基于化学核心素养的化学式计算教学

基于化学核心素养的化学式计算教学

石剑

（晋安区教师进修学校，福建福州350011）

基于化学核心素养挖掘化学式计算的学科价值，具体以创设情境引发问题、运用问题串引导建构计算原理、应用计算原理解决实际问题并提炼方法提升认识等手段，开展化学式计算教学，提高学生化学核心素养。

化学核心素养；化学式计算；三重表征

初中生普遍认为化学式的计算比较难，主要存在下列认知障碍：如何在宏观、微观与符号三者之间建立定量联系？宏观物质或元素的质量与微观粒子的相对质量之间如何转换？为什么化合物中元素的质量比能用化学式中对应原子所占的相对质量之比来计算？为什么化合物中某元素的质量分数能用化学式中该元素原子占有的相对质量与化合物的相对分子质量之比来计算？化学式计算教学的现状是：一些教师局限在知识传授本身，仅把化学式计算当成计算技能来教，重点训练学生学习模仿计算。这样的教学没有挖掘化学式计算教学的化学核心素养价值，忽视了计算原理的探究过程与“三重表征”思维的建构过程，不能有效突破学生的认知障碍，教学实效性差，不利于提高学生学科素养。因此，笔者基于化学核心素养对化学式计算教学进行了研究。

一、基于化学核心素养要求，挖掘化学式计算的学科价值

化学学科核心素养包括宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认识、实验探究与创新意识、科学精神与社会责任等五个维度［1］。前三个维度强调学科观念和学科思维，元素观、微粒观等是化学基本观念，运用“三重表征”思维认识物质，借助于实证推理、模型认知等方法研究物质是典型的化学思维；第四个维度强调的是化学学习和研究的方式，科学探究作为化学学习和研究的重要方式，是形成科学观念、发展科学思维、培养科学精神的重要手段和途径；第五个维度强调科学精神和态度。［2］化学核心素养源于三维目标又高于三维目标。［2］作为化学教育的启蒙阶段，初中化学教育要为学生的长远发展打下扎实基础，教师理应基于化学核心素养的要求开展教学，培养学生化学核心素养。

化学式计算中隐含哪些学科核心素养价值呢？化学式是表征物质的重要化学符号，化学式计算是初中“化学式”单元教学的重要组成部分。初中化学关于化学式的计算，主要包括根据化学式计算相对分子质量、化合物中元素的质量比、化合物中某元素质量分数以及化合物与元素之间的质量换算等。对照《义务教育化学课程标准》的要求和化学核心素养的五个维度，我们不难发现：在化学式计算教学中，学生可以采用探究式的学习方式，体验相关计算原理建构过程，学习“三重表征”思维与模型认知、实证推理等化学研究方法，发展微粒观、元素观；在应用计算原理解决实际问题时，学生可以提高应用知识分析问题、解决问题的能力，并认识到化学式计算在解决生产生活和科研问题等方面的重要作用，形成严谨求实的科学态度。这些就是化学式计算中隐含的化学核心素养价值，也是化学式计算教学的目标与出发点。

二、基于化学核心素养的化学式计算教学过程设计及解析

学科核心素养的培养蕴含了学习方式和教学模式的变革，要求化学课堂教学要在与现实生活紧密关联的、真实性的问题情境中展开，要采用基于问题的、基于项目的活动方式，基于体验式的合作和探究的建构式学习［3］。因此，在基于化学核心素养的化学式计算教学中，教师可以创设与现实紧密关联的问题情境导入新课，设计层层递进的“问题串”，引导学生基于问题自主建构有关化学式计算的原理，并用以解决实际问题，从中提炼化学研究方法，发展学科观念，形成科学态度。主要环节如图1。

图1 基于化学核心素养的化学式计算教学环节

具体教学过程的设计及解析如下：

（一）创设情境，引发问题

【情境创设】农民选用氮肥时，常要考虑氮肥中氮元素含量的高低等因素。常用的氮肥有碳酸氢铵（NH4HCO3）、尿素[CO（NH2）2]等，等质量的这两种氮肥中哪种含氮量高？要解决这个问题，必须研究与化学式有关的计算，学习从定量视角认识物质的组成。

设计意图：创设真实教学情境，从氮肥的选用引入，激发学习动机，引导学生关注探究目标，揭示从定量角度研究物质组成的重要性。

（二）运用“问题串”引导建构化学式计算的原理

【问题1】从水的化学式H2O，你知道关于水的宏观组成和微观构成的哪些信息？请用磁扣摆出水的微观模型图。

问题解决：

宏观上，水由氢、氧元素组成；

微观上，水由许多水分子构成，每个水分子由2个氢原子和1个氧原子构成。

水的微观模型图见图2。

图2 水的微观模型图

设计意图：化学式的意义建构是化学式计算的基础与起点。从学生熟悉的水的化学式含义设置问题，遵循由易到难的教学原则，帮助学生建立符号与宏观、微观的联系。建立水的微观模型，有利于加深对元素、分子、原子等概念的理解，化抽象为形象，为探究化学式计算做好铺垫。

【问题2】已知Ar（H）=1，Ar（O）=16，怎么求氢原子、氧原子在1个水分子中所占的相对质量以及水分子的相对质量？

问题解决：

氢原子所占的相对质量=水分子中氢原子数×Ar（H）=2×1=2

氧原子所占的相对质量=水分子中氧原子数×Ar（H）=1×16=16

水分子的相对质量=氢、氧原子所占的相对质量的总和=2×1+1×16=18

即：化学式中某元素原子所占的相对质量=该原子数目×Ar（该原子）

相对分子质量（Mr）就是化学式中各原子的相对原子质量总和。

以化合物AxBy为例：化学式中A元素原子所占的相对质量=x·Ar（A）Mr（AxBy）=x·Ar（A）+y·Ar（B）

设计意图：在符号表征与微粒之间由定性到定量建立联系，是“三重表征”思维的重要组成部分。学生基于微观模型认知，自主建构水分子中氢、氧原子所占的相对质量以及水的相对分子质量的计算方法，并由特殊到一般，归纳出化学式中某元素的原子所占的相对质量以及相对分子质量的计算方法。

【问题3】根据相对原子质量的计算公式：A（r某原子）=m（该原子）/[m（碳12原子）]，怎么用相对原子质量计算1个氢原子、1个氧原子以及1个水分子的质量？

问题解决：

设计意图：运用公式推导，认识微粒质量与相对质量间的关系，突破在实际质量与相对质量之间进行转换的思维障碍。

【问题4】若水中有n个水分子，怎么用相对原子质量计算水中氢元素、氧元素以及水的质量？

问题解决：

若水由n个水分子构成，则水中共含有2n个氢原子和n个氧原子。

设计意图：在“宏观物质或元素的质量”与“微粒的相对质量”之间建立起联系，也是“三重表征”思维的重要组成部分。学生基于微观模型认知，推导出氢、氧元素以及水的质量的微观计算公式，经第二次由特殊到一般的归纳，得出元素与物质质量的微观计算公式。这一步的推导为计算化合物中元素的质量比和某元素的质量分数铺平了道路。

【问题5】怎么计算水中氢、氧元素的质量比以及水中氢元素所占的质量百分比（即：水中氢元素的质量分数）？

问题解决：

即：以化合物AxBy为例：

m（A）:m（B）=[x·Ar（A）]:[y·Ar（B）]

化合物中各元素的质量比=化学式中各元素原子所占的相对质量之比。

由此推出化合物中某元素的质量分数的两种计算方法：

①宏观上：可用元素质量与化合物质量之比计算；

②微观上：可用化学式中该元素所占的相对原子质量总和与化合物的相对分子质量之比来计算。

联系宏观与微观，变形公式可求得相关元素质量或物质质量：

设计意图：问题4解决后，学生解决问题5变得轻而易举。经第三次由特殊到一般的归纳，学生建立起符号与宏观、微观之间的定量关系，建构出元素质量比和元素质量分数的计算公式，并找到了元素质量与化合物质量之间的换算关系。这为运用化学式计算解决实际问题扫清了障碍。

通过五个连续性的、层层递进的“问题串”引导，学生在理解化学式的定性含义基础上，运用模型认知、实证推理等化学研究方法，建构出化学式计算原理。学生的思维经历了由微观到宏观、由定性到定量、由特殊到一般的推理过程（思维路径见图3）。这样，三重表征思维与元素观、微粒观都得到了深化与发展。

图3 化学式计算原理思维路径

（三）应用计算原理解决实际问题，并提炼方法提升认识

建构化学式计算原理的目的是为了应用计算认识物质组成、解决生产生活和科研实际问题。因此，教师有必要设计典型的生产生活或科研问题，让学生通过解决问题，形成知识应用能力。为此，笔者设计了三道例题。

例1.写出尿素的化学式CO（NH2）2表示的意义：

⑴表示的物质是______；它是由______、_____、_____和______元素组成的。

⑵表示该物质的1个__________；该物质的每个分子由___个____原子、___个____原子、___个____原子和___个____原子构成。

⑶该物质的相对分子质量是_______。

⑷该物质中____、____、____和____元素的质量比为____________。

⑸这些元素在该物质中的质量分数分别为______、______、______和______。

例2.请根据碳酸氢铵（NH4HCO3）、尿素[CO（NH2）2]的化学式计算：

⑴碳酸氢铵、尿素两种氮肥中哪一种含氮元素质量分数高？

⑵120g尿素与多少克碳酸氢铵中含有的氮元素质量相等？

例3.笑气是一种医学麻醉剂，研究发现它是一种氮氧化合物，实验测得其中氮、氧元素的质量比为7:4，求笑气分子中氮、氧原子数目比。

（变式：已知笑气中氮元素的质量分数为63.64%，求笑气分子中氮、氧原子数目比。）

设计意图：通过例1反馈教学效果，练习有关化学式的简单计算，以尿素为例，总结出化合式的宏观、微观、定量含义，认识化学式能比较全面地表征物质的组成，培养元素观和微粒观。通过例2回扣并解决新课引入中提出的问题，揭示定量研究物质组成的重要性，练习应用化学式计算原理解决实际问题、规范解题格式，形成严谨求实的科学态度。通过例3体验化学式计算的逆向应用，总结元素质量比、原子数目比、相对原子质量比三者间的关系，认识到在科研上可以通过测定元素的质量比或质量分数，并运用计算来确定物质的化学式。

通过由易到难的三道例题的解答，学生应用化学式计算，由全面认识化学式含义，拓展到实际情境中解决问题，再提升到研究物质的方法，锻炼了分析和解决问题能力，提高了化学核心素养。

三、结语

与局限于知识传授的教学对比，基于核心素养的教学的长处是显而易见的。首先，教学目标定位更着眼于学生长远发展，培养学生学科思维、学科观念、学科方法与科学态度等学科核心素养；其次，教学方式不再局限于“讲记背练”，通常采用合作探究式的教学方式，突出探究与应用的过程，展现深度思维；再次，教学设计更关注学生的学，更符合学生认知规律，更加以生为本。因此，教师应加强核心素养的学习，按照化学核心素养的要求重新审视教学内容，挖掘相关内容的核心素养价值，以学定教，转变教学方式，开展基于化学核心素养的教学。

［1］王云生.基础教育阶段学科核心素养及其确定——以化学学科核心素养为例［J］.福建基础教育研究，2016（2）.

［2］朱鹏飞.学科核心素养的研究进展及其对中学化学教学的启示［J］.化学教学，2017（1）.

［3］张贤金,吴新建.基于核心素养的高中化学课程改革如何“落地”［J］.化学教与学，2016（9）.

（责任编辑：张贤金）