初中化學(xué)定量觀的內(nèi)涵及其教學(xué)價值

羅月旺　李珍

摘要：從教學(xué)觀察和實踐來看，初中化學(xué)教學(xué)的難點很大程度就是學(xué)生對有關(guān)知識的“計量”沒能深刻理解。為此，基于化學(xué)學(xué)科特點，在物質(zhì)和物質(zhì)變化的層面，從宏觀與微觀的視角，揭示出初中化學(xué)定量觀的三點內(nèi)涵：計量知識、計量思維和計量手段，并探討其教學(xué)價值。

關(guān)鍵詞：物質(zhì)；物質(zhì)變化；定量觀

文章編號：1008-0546（2016）08-0020-04 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.08.008

初中化學(xué)定量觀是指有關(guān)物質(zhì)及其物質(zhì)變化計量關(guān)系的思想，從宏觀與微觀的角度定量認(rèn)識物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和變化之間的數(shù)量關(guān)系。初中化學(xué)有關(guān)定量的內(nèi)容貫穿運用在教學(xué)各階段，例如，空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的測定、電解水實驗、化學(xué)符號的書寫、純凈物中各元素的質(zhì)量關(guān)系、化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系、溶液組成及物質(zhì)的溶解度、溶液酸堿度、元素與人體健康等，只有從定量的角度去理解和應(yīng)用，學(xué)生才能對物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象或結(jié)果背后計量的本質(zhì)進(jìn)行深刻理解并解決有關(guān)問題。但從教學(xué)觀察和實踐來看，很多初中化學(xué)教師對量的認(rèn)識比較片面，沒有認(rèn)識到定量觀在幫助學(xué)生深刻理解有關(guān)知識、培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)等方面的教學(xué)價值，只當(dāng)作知識性知識來教學(xué)，沒有引導(dǎo)學(xué)生從定量的角度來認(rèn)識物質(zhì)及其物質(zhì)變化，造成學(xué)生的定量思維水平很低，化學(xué)用語、化學(xué)計算等有關(guān)定量的內(nèi)容成了教學(xué)難點。為此，揭示初中化學(xué)定量觀的內(nèi)涵，探討建構(gòu)初中化學(xué)定量觀的教學(xué)價值很有意義。

定量觀是一種觀念性知識，有其知識屬性和思維屬性。化學(xué)研究的物質(zhì)及其物質(zhì)變化存在計量關(guān)系。從計量知識來看，其計量關(guān)系主要有兩個基本物理量：“數(shù)量”和“質(zhì)量”，并由此延伸出濃度、酸堿度、反應(yīng)速率等物理量；從計量思想來看，定量觀是研究化學(xué)問題的重要思想方法，是用統(tǒng)計思想將宏觀事實與微觀本質(zhì)聯(lián)系起來，并將結(jié)果用符號來表征；從計量手段來看，初中化學(xué)的計量手段主要用了已知事實和實驗手段。為此，以物質(zhì)及其物質(zhì)變化的知識為載體，揭示初中化學(xué)定量觀的計量知識、計量思想和計量手段方面的整體內(nèi)涵。同時學(xué)生在獲取計量數(shù)據(jù)的過程中建構(gòu)計量思想，掌握獲取數(shù)據(jù)的計量手段，這三個方面互相影響，互相促進(jìn)，構(gòu)成初中化學(xué)定量觀的內(nèi)容體系，如圖1所示：

一、初中化學(xué)定量觀的內(nèi)涵

（一）物質(zhì)及其物質(zhì)變化存在定量關(guān)系

1. 純凈物的組成存在固定的數(shù)量和質(zhì)量的關(guān)系。

任何純凈物都有固定的組成，不同的物質(zhì)組成不同。從定量的角度認(rèn)識純凈物的固定組成才能夠很好地揭示物質(zhì)的本質(zhì)。

物質(zhì)是由元素這一基本要素組成的。不同元素原子的核電荷數(shù)（即質(zhì)子數(shù)）不同（從元素層面對原子進(jìn)行分類），元素排列是有規(guī)律性的（根據(jù)元素原子的核內(nèi)質(zhì)子數(shù)（原子序數(shù)）遞增排成元素周期表）；元素原子相互結(jié)合的數(shù)量關(guān)系有一定規(guī)律性（用元素化合價來定量描述不同元素原子之間相互化合的數(shù)量比關(guān)系）。

物質(zhì)是有結(jié)構(gòu)的（構(gòu)成物質(zhì)的基本微粒有分子、原子和離子，原子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本的微粒）。結(jié)構(gòu)是有層次的（每一種微粒都有獨特的或固有的組成與結(jié)構(gòu)），原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本微粒。

微小原子的質(zhì)量計量用相對原子質(zhì)量表示（原子質(zhì)量是定量研究化學(xué)的基礎(chǔ)量），分子質(zhì)量用相對分子質(zhì)量表示。元素質(zhì)量是該元素原子質(zhì)量的總和，物質(zhì)中元素之間有質(zhì)量關(guān)系（用元素質(zhì)量比或元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)等方法來表示）。

例如物質(zhì)二氧化碳的知識性定量內(nèi)涵是二氧化碳由碳、氧元素組成，碳、氧元素的原子質(zhì)子數(shù)分別為6和8，在元素周期表中氧元素在碳元素的后兩位；碳元素與氧元素結(jié)合時，碳元素顯+4價、氧元素顯-2價；二氧化碳由CO2分子構(gòu)成，1個CO2分子由1個碳原子和2個氧原子構(gòu)成，CO2分子中碳原子與氧原子個數(shù)比為1∶2；碳原子質(zhì)量很小，其相對原子質(zhì)量為12；二氧化碳的相對分子質(zhì)量為44；碳元素與氧元素的質(zhì)量比為3∶8；二氧化碳中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.3%、氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72.7%。

2. 混合物的組成存在一定的定量關(guān)系。

混合物由多種物質(zhì)組成，混合物中各組分的含量一般不同，科學(xué)地進(jìn)行定量表示，水溶液是生產(chǎn)生活中最常見的混合物。例如空氣中氧氣的含量用體積分?jǐn)?shù)表示，溶液中溶液的質(zhì)量等于溶質(zhì)質(zhì)量+溶劑質(zhì)量、在溶液中溶質(zhì)的含量用溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示；固體物質(zhì)的溶解有一定的限度，用溶解度來表示；溶液的酸堿度用pH值來表示等。

3. 物質(zhì)變化按一定的數(shù)量和質(zhì)量關(guān)系發(fā)生。

物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程是原子的規(guī)律性重組過程。化學(xué)反應(yīng)存在一定的數(shù)量和質(zhì)量的關(guān)系，這種定量關(guān)系是有規(guī)律性的。

物質(zhì)轉(zhuǎn)化都要遵守質(zhì)量守恒定律，這是基于反應(yīng)前后元素守恒（元素種類和質(zhì)量不變），基于反應(yīng)前后原子種類、數(shù)目、質(zhì)量不變的結(jié)果。

化學(xué)反應(yīng)中各微粒是按一定的數(shù)量比發(fā)生的，物質(zhì)轉(zhuǎn)化前后各物質(zhì)質(zhì)量是按一定的質(zhì)量比發(fā)生的。

中和反應(yīng)的微觀實質(zhì)是H+和OH-結(jié)合生成H2O分子。

例如水電解反應(yīng)，實質(zhì)是氫原子和氧原子的規(guī)律性重組，反應(yīng)前后原子的種類、數(shù)目和質(zhì)量不變，反應(yīng)前后氫元素和氧元素的質(zhì)量不變，反應(yīng)前后H2O分子、O2分子與H2分子的個數(shù)比為2∶1∶2，參加反應(yīng)的水與生成的氧氣和氫氣的質(zhì)量比為9∶8∶1，遵守質(zhì)量守恒定律等。

（二）物質(zhì)及其物質(zhì)變化的定量關(guān)系有其計量思想

這里的計量思想主要是指在獲取、表達(dá)和分析物質(zhì)及其物質(zhì)變化存在的數(shù)量和質(zhì)量關(guān)系的過程中提煉出來，有利于計量知識的深刻理解的思維方法。初中化學(xué)定量觀的計量思想主要有科學(xué)計量思想、符號表征思想、整體局部思想和量變質(zhì)變思想，這些思想是相互交替，共同促進(jìn)計量知識的生成。

科學(xué)計量的關(guān)鍵是要明確使用什么標(biāo)準(zhǔn)來選用計量單位，計量結(jié)果要求準(zhǔn)確和簡約，是一種智慧層面的思維。例如原子的質(zhì)量很小，選用“1”（常省略）作計量單位，該計量單位是用一種碳原子的質(zhì)量的1/12作為基準(zhǔn)；元素化合價是計量不同元素的原子之間形成化合物的比例關(guān)系；固體物質(zhì)的溶解度用某一溫度下，該物質(zhì)在100g溶劑（通常為水）中達(dá)到飽和狀態(tài)時的溶質(zhì)質(zhì)量（單位：克），這一標(biāo)準(zhǔn)來計量。

符號表征思想就是將宏觀事實準(zhǔn)確、簡潔地用數(shù)量和符號來表示，變繁為簡地用化學(xué)符號將宏觀與微觀聯(lián)系起來?；瘜W(xué)符號是化學(xué)的獨特語言，是表征物質(zhì)及其物質(zhì)變化的宏觀與微觀、定性與定量思維的核心工具?；瘜W(xué)符號主要有元素符號、化學(xué)式和化學(xué)方程式（元素符號是化學(xué)符號語言的基礎(chǔ)符號），各自有其微觀與宏觀的定量意義。

用整體局部思想厘清混合物與純凈物、物質(zhì)與元素、元素與原子、分子與原子、化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)物和生成物之間的定量關(guān)系。圖2表示物質(zhì)組成中整體局部思想的定量關(guān)系。

量變質(zhì)變思想就是物質(zhì)的量與質(zhì)存在一定的關(guān)系，物質(zhì)量變到一定程度會引起質(zhì)變；自然界或生產(chǎn)生活對物質(zhì)或元素的量是有要求的，相關(guān)量（如溫度、濃度、質(zhì)量等因素）的“度”對物質(zhì)及其物質(zhì)變化有影響。通過對量的分析與推理，確定物質(zhì)會產(chǎn)生不同現(xiàn)象或結(jié)果的質(zhì)的本質(zhì)原因。例如，CO與CO2的化學(xué)性質(zhì)差異的原因分析；空氣中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)約為0.03%，空氣中二氧化碳含量過高或過低會造成自然界破壞，空氣中二氧化碳含量達(dá)一定數(shù)值，對人群產(chǎn)生有害影響；人體缺鈣易得佝僂病，鈣吸收過多容易引起動脈硬化；降水的pH<5.6稱為酸雨；生鐵和鋼中含碳量與硬度和韌性關(guān)系；不飽和溶液、飽和溶液和結(jié)晶的轉(zhuǎn)化與溫度、水量和溶質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系；固體物質(zhì)的溶解度與溫度的關(guān)系。實驗室制取二氧化碳選用不純物石灰石或大理石和稀鹽酸；碳完全燃燒或不完全燃燒與氧氣量的關(guān)系；物質(zhì)爆炸極限數(shù)值；中和反應(yīng)實驗滴入稀鹽酸的量與溶液酸堿性變化的關(guān)系等。

（三） 已有事實和實驗是獲取物質(zhì)及物質(zhì)變化定量關(guān)系的重要手段

物質(zhì)及物質(zhì)變化存在的定量關(guān)系是客觀存在的，可以進(jìn)行定量研究 。測定或獲取、分析數(shù)據(jù)、表達(dá)數(shù)量是定量認(rèn)識物質(zhì)及物質(zhì)變化本質(zhì)的重要途徑。初中化學(xué)教學(xué)主要用已有事實和實驗來獲取物質(zhì)及物質(zhì)變化的定量關(guān)系。

①已有事實手段。初中化學(xué)通過已有事實獲取定量關(guān)系的方式主要有微觀圖、史實資料和人們認(rèn)知習(xí)慣等。例如通過精密儀器獲得的水分子模型幫助學(xué)生得出水可以用H2O來表示，通過水分解過程的微觀示意圖得出化學(xué)變化的微觀實質(zhì)是原子的規(guī)律性重組過程；從探索原子結(jié)構(gòu)奧秘的史實資料中，認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)；根據(jù)人們的認(rèn)知習(xí)慣獲得溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、飽和溶液與不飽和溶液、溶解度等概念。物質(zhì)及物質(zhì)變化的定量關(guān)系用計量手段獲取。

②實驗探究手段。從實驗內(nèi)容來看，初中化學(xué)有關(guān)計量的典型實驗主要有測定空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)、電解水實驗（獲取水的組成）、配制一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液和中和反應(yīng)實驗等。從實驗技能來看，實驗儀器規(guī)格、藥品用量等常常要控制量。從實驗思想方法來看，實驗探究過程中常常要控制變量（控制無關(guān)變量、測量自變量和因變量）、誤差分析有關(guān)的量等。

二、建構(gòu)初中化學(xué)定量觀的教學(xué)價值

任何化學(xué)現(xiàn)象或事實背后都存在數(shù)量關(guān)系，定量觀是化學(xué)問題的本體特征，也是研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和變化的重要思想方法?！霸印?、“元素”是定量概念的兩個核心基本量。初中化學(xué)定量觀的建構(gòu)過程從“原子”、“元素”出發(fā)，使學(xué)生深刻地理解物質(zhì)及其物質(zhì)變化的計量成因，并從宏觀與微觀的角度研究物質(zhì)及其物質(zhì)變化的計量關(guān)系。定量觀的建構(gòu)與化學(xué)基本觀念的形成互相作用，共同發(fā)展。同時，在定量觀的建構(gòu)過程中促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

（一）增進(jìn)學(xué)生對計量知識的深刻理解

知識是觀念的載體，將知識轉(zhuǎn)化為觀念，才能實現(xiàn)知識的深刻理解和靈活遷移。讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)形成觀念關(guān)鍵是把教學(xué)的著眼點從關(guān)注后端（知識結(jié)論）變?yōu)殛P(guān)注前端（知識結(jié)論的生成過程），厘清計量的成因來解構(gòu)化學(xué)的有關(guān)符號、概念和理論，把知識的學(xué)習(xí)由記憶轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)現(xiàn)，增進(jìn)學(xué)生對計量知識的深刻理解。在初中化學(xué)教學(xué)中，學(xué)生通過事實證據(jù)和實驗探究等手段獲取物質(zhì)及物質(zhì)變化定量關(guān)系，厘清計量的成因，注重規(guī)律的揭示，防止定量內(nèi)容數(shù)字化，讓學(xué)生理解性地學(xué)，加深對計量知識和計量思想的理解和掌握。學(xué)生定量觀的建構(gòu)在學(xué)習(xí)過程中有著不可替代的作用。例如，學(xué)習(xí)“溶液”的定量知識，關(guān)鍵不在多記多練，而是要幫助學(xué)生厘清溶質(zhì)、溶劑、溶液、溶解度及溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的定量關(guān)系，認(rèn)清溶液中的定量變化。 “氫氣在氧氣中燃燒”反應(yīng)物質(zhì)之間的質(zhì)量關(guān)系的理解過程如圖3所示：

（二）促進(jìn)學(xué)生對化學(xué)基本觀念的深刻理解。

知識不是孤立存在的，在知識的基礎(chǔ)上形成的觀念也必然存在依賴關(guān)系?；瘜W(xué)基本觀念能促進(jìn)學(xué)生定量觀的理性建構(gòu)，定量觀的培養(yǎng)又反過來強化學(xué)生對化學(xué)基本觀念的深刻理解，它們互相作用，共同發(fā)展。初中化學(xué)定量觀的核心知識與其蘊涵的化學(xué)基本觀念之間的關(guān)系，如表1所示：

（三）轉(zhuǎn)變教師的教學(xué)行為

教師對定量內(nèi)容的認(rèn)識不同，其教學(xué)行為也就不同。目前，初中教師的定量意識不高，多數(shù)教師只停留在定性層面進(jìn)行教學(xué)，沒有認(rèn)識到定量觀也是一種重要的學(xué)科觀念，沒有深刻地理解建構(gòu)定量觀的作用和意義。定量觀的建構(gòu)教學(xué)就是一種觀念教學(xué)，有利于教師從知識為本的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橛^念為本的教學(xué)，也有利于學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，形成科學(xué)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。例如，在原子結(jié)構(gòu)的教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)起原子由三種粒子構(gòu)成，其中電荷守恒和質(zhì)量守恒，原子得失電子形成離子，同類原子的核電荷數(shù)（質(zhì)子數(shù)）相同稱為某元素，原子的質(zhì)量很小，用相對原子質(zhì)量來計量原子質(zhì)量等的定量觀，從而使學(xué)生建構(gòu)起原子結(jié)構(gòu)的定量內(nèi)容體系。

（四）有利于學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

如果學(xué)生能用定量思維來分析認(rèn)識物質(zhì)，理解其中的定量關(guān)系，掌握問題解決的思想和手段。那么，學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)將大大提高?；瘜W(xué)核心素養(yǎng)包括：宏觀與微觀結(jié)合的思想、物質(zhì)分類思想、辯證思維、模型認(rèn)知、科學(xué)探究和綠色化學(xué)。初中化學(xué)定量觀的計量知識和計量思想的建構(gòu)過程中，逐漸提高學(xué)生的宏微結(jié)合思想、物質(zhì)分類思想、辯證思維和模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)，計量手段的科學(xué)應(yīng)用也必然提高學(xué)生的科學(xué)探究能力和綠色化學(xué)思想。例如，滬教版在中和反應(yīng)實驗過程中“用玻璃棒蘸取實驗1所得溶液”；用白色點滴板作反應(yīng)容器檢驗溶液的酸堿性；在“硫在氧氣中燃燒”的實驗中，用一支細(xì)玻璃棒做成的微型燃燒匙作改進(jìn)實驗就是從定量角度體現(xiàn)了綠色化學(xué)思想。

化學(xué)是在分子、原子的水平上研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化的科學(xué)，這些研究離不開定量觀的支撐。初中化學(xué)定量觀的建構(gòu)意義，不僅是知識的本身，還是研究物質(zhì)及其物質(zhì)變化的重要思維方法和手段，同時培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)、實驗安全等科學(xué)品質(zhì)，提高初中生的化學(xué)核心素養(yǎng)，并有利于初高中化學(xué)定量觀知識的銜接。

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