在实验教学中促进学生定量观建构的实践与思考

摘要：定量观是化学学科的基本观念之一，它能促进学生对化学问题的思考更加理性和深入，从而提升学生的化学学科素养，因此发展学生的定量思维能力进而促进定量观的形成是中学化学教学的基本任务之一。实验是开展化学教学的重要途径，从实验观察、证据推理和实验延展三个方面举例阐释促进学生定量观建构的教学实践与思考。

关键词：定量观; 定量观念; 定量思维; 定量意识; 化学实验

文章编号：1005-6629（2020）09-0059-04

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

任何事物都是“质”与“量”的统一。事物的“质”是指该事物区别于他事物的内在规定性，其包含多方面，且是密不可分的统一整体。因此“质”是区别事物的根据，是认识事物的起点和基础。事物的“量”是质的等级、规模、范围和结构的表现，是事物可以由数和形来表示的规定性。与事物有不同方面的质相对应，事物的量也有不同的方面，把握了事物的量，就能更深刻地把握事物的质。人们常说的“心中有数”就是指对情况和问题要有基本的数量分析，因此从“量”的视角认识和理解事物具有重要的实践意义。

1 “定量观”和“定量观念”的理解

“观”和“观念”虽然都有“表示对事物认识和看法”的意思，它们之间有一定的相似性，但两者也有明显的区别。“观”更侧重于宏观层面，含有运用观念解决问题能力的含义，如定量观是依据化学基础，运用数学方法解决物质组成、结构、变化中“量”的问题的一种能力[1];而“观念”是人们对事物的主观与客观认识的系统化之集合体，它更多地侧重于具体看法，也可以是相对较为微观的学科知识、学科认识或学科理解，如质量守恒定律既属于化学学科知识，也属于化学学科观念（定量观念）。“观”统摄着“观念”，“观念”融合成“观”。让学生形成定量观就必需帮助学生建构起一个个具体的定量观念，建构路径而建构定量观念的过程是需在定量意识的基础上，在定量思维的参与下逐步形成的一种基于“量”的认识与理解的过程。因此学生化学定量观的形成就必需以定量观念建构为核心，从培养“量”的意识、发展“量”的思维和建构“量”的观念三个层面着手（见图1）。

2 实验过程中促进学生定量观念建构的教学实践

化学研究的对象是物质及其转化，而化学物质无论是其存在还是转化都是以确定的形式（即“量”的形式）进行的，只有把研究物质及其转化从定性上升到定量的高度，才能揭示出物质存在的本质和转化的规律，因此定量观是学习、研究化学的基本学科观念，而定量观念也就成为看待化学问题、研究化学现象的一种视角[2]。

在中学化学教学中，化学实验本身既是学科教学的重要内容，同时也是研究学科其他内容的重要途径和方法，因此化学实验是一种过程与方法，是一种认识与实践活动。它在为学生的化学学习提供大量事实性学科知识的同时，也使学生在该过程中体验并感悟到这些知识背后的“量”的重要性，培养学生在解决化学问题时所必需具有的定量思想。因此化学实验是唤醒学生定量意识、发展定量思维、形成定量观念的重要而有效的途径。定量观念、化学实验与研究对象三者之间的关系如图2所示。

2.1 在实验观察中促进学生定量意识的觉醒

某次中考复习调研听课现场，教师让学生思考下列问题：“某物质和二氧化碳反应只生成碳酸钠和氧气，则该物质中一定含有的元素有。”很显然解决该问题的模型是质量守恒定律，大多数学生看到问题是判断元素种类，就自然而然地根据“反应前后元素种类不变”进行前后比较得出“只有钠元素是一定存在”的错误结论，之所以会丢失氧元素，是因为定量意识的缺位，也就是说，学生缺乏从“量”的视角分析事物变化的直觉思维，或者说学生唤醒物质定组成观念（即定比定律）的能力欠佳。由此可见，学生的定量意识能否即时跟进将直接影响其对问题思考的深刻性。在具体教学过程中，可以充分利用实验所呈现的有关“量”的因素提升学生对于“量”的敏感能力，从而促进学生定量意识的觉醒。

例如在九年级《化学》（人民教育出版社）上册第一个探究实验“观察和描述——对蜡烛及其燃烧的探究”[3]中，从“量”的视角探究火焰不同部位的温度，使学生真正明白在用酒精灯加热时为什么要使用外焰的原因。在接下来的第二个探究实验“人体吸入的空气与呼出的气体有什么不同”[4]中，以气体能否支持小木条继续燃烧和能否使澄清石灰水变浑浊为判据，通过比较呼吸前后以及不同学生在实验时憋气时间长短对实验现象的影响，探究空气在经过人的呼吸作用后，其成分所发生的变化以及影响这一变化的因素，让学生知道物质的浓度（含量）变化能改变物质的某些性质，初步体悟“质”与“量”的关系。

又如在九年级化学“氧气”[5]教学中，可以引导学生从“量”的视角分析：木炭（或硫）分别在空气和氧气里燃烧时现象不同的可能原因，该问题通过剖析空气和氧气的差异性，一方面可以培养学生“量”的直觉意识，另一方面也可以为铁丝在氧气中燃烧实验埋下认知上的伏笔，

并通过对铁丝燃烧实验条件分析，

让学生真正体会到不同物质在燃烧时所需要氧气的最低浓度是有差异的，为后续涉及有关耗氧实验问题（如爆炸极限、测定空气中氧气含量的实验拓展等）的解释提供知识和思维储备。

当学生还未学习相关化学用语时，若强调某种“量”的事物特性时，通常会使用一些带有定量含义的词语来表达。如表征某溶液中溶质含量多少时一般会用浓或稀来表述，对于有颜色的溶液也可以用颜色深或浅来描述，当浓度概念建立以后就常使用浓度的具体数值进行表征;又如表征溶液酸堿性时，开始常用强酸性、弱碱性等词语描述，当学习过pH概念后就会使用溶液具体的pH来表征，进而学习溶液酸碱性本质以后通常会使用c（H+）或c（OH-）的数据进行表征。因此化学中的“量”既可以数据表征，也可以是带有定量含义的定性描述，且定性描述是培养定量意识的起点，也是学生形成定量意识的必经阶段。

2.2 在证据推理中促进学生定量思维的发展

在化学教学中，定量思维是一种非常重要的理性思维，它在认识事物时有着严密的逻辑性和层次性，同时也具有严格的精准性，它是建构定量类化学概念、解决定量类化学问题的核心思维方式。化学实验为定量研究提供了相应的证据（即实验现象或实验数据），实验素材背后的学科本质需要研究者（或学习者）进行逻辑加工和分析推理。在这个过程中，“量”是一类不可或缺的基础性原始证据，只有将定性与定量结合进行研究得到的推论才会具有更加可靠的确信度。因此，定量思维是基于定量观念视角下分析问题和解决问题的基本思维方式。

化学式是一个最基本的定量类化学用语。如教材提供了“电解水实验”[6]这一素材，让教师引导学生利用实验中所得到的相关数据，经过“基于证据的推理”这一严谨的学科思维过程，得到“水分子中氢原子和氧原子的个数比是固定的”科学事实，从而为化学式概念的形成做好认知上的准备。因此，电解水实验是一个典型的基于“量证据”进行推理的教学实践活动。但在实际教学中，许多教师都是根据最后所得气体的体积近似等于2∶1的结论进行推理，其实这样的推理过程缺乏基于证据推理应有的严谨性。为了充分发挥这一实验的教学功能，培养学生定量思维能力，促进学生定量意识水平的提升，笔者在教学实践中进行了如下设计。

数据记录：教师演示实验，用36V直流电源电解H2SO4（约1∶4）溶液，当O2体积达最小读数（1mL）时，关闭电源，待气体体积稳定后记录第一组数据，以后每隔1～1.5min左右记录一次气体的体积读数，记录4～5次。

数据分析：首先引导学生分别从两种气体体积的绝对量比值和变化量比值两个角度分析数据，并分析H2和O2的绝对量比值不等于2∶1，而变化量的比值却等于2∶1的可能原因;再引导学生从分子原子关系的角度结合数据，定量反推水分子中氢、氧原子数量关系。

实验结论：水分子中氢、氧原子的个数比是2∶1（本实验并不能得到水分子的具体构成）。

数据获取能力以及数据关系判定能力是衡量定量思维水平的一个重要指标，当实验数据与理论数据出现差异时，不能想当然地认为是实验误差的原故，而要认真分析差异背后的真实原因。在此教学情境中既丰富了学生的理解认知过程，也培养了学生实事求是的科学态度。

又如，强电解质和弱电解质的概念是高中化学的重要教学内容，它是基于“量”的证据进行推理建构的典型课例：物质的量浓度不同的HA或BOH溶液导电能力有强有弱[7]的实验事实是推理建构的基本依据（即证据），其教学基点是电解质溶液的导电能力与溶液中离子浓度大小呈正相关，即溶液中离子浓度越大，溶液的导电能力就越强。而此时学生还没有形成这个教学基点，即学生缺少这一学科知识，因此帮助学生形成这一学科知识是本节课的教学起点。此外，若电解质不完全电离可以采用对比方法间接证明（即推理），而电解质完全电离则可以通过测定溶液中离子浓度的定量实验方法直接证明。笔者的具体教学思路如下：

首先，通过控制变量的思维方式帮助学生形成教学基点，即只能改变离子的浓度，其他的量均保持不变（可以通过测定蒸馏水中逐滴加入饱和食盐水的过程中电导率变化来实现[8]）。

然后，在此教学基点上引导学生从“量”的视角分析上述基本实验事实：（1）实验中酸溶液为什么选择醋酸溶液和盐酸，而不选擇醋酸溶液和硫酸？碱溶液选择氨水和氢氧化钠溶液而不选择氨水和氢氧化钡溶液？（2）实验中醋酸溶液电导能力弱于盐酸，氨水导电能力弱于氢氧化钠溶液，说明了什么？通过问题解决，学生推理得到电解质在水溶液中的电离程度有大有小的结论，此时可以进一步引导学生分析醋酸（或氨水）中溶质存在的粒子形态，从而找出它们的电离特点，即醋酸（或氨水）在水溶液中的电离是不完全的，但仍未得到氯化氢（或氢氧化钠）在水溶液中的电离是完全的结论。

最后，引导学生解决下列问题：如何证明氯化氢（或氢氧化钠）在水溶液中是完全电离的（可以通过测定0.1mol·L-1的HCl或NaOH溶液中H+或OH-的浓度来实现）。

这样的教学不仅能让学生真正理解电解质强弱的含义，更重要的是通过强弱电解质概念的建构过程，提高了学生的定量思维水平，发展了学生的证据推理能力。

2.3 在实验延展中促进学生定量观念的形成

课本所列举的实验都是前人经过无数次实验后所形成的经典实验，其背后还包含着许多类似的实验，因此在适当时机对其进行适当的延伸（深度）和拓展（宽度）是提升实验能力、促进学科理解、建构学科观念的一种有效措施。在这种延伸与拓展的过程中，如果能引导学生从“量”的视角进行思考，将会更好地促进学生理解实验中表面现象与背后学科原理之间的关系，在“量”的层面形成学科理解，从而帮助学生形成某一具体的化学定量观念。当然学生对实验延伸与拓展的收获与学生具备的相应学科知识多少密切相关。

例如初中化学进入中考复习后，学生已经具有了大量的事实性化学知识，同时在思维层面上也具有了一定的定量思维能力，因此这一阶段对于那些富含定量意味的实验复习教学，除了在知识层面加强前后联系外，更要在思维层面强化“量”的功能，使学生能在更高思维层面理解实验原理和本质，充分提升实验的教学价值。例如关于“空气中氧气含量的测定”[9]实验复习，可以在回忆红磷燃烧法测定空气中氧气含量实验的基础上，引导学生关于“能否选择木炭或者硫作为该实验的耗氧物质”的讨论。该问题的本质是实验方案的设计与评价，它一方面可以促进学生对该实验测定原理的深化理解，另一方面也可以促进学生从“量”的高度重新认识可燃物的燃烧条件。在具体教学中笔者按如下教学思路进行设计。归因：产物状态的影响→改进：产物影响的消除（产物吸收）→验证：实验方案设计并实验验证→结论：可燃物燃烧时所需氧气的最低浓度会影响实验结果。具体教学过程如下：

问题1：能否用木炭或硫磺代替红磷？为什么？（提出问题并帮助学生回忆、理解该装置能够测定空气中氧气含量的原理）

问题2：将广口瓶中的水换成浓NaOH溶液后可以达到实验目的吗？（引发学生从量的视角找出木炭燃烧与硫燃烧所得产物在性质上的差异性，木炭在燃烧过程中随着氧气的消耗而生成CO气体，从而在理论上排除木炭的可行性，进一步强化定量分析的价值认同）

实验探究：实验装置如图3所示，在集气瓶内加入少量浓NaOH溶液（用橡皮筋标示出NaOH溶液的液面），将液面上方的空间分为5等份，用弹簧夹夹紧橡皮管。点燃燃烧匙里的硫磺并迅速伸入瓶中，等硫磺熄灭并冷却后，摇晃集气瓶使气体充分被浓NaOH溶液吸收，打开弹簧夹，观察实验现象——只有少量水进入集气瓶中。

原因探析：分别用O2传感器和SO2传感器探测硫燃烧过程中集气瓶内O2和SO2含量的变化，当硫燃烧熄灭时，体系内O2并没有被完全消耗（经测定气体中剩余氧气的体积分数约为14%），燃烧时由于装置不宜振荡，SO2几乎没有被NaOH溶液吸收;燃烧结束后振荡，SO2被吸收干净。

定量观念：可燃物在氧气中能够燃烧不仅温度要达到某一量值（即着火点），而且氧气浓度也要达到某一量值（不同物质所需量值可能不同）。

迁移应用：引导学生站在“量”的高度，分别从氧气和二氧化碳的双重视角对“灯火实验检测地窖中空气的安全性”的结果进行分析评估：灯火实验测定的是空气中氧气的含量，而不涉及空气中二氧化碳的含量，对人而言，空气中氧气和二氧化碳含量都很重要，也就是说，若火焰熄灭，人肯定不能进入;但火焰不熄灭，人进入也不一定安全。

思维拓展：空气中氧气含量不变的情况下，二氧化碳含量升高会影响可燃物的燃烧吗？

当学生具有较强的定量观念后，他们在分析研究事物时就会下意识地从“量”的维度思考相关问题，在思考进程中也会适时采取串联型思考方式或并联型思考方式。经过这样定量化思考过的问题在理解上会更加全面与深入，这样的教学能使学科知识得到真正意义上的整合，学生的思考力和学习力得到有效提升。

3 结语

学科观念的建构不是一蹴而就的，建构的途径也多种多样，化学实验只是其中一条常见而有效的途径而已。此外化学实验在学科教学中的作用也是多方面的，其教学价值的开发应根据教学设计的总体目标来设定。而学科观念处于学科认识层面，能够促进学生对学科知识的深层次理解和学科思维水平的提升。因此在实验教学中可以从实验目的与观念建构的视角寻找两者的契合点，在达成知识目标与技能目标的前提下，引導学生在实验分析中形成学科观念，在观念指导下提升实验能力，从而真正实现实验教学与观念建构的良性互动。

参考文献：

[1]张建阳. 中学化学定量观的培养策略[J]. 中学化学教学参考， 2016， （4）：9～10.

[2]杨花雨. 中学化学定量观念的内涵和培养策略研究[D]. 北京：首都师范大学硕士学位论文， 2014.

[3][4][5][6][9]王晶， 郑长龙主编. 义务教育教科书·化学（九年级）[M]. 北京：人民教育出版社， 2017.

[7]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学1[M]. 南京：江苏凤凰教育出版社， 2017.

[8]薛青峰， 孙美华. 概念主题理念下的化学概念教学的实践与思考[J]. 化学教学， 2018， （8）：45～48.