中學生化學“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”的內(nèi)涵與培養(yǎng)

摘要

《義務教育化學課程標準（2022年版）》注重培養(yǎng)學生的“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”，嘗試提出學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)的內(nèi)涵，著力培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)意識、數(shù)據(jù)知識、數(shù)據(jù)能力、數(shù)據(jù)思維四個維度的能力?；瘜W教學中可以通過凸顯大概念中“量”的特質(zhì)、發(fā)揮“質(zhì)量守恒定律”的科學本質(zhì)、設計定量實驗、發(fā)揮數(shù)字化實驗的“量”變功能等教學實踐活動培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

關鍵詞

數(shù)據(jù)素養(yǎng)? 大概念? 化學實驗? 數(shù)字化實驗? 科學思維

引用格式

胡巢生.中學生化學“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”的內(nèi)涵與培養(yǎng)[J].教學與管理，2022（31）：61-63.

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）注重培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，以及科學探究的能力，包括獲取證據(jù)，分析解釋數(shù)據(jù)，形成結(jié)論及建構(gòu)模型;培養(yǎng)學生基本的化學實驗技能，初步學會觀察實驗現(xiàn)象，并如實記錄、處理實驗數(shù)據(jù)。強調(diào)利用數(shù)字化實驗裝置改進傳統(tǒng)實驗，讓學生憑借可視化的數(shù)據(jù)認識化學問題的本質(zhì)，借以培養(yǎng)學生多視角收集證據(jù)解決化學問題的能力[1]。可見，“新課標”更加注重運用現(xiàn)代化技術(shù)手段，在科學探究與學科實踐活動中培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新意識，以構(gòu)建化學觀念，增進對化學學科本質(zhì)的理解。

一、中學生化學“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”的內(nèi)涵

李新等認為數(shù)據(jù)素養(yǎng)是指人們對不斷增長的數(shù)據(jù)進行管理、解釋和批判思考的能力，更加強調(diào)數(shù)據(jù)應用與數(shù)據(jù)價值[2]?；莨Ы?、曾磊認為，數(shù)據(jù)意識、數(shù)據(jù)知識與技能、數(shù)據(jù)思維和數(shù)據(jù)道德規(guī)范構(gòu)成數(shù)據(jù)素養(yǎng)四個維度，彼此相輔相成，相互作用，共同構(gòu)成了學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)發(fā)展的整體目標[3]。不同的人理解的學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)既有共性又有差異，尚未在學理上形成共識。

化學數(shù)據(jù)反映化學實驗事實，關于物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)特征的數(shù)字化表述是化學家科學探索、定量研究的實驗（勞動）成果和智慧結(jié)晶[4]。中學生化學“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”由數(shù)據(jù)意識、數(shù)據(jù)知識、數(shù)據(jù)能力、數(shù)據(jù)思維四個維度的能力共同構(gòu)成，有利于形成看待化學問題、研究化學現(xiàn)象的視角，以及學習、研究化學的學科觀念，增強學生的創(chuàng)新思維與能力，體現(xiàn)出“數(shù)據(jù)-認知-能力-智慧”螺旋上升、由基礎到高階的發(fā)展路徑（如圖1）。

數(shù)據(jù)意識是促進學生數(shù)據(jù)知識與數(shù)據(jù)能力獲得的先決條件，對發(fā)展學生數(shù)據(jù)思維具有明顯的動力推進作用。其內(nèi)容包含認真對待數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)價值有一定的敏感性與判斷力，具有運用數(shù)據(jù)解決問題的需求、意識和態(tài)度。數(shù)據(jù)知識作為開展數(shù)據(jù)使用活動的核心，是加強數(shù)據(jù)意識、形成數(shù)據(jù)能力和發(fā)展數(shù)據(jù)思維的有力抓手，學生需要使用圖表、圖像等統(tǒng)計分析工具來理解數(shù)據(jù)，找尋數(shù)據(jù)中隱含的相關關系和因果關系，利用類比、推理、編碼等信息處理方法獲取、協(xié)調(diào)和存儲觀察到的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)知識的發(fā)展與豐富意味著對數(shù)據(jù)有了比較科學、準確、客觀的認識。數(shù)據(jù)能力是在數(shù)據(jù)意識指導下的數(shù)據(jù)關系判定與證據(jù)推理等外顯行為和能力表現(xiàn)，對提高學生的定量思維水平和推理能力發(fā)揮著關鍵作用。數(shù)據(jù)思維處于數(shù)據(jù)素養(yǎng)層級的最高層，是發(fā)展學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)的高階目標，是基于定“量”觀念分析化學問題、建構(gòu)化學概念、解決化學問題的核心思維方式。數(shù)據(jù)思維的形成提高了思維的精確度，對數(shù)據(jù)知識和數(shù)據(jù)能力的選擇產(chǎn)生調(diào)控作用，讓數(shù)據(jù)“發(fā)聲”成為發(fā)揮數(shù)據(jù)價值、創(chuàng)造價值的關鍵。

二、中學生化學“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”的培養(yǎng)路徑

化學實驗是喚醒學生數(shù)據(jù)意識、發(fā)展數(shù)據(jù)思維、形成數(shù)據(jù)觀念的重要而有效的途徑?！靶抡n標”強調(diào)運用現(xiàn)代化技術(shù)手段，加強探究活動中的科學思維;運用實驗傳感器等多種技術(shù)手段表證化學反應中的物質(zhì)變化[5]。因此，培養(yǎng)學生的化學數(shù)據(jù)素養(yǎng)，就是在提倡數(shù)據(jù)、基于數(shù)據(jù)的前提下，教師為學生創(chuàng)設項目，利用問題、情境展開一系列的體驗和探究活動，利用傳感器等多種技術(shù)手段將定性實驗設計成定量實驗，變“發(fā)光、發(fā)熱、變色”等實驗現(xiàn)象為具體的數(shù)據(jù)，引導學生在完成驅(qū)動性問題、有層級的實踐探索的過程中，將數(shù)據(jù)意識、數(shù)據(jù)知識、數(shù)據(jù)能力有機融合，主動進行數(shù)據(jù)的搜集與甄選、處理與分析，發(fā)現(xiàn)細微變化，找尋規(guī)律，使之變?yōu)樽约韩@得概念和進行解釋的證據(jù)，利用數(shù)據(jù)將最終的學習成果進行展示、表達和分享交流。

1.凸顯大概念中“量”的特質(zhì)

重視大概念統(tǒng)領是“新課標”課程內(nèi)容修訂的重要理念。大概念反映學科本質(zhì)，具有高度概括性、統(tǒng)攝性和遷移應用價值，強調(diào)以真實情境作為抓手，以遷移理解作為教學的核心訴求，是趨向整體育人的整合教學[6]。溶液主題內(nèi)容蘊含的大概念有溶解限量：溶質(zhì)、溶劑（定性）、溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)（定量）;溶液的組成：飽和溶液、不飽和溶液（定性）、溶解度、一定溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)溶液的配制（定量）;溶解度曲線、物質(zhì)的分離與提純等，形成了一個結(jié)構(gòu)完整、邏輯關系明確的“知識體系”。筆者利用“限量、組成”大概念確定主題內(nèi)容，由宏觀到微觀，由定性到定量，以實驗設計與探究等系列活動發(fā)展學生的數(shù)據(jù)思維和證據(jù)推理能力，體現(xiàn)“核心知識”的結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的建構(gòu)過程，展現(xiàn)具有特質(zhì)化的素養(yǎng)發(fā)展功能（如圖2）。

2.挖掘化學原理中“量”的關系

質(zhì)量守恒定律蘊含著質(zhì)量關系和比例關系的“定量關系”大概念[7]?！靶抡n標”中“物質(zhì)的化學變化”主題要求：認識化學反應中的各物質(zhì)間存在定量關系，化學反應遵守質(zhì)量守恒定律;理解質(zhì)量守恒定律的微觀本質(zhì)。學習利用質(zhì)量關系、比例關系定量認識化學反應，認識定量研究對化學科學發(fā)展的重大作用[8]。

教師引領學生在實驗中尋找“量”的證據(jù)：“密閉體系”中“量”的證實與“開放體系”中“量”的證偽，再以硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應為例，分析基于“整個體系”內(nèi)各物質(zhì)間存在的定量關系的思維框架（如圖3），實現(xiàn)從“整個體系”到“具體反應”的思維轉(zhuǎn)換，幫助學生厘清“證據(jù)”與“結(jié)論”的關系。使學生經(jīng)歷基于證據(jù)的科學推理和科學論證過程，理解化學變化中各物質(zhì)的質(zhì)量比恒定，形成基于比例關系對化學變化的定量認識和推理的思路和方法。

3.設計定量實驗

定量實驗包含實驗目的、物質(zhì)體系、實驗裝置、數(shù)據(jù)處理與誤差分析等，學生需根據(jù)“實驗目的”確定“物質(zhì)體系”，設計實驗裝置、實驗步驟，確定需測定的“數(shù)據(jù)”，通過證據(jù)推理獲得結(jié)論，甚至建構(gòu)模型[9]。通過反思實驗過程中可能存在的“誤差”，以優(yōu)選試劑，減小實驗系統(tǒng)誤差等加深學生對誤差分析的理解。整個過程中，需要學生遵循邏輯思維，具備一定的分析與判斷、推理和論證能力。

為推測口罩熔噴布的組成，設計實驗將該熔噴布在O2中完全燃燒，測得裝置B、C中增加的質(zhì)量分別為3.6g和8.8g，以判斷熔噴布中聚乙烯分子中碳原子與氫原子的個數(shù)比。通過實驗數(shù)據(jù)可知，碳元素的質(zhì)量=8.8g×12/44×100%=2.4g;氫元素的質(zhì)量=3.6g×2/18×100%=0.4g。計算熔噴布中碳原子與氫原子的個數(shù)比=2.4g/12：0.4g/1=1：2。由此構(gòu)建出定量研究有機化合物組成的一般思路和方法（如圖4）。

4.發(fā)揮數(shù)字化實驗的“量”變功能

數(shù)字化實驗能將實驗過程中相關量的變化以曲線的形式呈現(xiàn)，有利于激發(fā)學生學習化學的興趣，思考曲線變化的原因，將宏觀變化與微觀本質(zhì)緊密結(jié)合，參與分析、推理、論證等高階思維活動，以深化對化學概念的理解[10]。學生能逐步具有證據(jù)意識，知曉觀點、證據(jù)與結(jié)論之間的邏輯關系，掌握驗證觀點正確與否的方法[11]。

“測定空氣中氧氣的含量”是初中化學中運用定量的方法研究一種氣體混合物的實驗，借以培養(yǎng)學生從“量”的視角進行誤差分析的意識。有研究者利用氧氣傳感器分別測定了過量白磷、紅磷燃燒過程中和裝有過量鐵粉的暖貼的集氣瓶中氧氣的濃度變化進行實時讀數(shù)并繪圖，培養(yǎng)學生四重表征思維和證據(jù)推理能力[12]。通過對曲線的起點、拐點和變化趨勢進行分析發(fā)現(xiàn)：初始階段，燃燒過程中放出的熱量引起的壓強增大大于消耗氧氣造成的壓強減小，且白磷表現(xiàn)更為顯著，氧氣濃度變化情況隨著反應進行先減小至不再有明顯的變化。裝有暖貼的集氣瓶中氧氣濃度緩慢下降，且隨著裝置內(nèi)氧氣含量的減少，吸氧速率越來越慢，符合濃度對化學反應速率的影響規(guī)律[13]。

借助不同物質(zhì)作為耗氧劑及其數(shù)字化實驗效果，更加豐富了該實驗的教學價值。知識層面上，能促進學生在更高思維層面理解實驗原理，能在不斷的設計、實驗、反思中完善實驗方法，有利于提高學生的思維能力、動手能力和創(chuàng)新意識。實驗效果上，采用吸氧腐蝕原理比燃磷法測定空氣中氧氣含量更加接近真實值。在思維層面上，可以促進學生從“量”的高度審視實驗數(shù)據(jù)的價值，潛移默化中幫助學生逐步形成數(shù)據(jù)觀念，培養(yǎng)數(shù)據(jù)素養(yǎng)。從燃燒的條件看，可燃物在氧氣中燃燒不僅溫度要達到某一量值（即著火點），而且氧氣濃度也須達到某一量值，且不同物質(zhì)所需量值可能不同。由此得出測定混合物中某種物質(zhì)含量的一般思路和方法：利用待測物和其他成分性質(zhì)的差異，將混合物中的某一組分分離或除去的化學原理，測量得到間接量;借助儀器和計算等方式將間接量轉(zhuǎn)化為可視化的數(shù)據(jù)，從而得出混合物中某成分的含量。

教師要精心營造平等和諧的課堂氛圍，鼓勵和指引學生能夠基于觀察實驗搜集到的數(shù)據(jù)獲得結(jié)論，以確保數(shù)據(jù)素養(yǎng)培育過程有“溫度”。還要設計讓學生說理的環(huán)節(jié)和設問，使學生能夠運用“因果鏈”的表達方式進行理解與遷移，將結(jié)論獲取的原因用語言進行表達并加以論證，從而使數(shù)據(jù)素養(yǎng)培育過程有“深度”。這種表達實則是思維的外顯，是培養(yǎng)訓練學生思維能力、基于證據(jù)進行分析推理的好方法，體現(xiàn)出化學知識的結(jié)構(gòu)化和素養(yǎng)化的功能價值。

參考文獻

[1][5][8] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：6-13，54，27.

[2] 李新，楊現(xiàn)民，晉欣泉.美國教師數(shù)據(jù)素養(yǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及其對我國的啟示[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2019（04）：5-11.

[3] 惠恭健，曾磊.智能時代的數(shù)據(jù)素養(yǎng)：模型構(gòu)建、指標體系與培養(yǎng)路徑：基于國內(nèi)外模型的比較分析[J].遠程教育雜志，2021，39（04）：52-61.

[4] 靳瑩.超越器物層面 思想創(chuàng)新先行[J].化學教學，2014（02）：7-11.

[6] 李凱，吳剛平.為素養(yǎng)而教：大概念教學理論指向與教學意蘊[J].比較教育研究，2022，44（04）：62-71.

[7] 胡巢生.基于學科核心素養(yǎng)的初中化學教學設計：以“質(zhì)量守恒定律”為例[J].化學教學，2018（02）：45-49.

[9] 胡巢生.中學化學教師實驗創(chuàng)新素養(yǎng)及其形成路徑[J].中小學教師培訓，2021（07）：20-23.

[10] 畢華林，遲岑迪.運用數(shù)字化實驗促進學生理解化學概念[J].中小學數(shù)字化教學，2020（08）：5-9.

[11] 張婷，馬宏佳.化學數(shù)字化實驗影響學生概念改變的實證研究[J].化學教育，2017，38（09）：39.

[12] 朱如琴，高翔.指向?qū)W生辯證思維能力培養(yǎng)的課堂教學：以“探究燃燒與滅火”為例[J].化學教育（中英文），2019，40（17）：44-49.

[13] 徐泓，夏建華，盛恩宏.對“空氣中氧氣含量測定實驗”的改進[J].化學教育（中英文），2018，39（05）：70-72.

*該文為江蘇省教研室第13期立項課題“指向?qū)W科核心素養(yǎng)的初中化學單元整體教學設計的實踐研究”（2019JK13-L410）、江蘇省教育科學“十三五”規(guī)劃立項課題“基于深度學習的初中化學單元整體教學設計研究”（D/2020/02/201）的研究成果