从数形结合题观初中化学定量观的建构

◎ 秦经丽

一、问题的提出

考试是教学中的一个重要环节,考试提供的信息比考试成绩更重要,我们可以从中发现教学与考核中存在的问题,以便我们总结经验,找出对策,指导今后的教学活动。在对本校近三次化学考试进行大数据分析时,笔者发现在数形结合题中学生得分率明显低于其他类型题目,甚至许多成绩较好的学生也在这类题目中痛失数分,具体得分情况统计如表1。

表1 三次考试中数形结合题的得分率比较

华罗庚先生说过:“数缺形时少直观,形少数时难入微,数形结合百般好,隔裂分家万事休。”这类利用图像、图表的方式,以数学模型的形式展现化学有关问题的试题被称为数形结合题。

通过对数形结合题的分析,我们不难发现它对学生提炼、加工信息的能力的考查,更注重学生的数据处理分析能力的考察。在此基础上,数形结合题把学生能否运用一些重要的化学概念、规律与原理解决简单问题作为一项重要的素养进行考核,这恰恰体现了化学教学改革的最新理念。

二、题型解读

数形结合题不仅考查学生对基本的化学概念、原理的理解,同时还考察了学生的证据推理能力、分析解决问题的能力,具有很强的选拔功能。通过对近五年的安徽中考化学试题的整理分析,发现安徽中考化学中数形结合题的考察主要有两种形式:基础原理题和科学探究题。

在基础原理题中通常考察图像与变化的对应关系,初中化学常见的有:溶解度—温度曲线、产物的质量—反应物的质量曲线、溶质质量分数—溶剂或溶质质量曲线、溶液的pH—酸碱或水的体积曲线、压强与反应时间曲线等(如例1)。

例1 下列叙述与相应图象变化关系相符的是( )

A.分别把a、b、c 三种物质的饱和溶液由t2℃降低至t1℃时,所得溶液中溶质质量分数的顺序为a>b>c

B.恒温条件下,将一定量接近饱和的氯化钠溶液蒸发适量水分

C.不同金属与一定量的稀盐酸反应,由图象可知,金属N 比金属M 活泼

D.向一定量氢氧化钠溶液中逐滴加入稀盐酸

在科学探究题中通常以学生熟悉或不熟悉的实验为情境,利用数字化传感实时、动态的数据绘制曲线图(如例2),考查学生从图形中获取证据进行推理的能力,以及运用已有知识解释实验结果的能力,体现了“宏观—微观—符号—曲线”四重表征的学科特点。但部分学生难以将宏观的化学变化、微观的化学反应、化学用语与数形曲线进行有机结合,孤立的解读曲线的内容,难以有效解答数形结合题。

例2 如图为运用数字化实验测量向盛满二氧化碳的密闭装置内注入石灰浆(含有氢氧化钙的白色浑浊液体)并振荡装置后相对压强的变化曲线,结合数据分析下列说法错误的是( )

1.曲线①到②压强上升,是因为石灰浆注入装置时,挤压了瓶内气体

2.曲线②到③压强缓慢下降是因为没有振荡装置,装置内二氧化碳气体没有来得及和石灰浆反应

3.曲线③到④迅速下降是振荡装置后,石灰浆和瓶内二氧化碳发生反应的结果

4.曲线表明氢氧化钙可用于检验二氧化碳

在化学课程标准中有这样一句话:“从定性到定量,体现了化学学科发展的趋势。”在义务教育阶段,我们的教学重在启发学生对化学的求知欲与好奇心,通过生动而有趣的化学变化现象,让学生在对物质世界里变化规律的学习中形成“物质是可以变化的”这样的基本观念,这就属于定性认识。而为了使定性认识的内容更为广泛和深入,我们还需要利用定性分析作为补充,从而是定性认识的内容更为准确和科学。所以,定性与定量是相辅相成,互为补充的,不能完全割裂的对待,在义务教育阶段也需要适当的发展学生的定量认识。化学学科的发展也是顺着从定性到定量,从宏观到微观而逐步深入和丰富的。

三、教学模型

由于义务教育阶段对化学的要求较为基础,在安徽中考的历年化学试题中考察到定量分析的内容极少,这导致大多数教师在日常的教学中重定性、略定量,以至于初中学生对化学定量的认识层次较低,他们的化学定量认识水平与当前的思维水平有着极大的差距。笔者认为这与教师的教学方法、教学策略脱不开关系,由于中考的导向性,日常教学中教师也很容易忽视定量认识的教学,更别说对其内涵与价值的延伸。更有甚至将定量内容作为事实性知识或技能来进行教学,以至于学生采取死记硬背的方法来学习化学定量观这一观念类内容,导致学生无法建立“宏观—微观—符号—曲线”四重表征之间的逻辑关系,更难以构建观点、结论和证据之间的联系。因此我们需要从教学的战略角度深刻认识定量观对化学学习的重要性,针对熟悉的教材我们要学会换个角度、运用定量的观点重新分析与解构相关的知识。化学定量观的建构是要以基本的化学知识与化学思想方法作为基础,有意识的主动探索其中蕴含的化学定量的观念,在对知识的不断深入探索中,实现化学定量有关思想与观念的螺旋上升,而溶解度相关内容恰是最佳的构建素材。

这一教学模型包括知识与认知过程两条线索,在教学过程中要设计一系列推进式的问题,引导学生在问题的推动下展开相关的探究活动,学生在知识的获取中初步完成对于观念的建构过程,通过溶解度等相关概念的理解并应用来建构定量认知,并最终建构定量观(如图1)。该模型主要包括三个阶段:第一阶段是激活定量认知,通过感性认识了解溶液的形成,进行定量观察;掌握饱和溶液与不饱和溶液的概念后,设计推进式的定量问题,使学生定量分析的探究活动在问题驱动下进行;第二个阶段是内化定量认知,在具体的问题情境中深入微观层面,通过溶解度曲线绘制的活动初步理解化学定量的内涵,提炼形成相关定量表征的方法;第三阶段是构建化学定量观,在上述学习活动基础上,可以根据学生思维活动的线索记录评价性问题,促使学生将定量观念外显,在实践中进一步反思评价定量认知,了解定量观在生产生活中的价值。

以这一系列推进式的问题为引导,通过问题解答活动来帮助学生构建化学定量观,从而构建“宏观—微观—符号—曲线”之间的内在逻辑关系,由表及里,由浅入深,由知识到观念的教学设计更符合学生思维发展的顺序,也体现了知识内化的程序。

四、教学技巧

首先,要审析化学原理。仅从数与形的角度分析是难以解决化学问题的,所以还要结合具体的题干信息,找出其中包含的化学反应或化学知识,再结合数形的变化分析数形变化背后蕴含的化学原理,为了帮助理解可以将反应用化学方程式表示出来。

其次,关注两轴四点一趋势。将坐标轴所代表的量与化学原理相结合,将化学知识带入曲线的变化去分析。根据确定的变化趋势关注曲线中的四点即起点、交点、转折点、终点。起点表示某变量在开始时的状态,终点指的是该变量在结束时的状态,值得注意的是起点和终点时是否处于零点;交点意味着两个变量在该点的状态一致;转折点大多数表示反应停止、状态改变等。

在解题时,我们要基于对曲线背后化学原理的理解,理清曲线、数值、变化三者间的关系,根据题目设问进行规范作答。

五、总结

数形结合题作为近年来中高考化学的热点题型,考察的不仅是学生对化学基本概念、原理的理解,更关注学生的分析解决问题甚至发现问题的素养,选拔的取向性很强。但是以安徽中考近年来的化学试题来分析,题目中涉及的数形结合题在减少,题型和考察的知识点都面临固化,这种选拔的取向也被弱化了,综合来看可能与近年来安徽中考改革化学分数下降有关。在仅有40分的情况下,中考化学如何做到知识覆盖面与考察深度的平衡,这是当前安徽中考改革中需要思考的一个问题。我们需要从教学的战略角度深刻认识定量观对化学学习的重要性,以一系列推进式的问题为引导,通过问题解答活动来帮助学生构建化学定量观,从而构建“宏观—微观—符号—曲线”四重表征之间的逻辑关系,由表及里,由浅入深,由知识到观念,深刻认识观点、结论和证据之间的联系。