数据分析法在化学概念教学中的特殊作用

戴南阳+胡志刚

一、问题的提出

有人说二十一世纪是用数据说话的世纪，形形色色的“大数据”正日益影响着我们的生活，能否“读懂数据、发现规律”成为现代人是否具有科学素养的重要标志。高中化学课程中有许多基本概念，对学生认知的发展和科学素养的提升具有重要作用。传统的概念教学重定义结论、轻认识过程，重知识点记忆、轻理解感悟，重应试技能训练、轻观念形成，其弊端已日益显现。如何实施基于观念建构的化学概念教学，关注学生对化学核心概念与思想方法的深层理解成为化学教学的热点问题。在教学实践中我们发现，新课程教材中编排了大量的表格和数据，许多性质、规律就隐含在这些数据中。灵活运用数据分析法，处处“用数据说话”，是帮助学生理解化学概念的本质、逐步建构化学观念的有效途径。

二、问题探究

（一）数据分析法对学生理解化学概念本质的作用

教师在教学中依据教材提供的数据材料或通过实验所得数据，通过推理演算，引导学生在探索中得出相关概念，并进一步理解概念的本质，就是我们所提倡的数据分析法。

透过宏观现象分析微观本质是化学学科最具特征的思维方式，引导学生建立宏观—微观—符号三重表征的有机联系，是概念教学的根本任务。然而在实际教学中我们往往发现学生在跨越三重表征时存在思维障碍，影响对概念本质的理解和应用，此时充分运用数据分析法可起到很好的教学效果。教师在教学过程中可以充分发挥数据的教学功能，通过创设问题情境，增加有价值的讨论、交流，激发学生的求知欲望，培养学生分析数据、应用数据的能力，促使其主动构建学科知识。

以《弱电解质的电离平衡》的教学为例，本节内容的重点是：建立弱电解质电离平衡的概念，理解电离平衡常数的含义，能从定量的角度说明温度、浓度及外加物质对电离平衡的影响。为了探索数据分析法在学生知识建构中的作用，我们在两个平行教学班采用两种教学法进行实验。两个班的综合成绩和化学学科成绩基本相同，弱电解质的电离平衡是在学生学习完强弱电解质以及化学平衡概念的基础上进行教学的。

A班的教法设计是回顾已学过的强弱电解质和化学平衡知识，以化学平衡为指导书写醋酸的电离方程式，思考醋酸的电离是否存在电离平衡，讨论醋酸电离平衡的影响因素，从而得出弱电解质的电离及电离平衡常数的概念，最后通过练习进一步巩固知识。

B班的教法设计是回顾已学过的强弱电解质和化学平衡知识后，引导学生填写《化学反应原理》课本上的表格[1]（见表1），教师设置导学问题：①根据表中数据推测醋酸溶液中可能存在哪些微粒。②各微粒的浓度大小说明什么。③为什么两种浓度溶液中醋酸的电离度不同。④弱电解质的电离平衡常数应如何定义。⑤根据计算结果推断浓度对醋酸电离的影响，对醋酸电离度和对平衡常数的影响。⑥还可以通过改变哪些条件使醋酸的电离平衡发生移动。在同学们充分讨论的基础上建构弱电解质电离平衡的概念。

表1醋酸电离达到平衡时各种微粒的浓度（25℃）

为了对比两个教法对学生知识建构的促进效果，在完成上述教学过程后设计了如下试题：在100毫升pH为12的氨水中分别加入氢氧化钠固体、100毫升pH=12的氢氧化钠溶液和100毫升pH=10的氢氧化钠溶液，氨水的电离平衡如何移动？各离子浓度如何变化？经过统计，A班52位同学只有14位同学得出正确答案，而B班52位同学有32位得出正确答案。也就是说借助数据分析法，B班同学对弱电解质的电离平衡有比较深刻的领会，能抓住K不变这一本质迅速解决问题。（A班虽然也讲过，但没有亲自体会概念推导过程）

由此可见，合理地运用相关数据，增加有价值的讨论、交流，可以帮助学生更深入地理解、领会化学概念的本质，更好地掌握化学概念。

（二）数据分析法对学生定量观形成的促进作用

“学科观念”是对学科研究对象及研究过程的本源和本体的见解或意识，具有超越课堂时空的持久价值和迁移价值。[2]“定量观”是化学选修课教学中应着力培养的重要学科观念，应用数据分析法教学在促进学生定量观的形成方面具有独特的优势。

“沉淀溶解平衡”是化学反应原理模块的教学难点之一，学生难于在头脑中建立起“沉淀?溶解”的微观动态过程，更难于从定量的角度理解沉淀生成、溶解和转化的实质。我们在教学中巧妙设计问题链，处处引导学生“用数据说话”，在突破难点、帮助学生形成定量观方面取得很好的教学效果。

本节课的教学是从演示实验“PbI2固体的溶解平衡”开始的。教师实验：在装有少量难溶的PbI2黄色固体的试管中，加入约3mL蒸馏水，充分振荡后静置。待上层液体变澄清后，即得到PbI2的饱和溶液，向其中滴加几滴0.1mol·L-1KI溶液，引导学生观察实验现象。

针对实验现象，老师首先提出问题：难溶电解质的溶解度为零吗？PbI2饱和溶液中存在哪些微粒？接着从定量的角度提出四个层层深入的问题链：① PbI2饱和溶液中铅离子和碘离子浓度之间可能存在怎样的定量关系？②如何计算室温时PbI2饱和溶液中铅离子和碘离子的浓度？③如何使含有固体PbI2的PbI2饱和溶液中的固体质量增加？④如何使含有固体PbI2的PbI2饱和溶液中的固体质量减少？

教学中通过第一个问题的解决引入沉淀溶解平衡的概念和溶度积常数，帮助学生揭示沉淀溶解平衡的微观本质，练习书写沉淀溶解平衡方程式。第二个问题既能使学生初步学习溶度积常数的应用，又为后两个问题的解决埋下伏笔。随后学生对第三、四两个问题的讨论，使本节课的教学进入高潮。

在讨论中笔者始终坚持用定量分析的观点，让学生在解决问题中感悟外界条件对沉淀溶解平衡的影响。endprint

（三）数据分析法对学生形成严谨的科学态度的引导作用

尊重事实和严谨治学是自然科学的生命力所在，引导学生形成严谨的科学态度是执教者的职责。高中新课程的教科书编排了大量的表格和数据，这些都是非常宝贵的教学资源，教师如能认真加以分析利用，既能帮助学生理解概念本质，形成学科观念，又有利于培养学生严谨求实的科学态度，全面提升科学素养。

如苏教版《物质结构与性质》中有如下表格（表2）。

教师可以在教学中引导学生通过分析对比，得出如下结论：①一般来说键长越短，键能越大。②成键电子数越多，键长越短，键能越大，如C-C的键长比C=C键长长，键能C-C比C=C小。③可以从原子半径的大小预测键的长短。

在此基础上教师还可以进一步引导学生注意以下两个问题。

①C=C键长是133pm，键能是812kJ·mol-1，O=O键长是121pm，键能是498kJ·mol-1，这和我们前面推出的键长越短，键能越大的结论相悖。在提出质疑让学生思考的基础上，教师再解释其原因，即氧分子中每个氧原子有两对孤对电子对，非键电子间的相互排斥力较大，非键电子对成键电子的排斥挤压增强，导致轨道的重叠程度减少，共价键键能减弱。②多数情况下两原子间的π键比σ键弱，但从表中数据可得N—N键能159kJ·mol-1，N=N键能418kJ·mol-1，N≡N键能946kJ·mol-1，由这三组数据我们可以看出氮氮键间的π键比σ键强。教学时教师先提出此现象，告诉学生应尊重事实，而不是生搬硬套所谓的规律。当然造成此现象的原因主要是N原子中，2s轨道和2p轨道的能量相差较小，可以线性组合。在形成分子轨道时，不仅2s之间重叠，2s与2px也会重叠，造成了σ2s电子的能量降低，σ2px电子能量升高，高于π2py和π2pz轨道，所以π键更稳定。个中原因虽然不是教学的基本要求，我们却可以通过数据分析法引导学生领会共价分子结构的多样性和复杂性，同时通过数据寻找物质的特殊性，在学好相关知识的同时，使学生形成科学的自然观和严谨求实的科学态度，树立可持续发展的思想。

三、探究结论

提高学生的科学素养是化学教学的根本宗旨，在课堂教学中要注重从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面帮助学生形成正确的化学观，发展化学学科的科学素养。基于学科观念的化学概念教学，是一种超越事实、以领会蕴含在具体事实和原理当中的科学思想和科学方法为目的的教学。学生能否形成正确的学科观念，不在于教师对概念的讲解是否清晰到位，而在于老师能否帮助学生以事实性知识为工具和载体，引导学生自身探索，通过实验、推论以及不断概括提炼而形成深层的可迁移的观念性知识。数据分析法就是这种概括提炼的过程，如能在教学中充分运用并内化为学生的思维方法，将极大地提升学生的科学素养。参考文献：

[1] 王祖浩.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M].南京：江苏教育出版社，2009：65.

[2] 倪娟.论基于学科观念的化学概念教学——以离子反应教学设计为案例[J].化学教育，2014（1）：2.endprint