真实情境下的化学计算教学

杨婷

摘要：针对传统化学计算教学“为计算而教计算”、教学情境素材老旧或脱离实际等问题，通过创设真实实验情境及问题情境，联系中考题型及内容，结合初高中衔接理念，开展一堂以样品中碳酸钙含量的测定为主要内容的化学计算课，帮助学生理解化学计算的学科价值，培养学生运用化学计算解决实际问题的能力。

关键词：化学方程式;计算;真实情境;初高中衔接

一、教学理念的提出

2011年版初中化学课程标准在“课程基本理念”中强调：为学生创设体现化学、技术、社会、环境相互关系的学习情境，使学生初步了解化学对人类文明发展的巨大贡献。初中阶段的化学计算包含化学方程式计算、溶液配制及稀释的计算、溶液组成计算及有机物的相关计算等，而高中阶段的化学计算多数是以此为基础进行延伸和深化，因此，化學计算是初高中衔接教学的重要内容。初中化学计算以提高学生分析能力及运算能力、培养学生定量思想及守恒观为主要目标，能够帮助学生形成科学的学习和思考方法，培养学生的化学学科素养。

从中考试题的命制角度来看，中考计算题已逐步摒弃“为计算而计算”的出题方式，走出“偏、难、怪”的命题误区，这也和高考命题改革相一致。现今人们普遍认为，只有真实情景的化学计算，才能让学生体会到化学计算的实用价值，才能让学生学会应用化学计算解决实际问题，才能让学生真切地体验并感受到化学方程式计算的重要意义。

此外，化学方程式不是符号和数字的简单组合，而是对化学反映宏观事实和微观本质的符号表征。实践证明，学生能否理解“可观察的宏观世界，分子、原子和离子构成的微观世界，化学式、化学方程式和元素符号构成的符号世界”这三者之间的联系，是影响学生化学学习的重要因素。化学方程式的计算也不仅仅是简单地从数学运算的角度进行化学计算，而是要求学生结合情境，理解为什么要计算和如何先分析再计算。

从化学计算的常规教学角度来看，对于化学方程式计算的教学，在传统教学中，一些教师的教学模式是“例题展示—模仿练习—错误分析—强化训练”，按照“设、式、量、比、算、答”的程序来讲解。诚然，这样的模式也能让学生较好地掌握计算的技能，但课堂显得枯燥、乏味，不能充分体现“以实验为基础”的化学学科特点，更重要的是学生缺乏对定量研究物质变化的理解。

综上所述，笔者认为，化学计算教学应结合学生已有的生活经验，创设真实的问题情境，与化学学习方法、化学观念等融合，从而进行有趣且高效的教学。

下面以“化学方程式的计算”为例，试图创设一个真实且可以随着学生知识的生成持续变化的教学情境，引导学生逐步认识到化学计算并非单纯的数学运算，而是真正具有实际意义的计算。

二、课前准备

（一）选择适当的素材

由于本课实验只是辅助，因此所选用的实验需操作简便、数据易得，同时需结合学生已有的知识和初中化学中典型的计算类型，最终笔者选择了“样品中碳酸钙含量的测定”这一课题。其基本思路是：根据实验中收集到的CO2的量来推算CaCO3的质量，从而算出样品中CaCO3的质量分数。实验探究点是：如何测定实验过程中产生的CO2的量。

对于气体，可以用两种方法进行测量。一是直接称量反应前后物质的总质量，通过计算其差值即可算出气体的质量。二是通过测气体的体积来推算气体的质量。对于本课CO2的质量测定来说，这两种方法都可以。本课则运用这两种方法分别测定同一种样品中碳酸钙的质量分数，对比两个结果，进行误差分析。

（二）选择合适的药品及用量

（1）药品的选择。笔者预先对以下几种样品进行了选择，分别是：大理石（石灰石），钙片（主要成分为碳酸钙），珍珠粉，碳酸钙粉末。考虑到本节课的重难点均不在实验操作或实验探究上，并且课堂实验时间有限，实验要在短时间内完成，因此反应的快慢程度非常重要。经过试验对比发现：大理石（石灰石）反应速率中等;钙片反应速率较慢;珍珠粉虽然反应很快，但是会出现较多泡沫，把粉末“托举”起来，使反应不能完全进行;而碳酸钙粉末反应很快且不会出现“泡沫托举”现象。因此，笔者最终选择碳酸钙粉末进行实验。

（2）药品的用量。对于用称量法来测CO2质量的实验，样品的用量可以有较多的选择。而对于通过测体积法来计算CO2质量的实验，样品的用量就不能随意选择，药品用量取决于集气瓶的规格，必须控制产生的CO2体积在集气瓶的容积以内。经过多次反复试验对比，笔者认为取用1克左右的碳酸钙样品较为合适。

（三）选择相应的装置和操作方法

（1）称量法测CO2的质量。因为CO2是气体，且1克左右的碳酸钙与足量的稀盐酸反应，产生的CO2大约是0.44克，用普通托盘天平难以准确称量，所以需要选择精度比较高的电子天平。

反应容器的选择：试管口径较小，滴加稀盐酸容易冲出，造成较大的损耗;放在锥形瓶中进行，不会有液体冲出，但是因为CO2的密度比空气大，短时间内难以全部逸出，容易造成较大的误差。所以，我选择在小烧杯中进行。烧杯口比较大，气体容易逸出，比较合适。

操作方法：向盛有样品的小烧杯中滴加稀盐酸，不宜选择直接倾倒的方法，因为直接倾倒会导致液体冲出，造成较大的误差。

（2）体积法测CO2的质量。用体积法测气体的体积主要有以下几种方法（装置如图1所示）。

笔者用第一种方法尝试过多次，效果均不太理想。原因是样品和稀盐酸反应很快，产生的CO2气流不稳定，所以排出水断断续续;另外，读数时两边的液面要保持相平，否则会产生压强差，使测定结果产生误差。

用第二种方法直接在量筒里收集气体，然后直接读数，应该是比较准确的。但是，取1克左右的碳酸钙样品，产生的CO2大约为220毫升，实验室没有大规格的量筒（若取用样品的质量较少的话，误差会比较大），而且最关键的是不易操作。

经过反复试验，笔者认为第三种方法比较好。选择250毫升规格的集气瓶，可以调节集气瓶内外压强差，最后根据集气瓶中留下的水的体积算出CO2的体积，再根据实验温度下的密度把体积换算成质量。

用上述方法测得的样品中碳酸钙的质量分数结果有差异，体积法测定的结果偏低，称量法测得的结果比较准确。

三、课堂活动（片段）

[问题]如何测定1g粉末样品中碳酸钙的含量？

[知识回顾]

1.空气中的氧气体积含量是如何测量的？（如图2所示）

2.测定质量守恒定律的實验为什么要在密闭容器中进行？（如图3所示）

[学生归纳]

1.红磷燃烧消耗氧气，通过测量水的体积间接测量氧气的体积。

2.碳酸钙和稀盐酸反应产生的二氧化碳气体会跑掉，使天平不平衡。

[结论]可以通过直接称量和间接测量的方法得出气体的质量，然后带入化学方程式计算。

【设计意图】根据布鲁纳的建构主义理论，通过对已学知识的回顾为学生搭建脚手架。学生在对空气中氧气含量的测定及质量守恒定律的学习中就接触过气体质量的相关测定，用这两个例子引入测量气体体积和质量的方法，也可为后面的化学计算做铺垫。

[实验]

1.直接称量法。

（1）用电子天平称取1克左右的样品放在小烧杯中，与过量的稀盐酸一起称量总质量，记录数据。

（2）向粉末中滴加稀盐酸，直到不产生气泡为止，再次称量总质量，记录数据（见表1）。

[学生活动]将二氧化碳的质量带入化学方程式，计算碳酸钙的质量。

2.间接测量法。

（1）称取1克左右的固体粉末放入锥形瓶，用250毫升的集气瓶排水法收集气体（如图4所示）。

（2）从分液漏斗慢慢加入20毫升（确保过量）的稀盐酸，直到不产生气体为止。

（3）用量筒测量集气瓶中剩余水的体积，记录数据（见表2）。

[学生活动]根据相应的数据算出二氧化碳的质量，再根据化学方程式算出碳酸钙的质量。

[数据分析]

1.间接测量法所得结果偏低的原因可能有哪些？

2.如何减小误差？

[学生回答]

1.可能有一些二氧化碳溶于水，使体积偏低;多步骤操作引起误差;药品分布不均匀……

2.一次试验存在偶然性，应该多次实验，取平均值。

【设计意图】笔者根据多年教学经验可知，若是直接给数据代入方程式计算，绝大多数学生都能完成，但在真实的实验或情境中，很多数据都是要进行分析和处理的，并且数据通常较多，需要进行有效选择，而这正是学生欠缺的。因此，笔者设计这样一个教学片段，让学生在真实的实验操作中寻找有用的数据，并且学会数据分析处理，培养学生解决真实问题的能力，同时也为学生高中的实验数据处理打下基础。

四、课后反思

化学方程式计算的根据是质量守恒定律，而质量守恒定律是化学学习非常关键的一部分，要想学好化学计算，就必须正确使用化学基本术语和原理，顺利找出相关物质的质量关系、列出比例关系。真实情境下的化学计算教学，需要学生解读相应的信息，设计可行的实验操作，搜集相应的数据，处理数据之间的关系，还要能对实验误差进行一定的分析。这样的教学层次比较高，学生必须具备一定的基本功，熟练掌握化学计算的基本格式和步骤。所以，一定的例题讲解和模仿练习还是必要的，但切忌一味地讲和练。教师应该创设一些真实情境，为化学计算教学增添一抹亮色，从而让学生逐步认识到：化学计算并非单纯的数字运算，而是具有实际意义的计算。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]毕华林.化学新教材开发与利用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]杨砚宁.创设真实情境提高化学计算教学实效：以“依据化学方程式的计算”的教学设计为例[J].化学教学，2018（11）.

[本文系中国化学会教育委员会“十三五”规划课题“基于化学核心素养的初高中化学衔接教学”（课题号：HJ2020-0058）阶段性成果]

（责任编辑：韩晓洁）