shí)現(xiàn)途徑

數(shù)據(jù)一般由數(shù)值和單位組成，而數(shù)值又是用具體數(shù)字表示的。在不同的場(chǎng)合需要用到不同的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)數(shù)值精確程度的要求也不盡相同?；瘜W(xué)教學(xué)在涉及具體的數(shù)據(jù)時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生厘清相關(guān)數(shù)據(jù)的修約規(guī)則，知道具體數(shù)據(jù)的可能來(lái)源，以及實(shí)現(xiàn)或獲取這些數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)途徑，從而使學(xué)生具備相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技能。

例如，蘇教版《化學(xué)1》[1]在“溶液的配制及分析”的“活動(dòng)與探究”部分，設(shè)置了配制100mL 0.100 mol·L-1 Na2CO3溶液的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生計(jì)算所需碳酸鈉固體的質(zhì)量并完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作。這其中涉及到了有效數(shù)字的問(wèn)題。有效數(shù)字是指在實(shí)驗(yàn)中實(shí)際能夠測(cè)量到的數(shù)字，而能夠測(cè)量到的是包括最后一位估計(jì)的，即不確定的數(shù)字。因此有效數(shù)字在一定程度上依賴于測(cè)量?jī)x器的精確度，數(shù)值的有效數(shù)字位數(shù)越多，對(duì)應(yīng)的稱量?jī)x器的精確度也越高。對(duì)于100mL 0.100 mol·L-1的碳酸鈉溶液，所需碳酸鈉固體質(zhì)量為1.06g。配制溶液的濃度有三位有效數(shù)字，為了保證實(shí)驗(yàn)的精確度，應(yīng)該使用分析天平（或電子天平）準(zhǔn)確稱取碳酸鈉固體1.06g。由于對(duì)數(shù)據(jù)的內(nèi)涵不夠清晰，有些教師往往讓學(xué)生直接采用托盤天平稱取1.1g碳酸鈉固體，這樣得到的溶液的濃度與0.100 mol·L-1之間存在誤差，使得實(shí)驗(yàn)的精確度有所下降，達(dá)不到精確配制溶液的目的。

由于數(shù)據(jù)的大小和有效數(shù)字位數(shù)的多少，不僅代表了某物質(zhì)具體量的不同，同時(shí)也體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確度不同，或?qū)?shí)驗(yàn)器材的要求不同。所以，教學(xué)中要結(jié)合具體情況做出說(shuō)明，讓學(xué)生明白有效數(shù)字與實(shí)驗(yàn)儀器及其準(zhǔn)確度的關(guān)系。如稱量1.8g的樣品用托盤天平即可，而稱取0.7865g的樣品必須用分辨值為0.1mg的分析天平；量取5.0mL和5.00mL溶液時(shí)，則應(yīng)分別選用10mL量筒和10mL移液管；量取21.05mL 0.1000 mol·L-1鹽酸，則要采用酸式滴定管。這樣，學(xué)生不僅能體驗(yàn)到這些數(shù)據(jù)的來(lái)歷，而且能懂得正確記錄測(cè)量值對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確度的保證作用。對(duì)于上述碳酸鈉溶液配制等問(wèn)題，人為地增加或減少有效數(shù)字的位數(shù)會(huì)導(dǎo)致概念理解的偏差，在教學(xué)中要為學(xué)生發(fā)展預(yù)留空間，為學(xué)生形成較為完整的科學(xué)概念奠定基礎(chǔ)。由于高中生比較熟悉的稱量?jī)x器是托盤天平，而且有些學(xué)校沒(méi)有分析天平（或電子天平），或分析天平的數(shù)量不能滿足學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的需要，這時(shí)要與學(xué)生說(shuō)清楚，使用精確度不同的天平，得到數(shù)據(jù)的有效數(shù)字會(huì)有所差異，如果使用托盤天平稱量碳酸鈉固體，質(zhì)量是1.1g，這樣得到溶液的濃度精確度達(dá)不到0.100 mol·L-1。

2 挖掘數(shù)據(jù)隱含信息，深入理解其中奧秘

教材所呈現(xiàn)的一些數(shù)據(jù)，有時(shí)沒(méi)有“來(lái)龍去脈”，這時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效加工，引導(dǎo)學(xué)生挖掘數(shù)據(jù)隱含的信息和真相。這不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的數(shù)據(jù)意識(shí)，重視數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，更重要的是能引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)據(jù)中獲取信息，促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)探究，形成有效的解決問(wèn)題的能力，而且加工和處理數(shù)據(jù)的實(shí)踐過(guò)程，還有利于學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

例如，在《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》模塊的“共價(jià)鍵的類型”教學(xué)中，為了使學(xué)生理解有關(guān)鍵能的數(shù)據(jù)，可以設(shè)問(wèn)：“碳碳單鍵和雙鍵的鍵能分別為348 kJ·mol-1和615 kJ·mol-1，從共用電子對(duì)數(shù)量看，兩者是1：2，但碳碳雙鍵的鍵能小于碳碳單鍵鍵能的兩倍（615 kJ·mol-1<2×348 kJ·mol-1）。其中的原因是什么呢？”然后引導(dǎo)學(xué)生從軌道重疊的方式來(lái)解釋。學(xué)生意識(shí)到碳碳單鍵是碳原子之間通過(guò)sp3雜化軌道“頭碰頭”重疊形成的σ鍵，而碳碳雙鍵是碳原子之間通過(guò)sp2雜化軌道“頭碰頭”重疊形成一個(gè)σ鍵的同時(shí)，未雜化的p軌道“肩并肩”形成一個(gè)π鍵，兩對(duì)共用電子對(duì)對(duì)應(yīng)原子軌道的重疊方式是不一樣的；而且由于原子軌道“頭碰頭”比“肩并肩”重疊程度大，形成的σ鍵比π鍵牢固。最后，再拋出問(wèn)題：“碳碳雙鍵中σ鍵和π鍵的鍵能分別大約是多少？乙烯發(fā)生加成反應(yīng)時(shí)哪個(gè)化學(xué)鍵發(fā)生斷裂？”這樣，學(xué)生在定性感知原子軌道重疊程度與共價(jià)鍵強(qiáng)度關(guān)系的基礎(chǔ)上，又從定量的角度比較了σ鍵和π鍵的強(qiáng)度，深化了對(duì)鍵能概念和碳碳之間單、雙鍵性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

又如，蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》教材[2]的“沉淀溶解平衡原理的應(yīng)用”中指出，“CuSO4溶液中含有Fe3+，可向溶液中加入氫氧化銅或堿式碳酸銅，調(diào)節(jié)溶液pH至3～4，鐵離子就會(huì)全部轉(zhuǎn)化為氫氧化鐵除去”。氫氧化鐵在酸性條件下能夠穩(wěn)定存在（沉淀完全）！這與常規(guī)的“酸堿反應(yīng)”產(chǎn)生認(rèn)知沖突，學(xué)生難以理解。對(duì)此，教學(xué)中可以告訴學(xué)生，在分析化學(xué)上，當(dāng)溶液中離子的濃度小于或等于1.0×10-5 mol·L-1時(shí)，就能認(rèn)為沉淀完全了。然后讓學(xué)生根據(jù)Fe（OH）3和Cu（OH）2的溶度積分別計(jì)算Fe（OH）3完全沉淀時(shí)的pH，以及此時(shí)產(chǎn)生Cu（OH）2沉淀所需要c（Cu2+）的最小值。

通過(guò)理論分析，學(xué)生認(rèn)識(shí)到由于Fe（OH）3的溶度積很小，所以O(shè)H-只需要很小的濃度就能夠使Fe3+完全沉淀，所以采用調(diào)節(jié)溶液pH至3～4的方法可以使Fe3+完全沉淀而Cu2+沒(méi)有開(kāi)始沉淀，可以除去溶液中的Fe3+。通過(guò)以上運(yùn)算，學(xué)生進(jìn)一步熟練了溶度積的相關(guān)計(jì)算，同時(shí)，這些具體的數(shù)據(jù)也增加了信息的可信度，更容易理解和接受相關(guān)除雜知識(shí)。

3 拓展數(shù)據(jù)運(yùn)用價(jià)值，優(yōu)化課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

教材中所列的某些定量數(shù)據(jù)，可能蘊(yùn)藏著非常豐富的含義，它不僅能說(shuō)明教材編寫者想說(shuō)明的問(wèn)題，而且還能用于其他知識(shí)或原理的教學(xué)。教學(xué)中對(duì)這些數(shù)據(jù)含義進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣?，并融入相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)之中，能夠充分發(fā)揮數(shù)據(jù)真實(shí)性和直觀性等特點(diǎn)的作用，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)或原理的理解，使教學(xué)更加貼近學(xué)生的思維水平，達(dá)到優(yōu)化的教學(xué)境界。

教材給出這些數(shù)據(jù)的意圖是判斷同一可逆反應(yīng)在相同溫度、不同起始濃度的情況下，達(dá)到平衡時(shí)的平衡常數(shù)相同。學(xué)生在分析中很容易發(fā)現(xiàn)，生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值基本相同，得到平均值171即為平衡常數(shù)。進(jìn)一步推知，對(duì)于任一可逆反應(yīng)，只要溫度相同，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值為一定值，該比值為相應(yīng)溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)，從而建立起平衡常數(shù)的概念。由于這些數(shù)據(jù)源自科學(xué)實(shí)驗(yàn)，具有真實(shí)、可信等特點(diǎn)，在“化學(xué)平衡的移動(dòng)”的教學(xué)時(shí)，還有其獨(dú)到的教學(xué)價(jià)值。教學(xué)中，可以先讓學(xué)生利用平衡常數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算的知識(shí)，計(jì)算出每組實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率（見(jiàn)表2）。

表2中的數(shù)據(jù)，還可以用來(lái)探究反應(yīng)進(jìn)行限度的定量表示，進(jìn)一步判斷某反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)以及平衡移動(dòng)的方向。對(duì)于教材中類似的數(shù)據(jù)，我們要注意挖掘和拓展它們的教育價(jià)值，幫助學(xué)生揭示、理解和掌握相應(yīng)的化學(xué)知識(shí)和原理。

數(shù)據(jù)是一種理性的定量表達(dá)，真實(shí)有效的數(shù)據(jù)有極大的權(quán)威性和很強(qiáng)的說(shuō)服力，深度提取其中量化信息，充分利用數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的信息，使之更符合學(xué)生的認(rèn)知特征，有利于學(xué)生在定性判斷的基礎(chǔ)上增加一些定量感知，同時(shí)發(fā)揮數(shù)據(jù)對(duì)于教學(xué)的最大功效。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王祖浩主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)[M].南京：江蘇教育出版社，2012：49.

[3]王祖浩主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)反應(yīng)原理[M].南京：江蘇教育出版社，2012：48.