实验情境式教学在初中化学计算专题复习的应用

曹梅姣

摘要： 以“测定珍珠中碳酸钙的质量分数”为例，阐述如何基于真实实验情境解决初中化学有关方程式计算的难点问题，并提出初中化学计算专题的复习策略。通过创设生活性实验情境，引导学生感受计算的价值；创设生成性实验情境，启迪学生发展计算思维；创设生态性实验情境，帮助学生提高计算能力。实验情境式教学可以让学生在多元互动的课堂及真实的实践场中，体验知识的价值和自主生成的过程，从而提升学生的探究能力和科学思维。

关键词： 实验情境； 化学方程式计算； 专题复习； 科学思维

文章编号： 1005-6629（2023）09-0062-06   中图分类号： G633.8   文献标识码： B

1  教学内容及现状分析

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（简称“课标”）关于化学方程式计算的内容要求是学生能学习利用质量关系、比例关系定量认识化学反应，认识定量研究对化学科学发展的重大作用［1］；学业要求是学生能根据化学方程式进行简单计算，并解决生产生活中的实际问题［2］；学完课程后学生要能在真实情境中结合物质的转化进行简单计算［3］。由此看来，课标从教、学、评三个角度对“有关化学方程式的简单计算”内容作了具体要求。

从近几年广东省关于化学方程式的计算试题来看，题型主要是文字描述型、流程图型、表格型和坐标曲线型等几大类型，计算难度有所降低，但题型却更为丰富。如2021年考查与实验结合的计算，2022年考查与工艺流程结合的计算，更趋向于以真实情境来出题计算。情境认知理论认为“知识是情境化的，并通过实践活动不断向前发展”，因而参与实践促进了学习与理解［4］。情境需要建立在真实的内容和认知上，应能与学生的真实生活相连接，与学生的思维认知过程相匹配［5］。而实验作为一种重要的学科活动，在化学科学发展、解决与物质转化及应用相关实际问题中具有重要作用，对全面发展学生的核心素养有着极为重要的作用［6］。然而学生在根据化学方程式进行计算时常出现以下问题：（1）设未知不清，如求算稀盐酸中溶质质量分数时设“稀盐酸的质量为x”；（2）数据选用错误，如将恰好完全反应的100g稀盐酸当作是HCl的质量进行计算；（3）不能理解题中的定量实验情境，如完成表格型计算题时，无法选择合适的已知量；（4）体会不到化学定量研究的重要性。

结合课标、考试内容呈现方式和学生情况，有关化学方程式计算的复习课应抓住数据来源于真实情境、体现物质转化的化学计算核心思想、突显根据化学方程式的计算思路三个层级进行设计，见图1。第一层级：数据来源，是计算的基础。数据来源于真实情境，引导学生感受计算的价值。第二层级：数据分析，是计算的核心。数据分析渗透物质转化观念，启发学生发展计算思维。第三层级：数据代入，是计算的关键。数据代入求算目标，帮助学生提高计算能力。因此，本文尝试通过创设实验情境，在多元互动的课堂中，在真实的实践场中，让学生体验知识的价值和自主生成的过程，从而提升学生的探究能力和科学思维。

2  教学目标

（1） 通过测定珍珠中碳酸钙的质量分数，初步学会运用化学方程式的比例关系解决问题，形成定量意识。

（2） 通过自主实验获得二氧化碳质量并计算出珍珠中碳酸钙质量分数的过程，感受计算试题的数据来源，理解数据，发展基于实验事实进行分析推测的思维能力。

（3） 通过自主生成问题和教师演示实验，形成分析和处理实验数据的科学思维，建立表格型计算题解题思路。

3  教学流程

教学流程见图2。

4  教学过程

环节一：真实情境，提出问题

［教师］珍珠是大自然的馈赠。古代波斯人称它为“大海之子”，我国古代诗人李商隐写有“沧海月明珠有泪”的诗句。珍珠之所以贵重是因为其需要很长时间才能形成，市场上总有一些真假难辨，以次充好的珍珠。今天老师带来了一些珍珠，请同学们根据已有经验，鉴别哪些是真珍珠，哪些是假珍珠，说明判断依据。

［学生］可以根据重量、色泽、光泽等进行判断。

［播放视频］网络上区分真假珍珠的方法。

［教师］视频主要通过物理手段鉴别真假珍珠，作为化学人，我们如何通过化学实验鉴别真假珍珠？

［资料信息］真珍珠的主要成分和某种假珍珠的主要成分（只含塑料、树脂等，不含碳酸钙）。

［学生］加入稀盐酸，若有气泡产生則是真珍珠，否则是假珍珠。

［学生演示活动］请一位同学上台操作，完成鉴别实验。

［问题］珍珠贝的天然珍珠含碳酸钙91.72％，有机物5.94％，水2.23％。养殖珍珠的成分与天然珍珠相比，碳酸钙含量大，为94.70％［7］。我们可以通过什么方法知道老师带来的是天然珍珠还是养殖珍珠？

［学生］测定珍珠中碳酸钙的质量分数。

设计意图：真实的情境能够最大限度地促使学生调动学科知识和跨学科知识解决问题。以生活中的真实问题“如何区分真假珍珠”引入课题，激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性。学生通过自己观察判断真或假珍珠，并用实验进行验证，体现了化学科学的严谨性和学习化学的必要性，同时渗透了鉴别物质的一般思路。而后又以真实的生活问题“如何判断是天然珍珠还是养殖珍珠”引出测定珍珠粉中碳酸钙的质量分数，引导学生初步学会运用化学方程式的比例关系解决问题，有助于学生感受化学科学进行定量计算的意义和必要性，发展学生的定量意识。

环节二：设计方案，开展实验

［教师］要测定珍珠中碳酸钙的质量分数需要知道哪些物质的质量？

［学生］珍珠的质量和珍珠中碳酸钙的质量。

［教师］如何获得珍珠的质量？

［学生］直接称量。

［教师］如何获得珍珠中碳酸钙的质量？

［学生］转化为其他可测量的物质，然后再通过化学方程式计算得出。

［教师］非常好。我们可以通过碳酸钙与盐酸的反应的方程式中的任意一个量，获得珍珠中碳酸钙的质量。从可操作、可测量等角度分析，哪些量更方便快捷获取？

［学生］二氧化碳的质量。

［教师］下面请同学们根据老师提供的实验仪器（烧杯、玻璃棒、电子天平、细口瓶）和药品（珍珠粉2g、稀盐酸），分小组讨论获得二氧化碳质量的实验方案。

［学生讨论并回答］先称量反应前物质的总质量即珍珠粉和稀盐酸的质量，然后再称量反应后剩余物质的总质量，它们的差量就是二氧化碳的质量。

［教师］请同学们根据实验方案动手操作获得二氧化碳的质量，并将数据代入化学方程式中计算珍珠粉中碳酸钙的质量分数。

［学生］动手实验并完成学案。

［教师］拍照上传学生学案并分析计算过程（略）。

［教师］呈现以碳酸钙与盐酸为核心反应的流程图计算题。

小华为测定鸡蛋壳中碳酸钙的含量，进行了实验（鸡蛋壳中的其他成分与稀盐酸接触但不产生气体），实验数据如图所示，请回答下列问题。

（1） 根据质量守恒定律可知，完全反应后生成气体的质量为        ；

（2） 计算鸡蛋壳中碳酸钙的质量分数。

［总结］通过上述实验探究同学们对计算题数据的来源有了初步的认识，能感受到中考计算题确有其存在的必要性和价值。刚才的实验探究和我们见过的流程图试题是一样的，同学们可以看看课件的试题与刚才的实验探究题是否一样？

设计意图：从设计实验方案、动手操作获得实验数据到利用数据求算质量分数的整个过程，学生感受到了计算试题中的数据来源，以及如何理解数据、用好数据，在实验探究中提升化学科学思维。通过展示与评讲学生的学案，指出方程式计算中的常见错误，强化方程式计算的思维路径，养成良好的计算习惯，遵循规范的计算格式。从纸笔试题到实验，又从实验回归纸笔试题，有助于降低学生的认知负荷，有助于学生解读和理解纸笔计算题，提升解决计算题的能力。

环节三：动态生成，优化实验

［教师］在进行定量实验过程中，我们总是希望找到一个点，既能节约成本，又能获得我们想要的数据。在刚才的实验探究中，老师看到有的小组将稀盐酸一次性全部倒入珍珠粉中，有的小组则是分批加入稀盐酸。请同学们思考哪一种做法比较好呢？

［学生］分批加入好。一次性加入很难判断是珍珠粉反应完还是盐酸量不够，而分批加入可以判断，当加入盐酸不再产生气泡时表示珍珠粉中的碳酸钙已全部反应完。

［教师］是的，分批加入可以帮助我们初步判断反应进行到哪个程度。如果我们把每次分批加入的量记录下来，那就是一道我们很熟悉的表格型计算题了。所以表格型计算题不是为存在而存在，而是现实生产生活和科学实践中产生的。下面请同学们观看教师演示实验，观察每次加入稀盐酸后是否有气泡产生，记录每次加入稀盐酸充分反应后剩余物质的质量。

［学生］观看演示实验并记录数据。

［教师］请初步计算每次加入稀盐酸后生成CO2的质量。

［教师］小组讨论分析数据。第一次加入稀盐酸后，样品        （“有”或“没有”，下同）完全反应，稀盐酸        完全反应，判断依据是        。第二次加入稀盐酸后，样品        完全反应，稀盐酸        完全反应，判断依据是        。第        次稀盐酸完全反应完，第        次样品完全反应完？

［学生］小组派代表上台讲解数据分析的结果。

［總结］在表格数据分析中最关键的是找到数据之间的规律，当规律改变时表示某种物质反应完了。表格的数据规律是每加入10g稀盐酸生成二氧化碳的质量为0.25g（忽略实验误差）。第4、 5次规律不再保持说明珍珠粉中的碳酸钙反应完了。第1至第3次规律还在保持说明碳酸钙未反应完，而盐酸则反应完了。

［教师］根据分析，要算出珍珠粉中碳酸钙的质量分数，应选用第        次数据？要算出稀盐酸中溶质质量分数应选用第        次数据？

［学生活动］①求算珍珠粉中碳酸钙的质量分数。②求算稀盐酸的溶质质量分数。③画出产生二氧化碳的质量随着加入稀盐酸质量的变化曲线图，并标出必要的数据。

［教师］呈现以碳酸钙与盐酸为核心反应的表格型和图像型计算题。

某化学小组为了测定当地石灰石（主要成分是CaCO3）的质量分数，做了如下实验：取12g石灰石样品放入烧杯中，向其中分5次加入100g一定质量分数的稀盐酸（假设样品中杂质不溶于水也不与酸反应）［8］，测得加入稀盐酸的质量与剩余固体质量的数据如下表所示：

请计算：

（1） 石灰石样品中CaCO3的质量分数。

（2） 求所用盐酸的溶质质量分数。

［总结］计算题中的表格型和图像型是一一对应和匹配的。同一道试题既可以用表格来呈现数据也可以用图像来呈现数据，关键是要找到数据之间的规律，进而确定反应的程度。

设计意图：由学生分组实验生成问题“分批加入稀盐酸还是一次性加入稀盐酸”引入表格数据进行分析，再通过教师演示分批加入稀盐酸的实验，引导学生学会利用实验现象判断反应物的消耗情况。通过实验数据分析与处理，寻找数据之间的变化规律，进一步明确计算目标所需的已知量的来龙去脉，帮助学生理解表格型计算题中的数据，扫清学生对表格中某些数据的认知障碍，发展学生分析和处理实验数据的思维。通过表格型计算题引导学生感受化学计算的价值和存在的意义，体现了定量研究对化学科学发展的重大作用［9］。

［教师］今天我们以实验探究为载体初步了解化学计算题的数据来源，体会到化学计算的价值和意义。通过确定核心反应、寻找已知量、求解未知量，达到解决计算题的目的。在整个过程中最难和最关键的是寻找已知量，通过实验探究我们知道了三种寻找已知量的方法，希望同学们在今后的计算题中能够运用今天所学的解题模型解决生活中的真实问题。

5  教学反思

初中化学有关化学方程式计算的难点在于数据的来源、分析和处理。学生只有亲身经历数据的产生与变化过程，才能感受根据化学方程式进行计算的价值。课标提出，教师要积极引导学生亲身经历解决问题的过程，增强学生认识真实世界、解决真实问题的能力；真实、生动、直观且富有启迪性的学习情境，能够激发学生的化学兴趣，引发学生思考，帮助学生建构大概念和核心概念，促进学生核心素养的发展［10］。通过本节课的教学实践，在化学计算教学中可采取以下策略，帮助学生理解计算试题，提高数据分析能力，发展定量思维。

5.1  创设生活性实验情境，感受计算价值

教育发端于行动，来源于生活，教育要与生活相结合，并在实践中创造［11］。要真正理解教育的内涵和本质，需要将生活问题教育化，将教育问题生活化，两者切换自如才能理解事物的本质。化学定量计算一直是教学难点，面对冰冷的计算数据学生难以激发学习兴趣。赋予数据以温度和意义，让学生感受到计算的价值是突破计算难点的基础。环节一中，由真实的生活问题“如何区分真假珍珠”和“如何判断是天然珍珠还是养殖珍珠”引出珍珠中是否含有碳酸钙和珍珠粉中碳酸钙的含量是多少的计算问题，诊断学生是否具有研究物质的定量认识，发展学生学会运用有关化学方程式的计算解决生活中实际问题的意识。在整个教学环节中，始终围绕珍珠或珍珠粉开展实验探究，解决实际问题，有助于学生感受化学计算的价值，体会定量研究化学反应对化学科学进步和社会发展的重要价值，全面培养学生的核心素养。

5.2  创设生成性实验情境，发展计算思维

新问题和新情况是课堂教学的宝贵资源，是学生开展挑战性学习、实现深度学习的起点，是激發学生思维的导火索，引入下一个环节的最好教育契机。环节二中，学生在教师的引导下自主生成测定珍珠中碳酸钙质量的方法，进一步理解化学方程式中“量”的含义，并在自主生成的方案中选择合适的仪器和药品开展实验，记录数据，求算结果。环节三中，由学生分组实验生成的问题“分批加入稀盐酸还是一次性加入稀盐酸”引发学生思考“从试剂用量、成本等角度分析分批加入稀盐酸与一次性加入稀盐酸哪个更好”，由此引导学生从计算题价值角度感受表格型计算题存在的必要性，学生思维水平从简单应用向批判质疑发展。从学生的生成性问题进入教师演示分批加入稀盐酸的实验，学生再一次真实感受到计算题数据的来源，其思维水平从简单应用向综合解决问题的方向发展。在教师与学生、学生与学生的合作、对话、碰撞的课堂中，生成的超出教师预设方案之外的新问题、新情况即为动态生成［12］。因而生成性实验的创设看似预设之外，但又在情理之中，它是学生高阶思维和综合能力得到进一步发展的体现［13］。

5.3  创设生态性实验情境，提高计算能力

生态是指真实自然的、没有套路和作秀的、注重学生亲身经历和探究获取知识的一种状态［14］。创设生态性实验情境是指将计算试题转化为真实的实验过程，并让学生置身于实验场所，通过自己亲自动手实验获得计算数据，使得计算数据更有温度和有意义。环节二的一系列学生活动如设计实验方案和动手操作获得实验数据，环节三的教师演示分批加入稀盐酸实验，都将计算试题数据以原汁原味的方式呈现出来。该方式促使师生之间、生生之间共同协作，同时营造出了一种自由开放、有趣的理想空间［15］。生态性实验情境的创设有助于学生理解试题，降低试题难度，有利于学生从比例关系角度分析和处理实验数据，精准使用数据解答问题。清晰的数据来源有利于降低数据分析难度，瞄准求算目标，提高计算准确度。

在课堂中，学生不能快速将实验方案与计算流程图题相关联，说明学生在进行计算时只是单纯机械地进行数学计算，没有从化学角度去思考为何要计算，数据如何得来等问题。课标提出要通过化学实验激发学生学习化学的兴趣，创设生动活泼的学习情境，帮助学生理解和掌握化学知识和技能，引导学生学习科学方法，发展学生的科学思维［16］。本文通过创设实验情境引导学生获取真实的计算数据，突破了以往直接给予学生计算试题数据的现象，从源头上让学生认识到计算的价值和必要性。在实验过程中学生不断地生成知识，激发思维，有助于提升核心素养水平，实现深度学习。

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