基于真實(shí)情境的化學(xué)計(jì)算教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

李小靜

摘要：以我國(guó)提出的“碳達(dá)峰”“碳中和”的基本目標(biāo)與達(dá)成途徑為線索，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境進(jìn)行“純凈物中元素之間的質(zhì)量關(guān)系”的教學(xué)，讓學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中體驗(yàn)到定量研究方法在化學(xué)研究中的重要作用，理解化學(xué)計(jì)算的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：真實(shí)情境：化學(xué)計(jì)算；質(zhì)量關(guān)系

文章編號(hào)：1008-0546（ 2022 ）11x-0038-05

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

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

一、問(wèn)題的提出

化學(xué)計(jì)算是初中化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，在初中化學(xué)教學(xué)中占有重要地位。但由于對(duì)化學(xué)計(jì)算的定位不準(zhǔn)，初中化學(xué)計(jì)算教學(xué)中存在的普遍現(xiàn)象是：教師把化學(xué)計(jì)算當(dāng)成基本技能教學(xué)，使得教學(xué)過(guò)于模式化、程序化，過(guò)分重視計(jì)算格式的練習(xí)，卻忽略化學(xué)計(jì)算的本質(zhì)及意義。學(xué)生也習(xí)慣通過(guò)“依葫蘆畫(huà)瓢”式的機(jī)械訓(xùn)練來(lái)達(dá)到“熟能生巧”的目的，所以學(xué)生對(duì)化學(xué)計(jì)算課的普遍感覺(jué)是機(jī)械枯燥、沒(méi)有化學(xué)味道。

“純凈物中元素之間的質(zhì)量關(guān)系”是上海教育出版社義務(wù)教育化學(xué)課本第3章第3節(jié)的內(nèi)容?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》對(duì)這部分內(nèi)容的具體標(biāo)準(zhǔn)為：能用化學(xué)式表示常見(jiàn)物質(zhì)的組成；利用相對(duì)原子質(zhì)量、相對(duì)分子質(zhì)量進(jìn)行物質(zhì)組成的簡(jiǎn)單計(jì)算；能看懂某些商品標(biāo)簽上標(biāo)示的組成元素及其含量[1]。大多數(shù)初中化學(xué)教師對(duì)本節(jié)計(jì)算課的教學(xué)已形成了固定的模式：教師展示例題→教師示范計(jì)算格式→學(xué)生模仿→教師設(shè)計(jì)練習(xí)→學(xué)生操練。為了讓學(xué)生反復(fù)練習(xí)，有時(shí)教師會(huì)編出一些脫離生活實(shí)際的“假題”。一節(jié)課下來(lái)，學(xué)生記住了計(jì)算格式，卻不明白為什么要計(jì)算，為什么是這樣計(jì)算，沒(méi)有體會(huì)到化學(xué)計(jì)算的實(shí)際意義和價(jià)值。

二、化學(xué)計(jì)算的學(xué)科本質(zhì)

化學(xué)計(jì)算的學(xué)科本質(zhì)是對(duì)化學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)處理過(guò)程，即對(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的量化過(guò)程?；瘜W(xué)計(jì)算并非是“按照一套既定規(guī)則和操作程序去完成特定任務(wù)”的技能，而是“有意識(shí)、有意義、有目的、有方法的認(rèn)知和操作的共同體”[2]。由此，我們看出，化學(xué)計(jì)算的重點(diǎn)不在數(shù)學(xué)運(yùn)算方法和格式上，而是對(duì)化學(xué)原理、化學(xué)計(jì)量的關(guān)系的理解。這就提醒教師在化學(xué)計(jì)算教學(xué)時(shí)，要從單純的“數(shù)學(xué)運(yùn)算”中解脫出來(lái)，將化學(xué)計(jì)算融合在真實(shí)情境中，讓學(xué)生明白“為什么要計(jì)算？”“怎樣計(jì)算？”，通過(guò)計(jì)算教學(xué)讓學(xué)生建構(gòu)定量的意識(shí)，培養(yǎng)化學(xué)計(jì)算能力，明白化學(xué)計(jì)算的價(jià)值，從計(jì)量的角度提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

如何讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中體會(huì)到化學(xué)計(jì)算的實(shí)際意義和價(jià)值？筆者以我國(guó)提出的“碳達(dá)峰”“碳中和”的基本目標(biāo)與達(dá)成途徑為線索，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境進(jìn)行“純凈物中元素之間的質(zhì)量關(guān)系”的教學(xué)，讓學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中體驗(yàn)到定量研究方法在化學(xué)研究中的重要作用，理解化學(xué)計(jì)算的應(yīng)用意義。

1．教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)挖掘化學(xué)式的定量含義，感知純凈物中元素之間的質(zhì)量比是一定的，掌握依據(jù)化學(xué)式計(jì)算化合物中各元素的質(zhì)量比以及化合物中某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方法。

（2）初步形成對(duì)化合物的化學(xué)式進(jìn)行定量處理的能力，初步學(xué)會(huì)運(yùn)用觀察、比較、分類(lèi)、概括等處理信息的方法。

（3）通過(guò)利用化學(xué)計(jì)算來(lái)解決生活、生產(chǎn)、科技發(fā)展中的問(wèn)題，培養(yǎng)勤于思考、勇于實(shí)踐的精神，體會(huì)化學(xué)計(jì)算的價(jià)值。

2．教學(xué)流程

教學(xué)流程如圖1所示。

3．教學(xué)過(guò)程

（1）創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提出解決問(wèn)題

[播放視頻]什么是“碳達(dá)峰”“碳中和”。

[師]2020年9月，習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上代表中國(guó)政府向世界宣布：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”“碳達(dá)峰”“碳中和”中的“碳”指的是什么？

[生]是指二氧化碳。

[師]要實(shí)現(xiàn)“碳中和”，我們必須要關(guān)注二氧化碳的排放、消耗等問(wèn)題，大家知道有哪些途徑能產(chǎn)生二氧化碳？

[生]人和動(dòng)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(xiàn)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(huì)產(chǎn)生二氧化碳。若一個(gè)家庭一個(gè)月燃燒的甲烷是16 kg，完全燃燒會(huì)產(chǎn)生多少質(zhì)量的二氧化碳？這些二氧化碳如何處理才能實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)呢？讓我們一起來(lái)探究吧！

設(shè)計(jì)意圖：介紹我國(guó)提出的“碳達(dá)峰”“碳中和”的基本目標(biāo)，提出要實(shí)現(xiàn)“碳中和”，必須要關(guān)注二氧化碳的排放、消耗等問(wèn)題。以家庭燃料天然氣完全燃燒為例創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，提出定量計(jì)算的問(wèn)題來(lái)統(tǒng)領(lǐng)整堂課，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，產(chǎn)生探究欲望。

（2）問(wèn)題解決1：16 kg甲烷中含碳元素的質(zhì)量是多少？

[展示]甲烷的分子結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

[師]根據(jù)甲烷的分子結(jié)構(gòu)，你能寫(xiě)出它的化學(xué)式嗎？

[生]寫(xiě)化學(xué)式CH4。

[師]這個(gè)化學(xué)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(zhì)，還可知道甲烷是由碳、氫元素組成；從微觀上看，CH4表示1個(gè)甲烷分子，還可知道1個(gè)甲烷分子是由1個(gè)碳原子和4個(gè)氫原子構(gòu)成的。

[生]根據(jù)碳、氫的相對(duì)原子質(zhì)量，我們還可以計(jì)算甲烷的相對(duì)分子質(zhì)量：Mr（CH4）=12x1+1x4=16。

[引導(dǎo)歸納]物質(zhì)的化學(xué)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(gè)甲烷分子中，碳、氫原子的質(zhì)量之比是多少？

[生]列式計(jì)算：（12x1）：（1x4）=3：1。

[師]10個(gè)甲烷分子中，碳、氫原子的質(zhì)量之比是多少？

[生]列式計(jì)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(zhì)量之比又是多少？為什么？

[生]還是3：1，因?yàn)橛?jì)算式前后分子的個(gè)數(shù)可以約去。

[師]甲烷中，碳、氫元素的質(zhì)量之比是多少？為什么？

[生]還是3：1，因?yàn)樵厥蔷哂邢嗤|(zhì)子數(shù)的一類(lèi)原子的總稱，甲烷分子中的碳原子的質(zhì)量總和就是碳元素的質(zhì)量，氫原子的質(zhì)量總和就是氫元素的質(zhì)量，故甲烷中碳、氫元素的質(zhì)量比也為3：1。

[師]相應(yīng)的，1個(gè)甲烷分子中碳原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及甲烷中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，大家能計(jì)算了嗎？

[生]列式計(jì)算：

[師]強(qiáng)調(diào)計(jì)算格式的規(guī)范性。

[引導(dǎo)歸納]純凈物中元素之間的質(zhì)量之比，就是該純凈物的一個(gè)分子中各原子之間的質(zhì)量之比，即純凈物中各元素質(zhì)量比=各原子的相對(duì)原子質(zhì)量×原子個(gè)數(shù)之比；純凈物中某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，就是該純凈物的一個(gè)分子中該原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即純凈物中某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算方法為：ω（元素）=該元素的相對(duì)原子質(zhì)量（Ar）×原子個(gè)數(shù)×100%

化合物的相對(duì)分子質(zhì)量（Mr）

[師]若一個(gè)家庭一個(gè)月燃燒的甲烷是16 kg，這相當(dāng)于產(chǎn)生了多少質(zhì)量的碳元素？

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

[引導(dǎo)歸納]化合物中元素的質(zhì)量計(jì)算方法為：m（化合物）×ω（元素） m（元素）

設(shè)計(jì)意圖：依據(jù)化學(xué)式進(jìn)行計(jì)算，重點(diǎn)應(yīng)幫助學(xué)生從宏觀物質(zhì)、元素、微觀分子、原子四者聯(lián)系的思維角度厘清內(nèi)容鏈接，解構(gòu)化合物的定比定律，使學(xué)生從知識(shí)與思維層面深入理解“純凈物中元素之間的質(zhì)量關(guān)系”內(nèi)容系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，及其定量觀的相關(guān)內(nèi)涵。[3]本環(huán)節(jié)圍繞問(wèn)題“16 kg甲烷中含碳元素的質(zhì)量是多少？”，引導(dǎo)學(xué)生挖掘甲烷化學(xué)式的含義，進(jìn)行定量分析，從微觀到宏觀、個(gè)體到整體推測(cè)純凈物中元素之間的質(zhì)量之比、純凈物中元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法，形成“宏一微一符”表征定量思想和“模型認(rèn)知”定量方法，同時(shí)，進(jìn)一步規(guī)范學(xué)生的計(jì)算格式，培養(yǎng)學(xué)生良好的計(jì)算習(xí)慣，為問(wèn)題解決2中計(jì)算“16 kg甲烷完全燃燒生成二氧化碳的質(zhì)量是多少？”的教學(xué)奠定基礎(chǔ)。

（3）問(wèn)題解決2：16 kg甲烷完全燃燒生成二氧化碳的質(zhì)量是多少？

[師]16 kg甲烷完全燃燒可生成二氧化碳的質(zhì)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(jù)該反應(yīng)的微觀示意圖，寫(xiě)出甲烷完全燃燒的符號(hào)表達(dá)式。

[生]寫(xiě)符號(hào)表達(dá)式：CH4+O2-點(diǎn)燃→H2O+CO2

[師]在反應(yīng)中，甲烷中的碳元素最終全部轉(zhuǎn)化到了二氧化碳中，這兩種物質(zhì)中的碳元素質(zhì)量存在什么關(guān)系？為什么？

[生]化學(xué)反應(yīng)前后元素的質(zhì)量相等，所以甲烷中碳元素的質(zhì)量與二氧化碳中碳元素的質(zhì)量相等。

[師]非常好，依據(jù)這個(gè)原理，我們可以計(jì)算16 kg甲烷完全燃燒可生成二氧化碳的質(zhì)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(jì)算多少質(zhì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)。

[生]列式計(jì)算：

[引導(dǎo)歸納]根據(jù)元素的質(zhì)量計(jì)算化合物質(zhì)量的方法為：m（化合物）←ω（元素）-m（元素）

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)要解決“16 kg甲烷完全燃燒生成二氧化碳的質(zhì)量是多少？”的問(wèn)題，因目前學(xué)生還未學(xué)習(xí)依據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容，因此讓學(xué)生觀察甲烷完全燃燒的微觀示意圖，依據(jù)反應(yīng)前后元素質(zhì)量不變的原理進(jìn)行計(jì)算，為第4章“依據(jù)化學(xué)方程式的計(jì)算”的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，讓學(xué)生感受“元素守恒思想”在化學(xué)計(jì)算中的實(shí)際應(yīng)用。另外，已知化合物中元素的質(zhì)量計(jì)算化合物的質(zhì)量，是逆向轉(zhuǎn)化的定量問(wèn)題，讓學(xué)生進(jìn)一步形成“整體與個(gè)體關(guān)系”意識(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)“模型認(rèn)知”定量方法，從而突破相關(guān)的定量思想方法建構(gòu)的難點(diǎn)。[4]

（4）問(wèn)題解決3：每年因燃燒甲烷排放的二氧化碳可以轉(zhuǎn)化為多少質(zhì)量的淀粉？

[師]2021年全國(guó)人口普查發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)約有5.2億戶家庭。假設(shè)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(zhì)量的二氧化碳？（計(jì)算結(jié)果保留一位小數(shù)）

[生]列式計(jì)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?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)“碳中和”？

[生]討論：多植樹(shù)造林，通過(guò)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(zhì)來(lái)吸收二氧化碳等。

[師]我國(guó)發(fā)明了一種新技術(shù)，可以“吃掉二氧化碳”。

[播放視頻]2021年9月24日中央電視臺(tái)《朝聞天下》“人工合成淀粉”。

[師]中國(guó)從二氧化碳人工合成淀粉技術(shù)被國(guó)際學(xué)術(shù)界認(rèn)為是影響世界的重大顛覆性技術(shù)，這一過(guò)程只需11步反應(yīng)就可完成，基本物質(zhì)轉(zhuǎn)化如圖4所示。

[師]原來(lái)“靠喝西北風(fēng)”真的能讓人類(lèi)生存下去。淀粉可以用化學(xué)式（C6H10O5）n來(lái)表示，二氧化碳轉(zhuǎn)化成淀粉時(shí)，其中的碳元素全部轉(zhuǎn)化為了淀粉中的碳元素。大家計(jì)算一下，我國(guó)每年因燃燒甲烷排放的二氧化碳可以轉(zhuǎn)化為多少質(zhì)量的淀粉？（提示：淀粉的相對(duì)分子質(zhì)量為162 n，計(jì)算結(jié)果保留一位小數(shù)）。

[生]列式計(jì)算：

即1.7億噸。

[呈現(xiàn)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(chǎn)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(zhuǎn)化為1.7億噸淀粉。化學(xué)教與學(xué)2022年第11期（下半月刊）

①理論上相當(dāng)于多少質(zhì)量的玉米經(jīng)光合作用合成的淀粉？

②生產(chǎn)這些玉米約需要多少畝土地？

（計(jì)算結(jié)果保留一位小數(shù)）

[生]列式計(jì)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(shù)據(jù)，你有什么感想？

[生1]二氧化碳人工合成淀粉的技術(shù)，不僅能消耗二氧化碳實(shí)現(xiàn)“碳中和”，還能幫我們產(chǎn)糧食，節(jié)省了很多土地，真是一舉三得呀！

[生2]不僅能節(jié)省土地，還能節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)視頻介紹中國(guó)人工合成淀粉技術(shù)，拓展學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生民族自豪感，讓學(xué)生體會(huì)到化學(xué)在科技進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展中的作用，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的信心。另外，將化學(xué)計(jì)算問(wèn)題融入到真實(shí)的情境中，一方面讓學(xué)生鞏固“已知元素質(zhì)量計(jì)算化合物質(zhì)量”的計(jì)算，另一方面讓學(xué)生在解決生產(chǎn)、生活、科技中有關(guān)“量的問(wèn)題”的過(guò)程中，真正體驗(yàn)到定量計(jì)算在化學(xué)研究中的重要作用，深切體會(huì)到化學(xué)計(jì)算的應(yīng)用價(jià)值。

（5）總結(jié)反思提升，拓展應(yīng)用練習(xí)

[師]同學(xué)們來(lái)講一講，本節(jié)課我們依據(jù)化合物的化學(xué)式，學(xué)會(huì)了哪些計(jì)算？

[生]歸納小結(jié)。

[師]板書(shū)并補(bǔ)充完善（圖5）。

[師]除了學(xué)會(huì)這些計(jì)算方法，大家還有哪些收獲？

[生1]了解到了我們國(guó)家人工合成淀粉的技術(shù)，這真是一項(xiàng)了不起的研究。

[生2]化學(xué)計(jì)算格式要規(guī)范，跟數(shù)學(xué)、物理的要求有些不一樣，計(jì)算時(shí)要注意。

[生3]化學(xué)計(jì)算時(shí)，我們可以用微觀、宏觀相結(jié)合的方式來(lái)思考計(jì)算的方法。

[生4]化學(xué)計(jì)算可以解決很多生活、科技中的問(wèn)題。

[師]布置課堂練習(xí)。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法與思想等方面對(duì)本節(jié)課進(jìn)行總結(jié)與反思，讓學(xué)生深入理解“純凈物中元素之間的質(zhì)量關(guān)系”的定量思想，也進(jìn)一步讓學(xué)生感受到化學(xué)與實(shí)際生活息息相關(guān)，認(rèn)識(shí)到學(xué)好化學(xué)計(jì)算可以解決很多生活、科技中的問(wèn)題。

四、教學(xué)反思

化學(xué)計(jì)算能力是學(xué)生化學(xué)學(xué)科能力的重要組成部分，學(xué)生只有理解了建立在化學(xué)基本概念、化學(xué)基本原理基礎(chǔ)上的各種化學(xué)符號(hào)語(yǔ)言所表示的質(zhì)和量的關(guān)系，才能依據(jù)條件選擇適當(dāng)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。[2]

本節(jié)課以“碳達(dá)峰”“碳中和”為情境主題，以“16 kg甲烷完全燃燒產(chǎn)生的二氧化碳可以轉(zhuǎn)化成多少質(zhì)量的淀粉”為計(jì)算目標(biāo)，將化學(xué)計(jì)算的價(jià)值實(shí)現(xiàn)作為學(xué)習(xí)目的，依據(jù)認(rèn)知發(fā)展線索設(shè)計(jì)3個(gè)“問(wèn)題連續(xù)體”來(lái)達(dá)成計(jì)算目標(biāo)。在此過(guò)程中，幫助學(xué)生厘清宏觀物質(zhì)、元素、微觀分子、原子四者的聯(lián)系，解構(gòu)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(rèn)知”定量方法。學(xué)生深入理解“純凈物中元素之間的質(zhì)量關(guān)系”后，能根據(jù)題目中的條件選擇適當(dāng)關(guān)系進(jìn)行定量計(jì)算，教學(xué)過(guò)程中規(guī)范了計(jì)算格式，體現(xiàn)出化學(xué)計(jì)算的本質(zhì)，從而讓學(xué)生體會(huì)到化學(xué)計(jì)算的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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