基于定量探究的初中化学深度学习——以“邂逅苏打水——化学计算专题”为例

陈 婷 蒋 健

（浏家港中学 江苏太仓 215433）

随着《义务教育化学课程标准（2022 年版）》的颁布，以素养、能力为本的教学已经成为当前初中化学教学的主要落脚点和生长点，其基本内涵就是基于真实的情境，通过解决较为复杂，具有挑战性的问题来逐渐培养发展学生创新精神所需的素养和能力，而深度学习恰好为这一目标的实现提供了一条可行的路径。

由于初中生知识水平、心理水平等因素的影响，初中化学的学习探究活动主要是以定性探究形式开展的，而定性探究是认识物质的基础，很多情况下表现为较为浅层的学习，导致学生无法理解微观本质原理，在陌生情境中，对知识迁移解决相关问题的综合能力略显薄弱［1］。定量探究是定性探究的补充与发展，也是实现深度学习的一种方式。

一、深度学习与定量探究

1.深度学习

深度学习起源于上世纪70 年代，发展至今，国内外学者普遍认为［2，3］：深度学习是在教师引领下，基于原有知识能力，围绕有挑战性的学习主题，以学习者主动参与为前提，重视知识结构的建立和认知策略的原认知，获得发展的有意义的学习过程，以知识迁移和认知策略迁移来解决实际问题为最终目标。深度学习是一种高阶思维主导的学习方式、学习策略和学习过程，也是一种教学思想，是教学变革的方向。初中化学深度学习可以认为是在教师的引导下，学生围绕较为复杂的、有挑战性的、真实的化学相关学习主题或问题情境，从化学的学科特点、学科观念视角出发，主动开展以实验为主要手段的探究活动，通过证据推理、质疑批判等高阶思维学习过程，解决实际问题，培养创新精神，促进化学学科素养和能力的发展与提升。

初中化学深度学习应该是一个真实情境下的主题式的学习过程，是主动参与、主动构建系统知识体系的学习过程，是质疑、批判、迁移等高阶思维活动不断提升发展的学习过程，是化学观念、学科思想不断内化，能力不断提升的学习过程（如图1）。

图1

2.定量探究

定性、定量都是科学探究的主要方法和思维形式。定量相对定性而言，更侧重于量的角度，通常在化学学习过程中，往往需要在定性探究基础上，借助数学工具对物质进行数量方面的探究分析，将问题与现象等用数据、模型、图形等方式表示，从微观视角、量化角度研究，最终揭示物质及其变化的本质与特征。定量探究是化学学习的学科方法之一，也是对相关知识开展深度学习的表现形式之一。因此，从定量的角度开展深度学习，对认识、理解、应用物质具有重要的理论和现实实践价值。

二、基于定量探究的深度学习案例

1.学习目标

（1）通过对真实情境中苏打水中碳酸氢钠含量的定量测定、自制一定浓度苏打水实验以及实验误差的分析，发展学生合作探究、质疑思辨、证据推理、比较综合、迁移应用等高阶思维能力。

（2）通过真实情境中化学定量实验的设计，提高学生分析探究及实验设计的能力，发展定量思维能力。

（3）通过真实情境中的定量探究，进一步培养科学探究与实践能力、科学态度和社会责任，促进学生深度学习能力的不断提高。

2.学习过程

环节一：创设情境、确立主题

×××苏打水广告视频——介绍苏打水对人体的好处。

展示：购买的苏打水。锚定最终学习任务：自制苏打水。

师：谁能给我们介绍一下苏打水中的主要成分碳酸氢钠（小苏打）？

生：观看视频，回顾交流碳酸氢钠的性质及用途。

设计意图：调节课堂气氛，激发学生的好奇心和探索欲望，复习碳酸氢钠这种盐的性质及用途，为后续探究做好铺垫。

环节二：定量实验设计，引发深度思维

若要自制苏打水，首先需要了解苏打水中碳酸氢钠的质量分数。

［核心问题1］如何测定苏打水中碳酸氢钠的质量分数？

资料：碳酸氢钠与氢氧化钙在过量与少量时发生的反应：

学生小组设计、交流、展示实验测定方案与装置图。

［生1］方案一：加足量的稀盐酸，测定产生二氧化碳的质量。

［生2］方案二：加足量的氢氧化钙溶液，测定产生碳酸钙沉淀的质量。

［生3］装置图（如图2、图3）

图2

图3

［师］若利用方案一，需要测定哪些数据才能达到实验目的？

［生］（1）实验前苏打水和稀盐酸及所有装置的总质量；（2）实验后所有溶液及装置的总质量。反应前后的质量差即为生成的二氧化碳的质量（见表1）。

表1 实验过程中的质量变化关系

［生］分析数据可知：产生二氧化碳的质量m（CO2）=211.821 g-211.805 g=0.016 g；

依据NaHCO3～CO2可计算出碳酸氢钠的质量为0.031 g；

苏打水中碳酸氢钠的质量分数为0.031 g/50.000 g×100%=0.062%。

［实验反思］如果没有无水氯化钙，实验的结果会怎样？盐酸的用量应该如何选择？如何判断？

［计算］依据实验测定的结果，计算得出苏打水中碳酸氢钠的质量分数。

设计意图：学生讨论实验方案的可行性、通过交流确定可行的方案，通过定量实验的探究，体现化学实验的严密性和科学性，引导学生从实验设计、质疑批判、科学论证到进行定量计算，层层递进，不断提升学生思维的深度。

环节三：定量实验分析，促进深度学习

［核心问题2］如要配制一瓶550 mL（已知密度）的苏打水，需如何进行配制？

［生］说明配制步骤：计算、称量固体、量取水、溶解。

［生］分组配制苏打水。

［提高］老师这里还有一杯提前配制好的浓度较大的一定质量分数的碳酸氢钠溶液。（1）经测定实际浓度偏小，可能是什么原因引起的？（2）可以如何配制成为我们需要的苏打水？

［生］主要从溶质溶剂质量变化的角度分析实际浓度偏小的原因。

［生］从溶质质量不变的角度，计算说明浓溶液稀释配制一定质量分数的碳酸氢钠溶液的方法。

设计意图：通过完成苏打水的配制实验，体验化学与生活的紧密联系。从实验数据的误差分析，从溶液成分质量的角度定量分析产生误差的原因，从深层次认识溶液的组成。

环节四：定量计算指导生活，增加深度学习的深度

［核心问题3］说说饮用苏打水的利与弊

［师］高血压患者需要低钠饮食，喝这样的一瓶苏打水，相当于吃了多少食盐？

［生］计算钠含量，从“量”的角度说明问题。

设计意图：引导学生客观地看待苏打水，通过化学式计算理解饮食要注重“量”，体会化学定量研究对生活的重要意义，增加学生深度学习的深度。

三、教学反思

1.创设有深度的定量探究真实情境，促进高阶思维发展

进阶学习理论认为：学习前景与学习内容的关联度越高，学习内容将变得更加形象具体，学生越容易进入一种深度学习的状态，学习效率也越高。

真实有深度的情境蕴含着学科核心知识、观念、价值、素养，必然是贴近学生的最近发展区，蕴含着驱动性的学科核心问题，能调动学生的探究欲望，要求学生以开放的形式，以证据推理、质疑、批判等思维去寻找解决问题的策略和方法，促进知识的建构和迁移运用。学生解决有挑战性问题的过程，必然是学生认知发展、建构的过程。在解决问题时，首先激发原认知自我意识，根据面对的问题判断自身知识与能力水平，在此基础上主动参与体验探究活动过程，同时进行持续性的评价，据此及时调整、优化，不断自我监控探究活动过程，不断自我调节，将情境、问题、活动、知识技能、素养“五位一体”，高度融合，促进持久理解和高阶思维发展，提高深度学习的深度。

2.基于模型认知的定量计算，促进知识传递走向深度学习

化学计算是化学学习的重要内容，目的在于帮助学生从量的角度认识化学变化，感受“量”在化学变化中的意义，从而实现对化学定量研究意义的认知。当前，化学计算相关内容多为教师示范、学生模仿练习或直接利用公式等较为浅层的学习方式，缺少高阶思维活动，无法认识到知识的内在本质，而从模型认知的思维角度，建构化学模型并运用化学模型解释化学规律，帮助学生理解“量”的意义及其“量”变化的本质原因。初中化学计算中常见的有“差量关系”模型（如图4），利用化学模型可以解释和预测分析某些情况下反应前后质量差产生的原因，即物质的消耗与产生，如某种气体的逸出、沉淀的析出或某种元素的转移等等。

图4

案例中是反应前容器中所有物质的质量与反应后所有物质的质量之间的质量差，由化学反应前后物质种类变化情况可知，只有产生的二氧化碳气体能从容器中逸出，其他的物质不论转化或剩余仍全部留在容器中，故产生质量差的主要原因就是二氧化碳气体这种物质从容器中逸出，也就是说质量差值就是二氧化碳的质量。这种情况下，我们建立的差量模型就是反应前后所有物质的总质量差，一般就是生成的气体外逸或消耗外界气体的质量。

再如实验室利用一氧化碳还原氧化铁模拟炼铁的实验过程中，硬质玻璃管中的物质的前后质量差，则又是另外一种情况。玻璃管内的物质反应前是氧化铁与空气，反应后则是铁粉与空气，这显然是由氧化铁转化为铁粉的过程中产生的质量差，也就是氧化铁中氧元素全部发生了转移，氧元素的质量就是反应前后质量的差值。这种情况下，我们建立的差量模型就是反应前后某几种物质的质量差，一般就是元素转移的质量。

在案例中，利用二氧化碳的质量来推测碳酸氢钠的质量，就需要学生建立“宏观-微观-符号”化学模型，通过理解化学变化的微观本质，利用化学符号的表征能力去解决问题。从微观角度来讲，就是每个碳酸氢根离子反应后能够生成一个二氧化碳分子，也就是无论具体质量如何变化，两种微粒在化学反应前后的个数比始终保持1∶1不变，碳酸氢钠和二氧化碳之间的质量比始终保持84∶44不变。以此类推，每一个化学变化都适用。

3.定量实验设计，促进深度学习发展

初中化学教学强调的是基础性，因此初中化学实验教学更偏重定性实验，轻视定量实验，弱化了从“量”的角度认识化学变化的本质，不利于学生高阶科学思维素养的培养，但实验从定性走向定量是化学发展的必然途径，因此初中阶段进行适当的定量实验的设计与科学探究，对于学生定量思维意识的形成与发展有不可替代的作用，对学生深度学习的发展有其独特的意义。

在案例中，要求辩一辩配制的苏打水是否适合有心脏病的人饮用，表面是小苏打的性质与运用的分析，钠元素对人体的作用与影响的考查，这样的思考还停留在问题表面，实则是要求从钠元素具体含量的角度入手，设计实验测定其含量，转化为主要含钠物质碳酸氢钠的含量测定，过程中实验方案和实验装置的设计以及改进、实验现象分析、实验数据记录和分析、结论、误差分析等等，都需要定量思维的推理过程，帮助学生从结论抽丝剥茧反推原理，再从原理进一步论证肯定结论，达到深度学习的目的。

4.实验误差定量分析，拓展深度学习深度

实验误差普遍存在于定性、定量实验中，是无法避免的，虽然对于结论的推断产生不利的影响，但是正确地利用实验误差，分析误差产生的原因，对于学生思维的培养有很大的帮助。在分析化学实验误差的过程中，学生会质疑每一个步骤的严谨性与正确性，实验装置的合理选择与比较，不同实验方案的优劣对比，数据的推理演绎等，无不需要学生较高水平的思维过程。

案例中定量测定二氧化碳质量的过程中，实际质量肯定会出现偏大或偏小的情况，是什么原因呢？学生此时的思维得以发散，可能从多角度考虑：药品问题、二氧化碳的性质、装置不足、操作错误、电子天平故障等方面。推测原因可能是盐酸浓度过大、挥发逸出，水蒸气随气体逸出导致质量偏大，则计算所得碳酸氢钠的质量随之偏大；二氧化碳残留或溶于水，导致质量偏小，则计算所得碳酸氢钠的质量随之偏小等等，基于这些推测，学生就会对实验的整个过程进行优化改良，不断地质疑、推测、改进、论证，学生的思维能力不断提升，深度学习不断深化。

总之，在真实有效的情境中开展定量研究，能驱动学生的学习动机，增强学生的学习欲望，促进学生深度学习的发生。这就要求教师需要精准理解化学学科定量研究的核心内容，从整体上设计和实施教学：明确的主题、驱动的问题、深度的活动、持续的评价等，带领学生开展真实的学习。学生的“深度学”离不开教师的“深度教”。