化学计算的学科本质及其教学，本文主要内容关键词为：学科论文,本质论文,化学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在化学学科发展的历史进程中，人类对物质的认识从定性深入到定量，是化学发展过程中的里程碑。正是通过对物质的定量认识和对化学变化的定量分析，人类的化学思维水平上升到一个新的高度，化学学科发展有了新的突破。运用数学手段定量地研究化学物质的组成及其变化，不仅是化学学科向纵深发展的结果，也是现代化学领域不可缺少的重要手段，更为化学科学成果向技术转化提供依据。中学生学习化学计算，则是从量的角度丰富和完善对物质的组成、性质和变化规律的认识。化学计算历来在中学化学教学中占有重要的地位，但由于长期以来对化学计算的定位使得化学计算教学过于程式化，而学生也过分依赖于机械训练、反复练习，对于化学计算的本质及意义都缺乏较为深入的理解。
一、传统教学中化学计算的定位及教学
从知识分类的角度，按照传统双基观，化学计算属于基本技能。《心理学大词典》对技能的定义是：“个体运用已有的知识经验，通过练习而形成的智力动作方式和肢体动作方式的复杂系统。”《教育大辞典》对技能的定义是：“主体在已有知识经验的基础上，经练习形成的执行某种任务的活动方式。”在这些定义中，技能都被看作是通过练习之后掌握的活动方式。反映在教学实际中，往往强调的是对技能性知识的模仿和反复操练。受这种观点的影响，在化学计算教学中教师往往会按照一定的操作程序进行教学，如依据化学方程式计算的教学程序是“设、写、找、比、算、答”，然后让学生模仿，反复练习。结果学生所形成的只是对计算技能的一种暂时性熟练，而非对从定量角度研究物质变化的深层理解。
二、化学计算的学科本质
门捷列夫曾多次指出，自然现象的质和量是各种事物最重要的特征，两者具有规律性的联系，认识这种联系，对于化学家具有特殊的重要性，把握质和量的统一，就能找到一条线索，使化学家们从片断资料的迷宫中走出来。化学是在分子、原子水平上，以研究物质的组成、结构和性质为基础，着重研究物质化学反应的规律的科学。物质的化学反应是从反应物转化为生成物的质变，同时也伴随着能量的转化。但是仅仅知道转化是不够的，在生产实践或实验室中我们要获得目标产物，或者要利用化学变化产生的能量，都必须要从量的角度去研究化学反应。
因此，化学计算的学科本质是对化学问题的数学处理过程，即对物质的组成、结构、性质和变化规律的量化过程。中学化学计算的基础是物质微观粒子在化学变化中的“质”与“量”的关系，这是化学学科中的数学计算与其他学科的本质区别之处。化学中的计算离不开有关的化学概念和原理的运用，这不仅是因为这些概念和原理规定着化学计算的意义，而且还是因为许多计算方法就包含在这些概念或原理之中。化学课程标准要求“根据化学方程式进行简单的计算”，实质上也就意味着化学计算的重点并不在数学运算方法上，而是对概念、原理以及量的关系的理解上。只有理解了建立在化学基本概念、化学基本原理基础上的各种化学符号语言所表示的质和量的关系，才能依据条件选择适当关系进行计算。
传统化学课程将“化学计算”作为一项基本技能，但从量的角度解决化学问题并非单纯的数学运算，也并非简单的方法、技巧等技能的操练，而是以基本概念、基本理论、元素化合物知识为基础，以化学式、化学方程式及溶液组成等蕴含的量的关系为依据，进行分析、判断、推理、运算的过程。因此，从这一认识出发，化学计算并非是“按照一套既定规则和操作程序去完成特定任务”的技能，而是“有意识、有意义、有目的、有方法的认知和操作的共同体”，即是一种能力，是依据化学基础知识，运用数学方法解决物质组成、结构、变化中“量”的问题的能力。化学计算能力是学生化学学科能力的重要组成部分。
三、化学计算的教学策略
长期以来，由于没有明确化学计算的本质，对学生化学计算能力的形成及其发展规律缺乏研究，导致不少教师在中学化学计算教学中往往把大量时间和精力投入到计算类规则、技巧的教学中，让学生反复感知，甚至编出许多抽象、繁杂、脱离生产生活实际的“假题”让学生反复练习。学生不理解“为何要计算”以及“如何来计算”，不少学生依赖套公式解题或试误性解题，并没有真正地习得化学计算能力。基于对化学计算本质的理解，在化学计算教学中教师应注意应用以下教学策略：
（一）创设真实的应用情境
在义务教育和高中化学课程标准中，都明确提出“体会定量研究的方法对研究和学习化学的重要作用”，这就意味着我们不是为教计算而教计算，不应该用一些没有价值或实际意义的计算题来代替对化学计量关系的了解。而应将计算问题置于真实的情境中，让学生在解决生产、生活以及实验室中有关“量的问题”的过程中，真正体验到定量研究方法在化学科学研究和工农业生产中的重要作用，理解化学计算的应用价值。
案例1某钙片的标签如右图所示，已知此钙片成分中只有碳酸钙含有钙元素。
（1）请通过计算说明此标签中的含钙量是否错误。
（2）为测定其真实的含钙量，小东每次取10片钙片放入已称量的含足量盐酸的烧杯中，发生的化学反应是：
充分反应后再称取烧杯和剩余物的总质量。小东做了三次实验，数据如下：
（1）请列式计算此钙片每片含碳酸钙的质量。
（2）请列式计算此钙片每片的含钙量，并建议厂家如何修改标签。
此案例从学生身边的生活出发，利用某钙片的标签为情境，引导学生从化学的视角去观察生活世界，并运用所学化学知识和原理去解决发生在身边的化学问题，融入对社会问题（如虚假广告宣传）的讨论中。在这样的真实应用情境中学习和运用化学计算，学生切实体验到化学就在我们的身边，认知内驱力会油然而生。在化学实验、化学科学研究和生产生活中存在着大量需要从量的角度去解决的化学问题，教师应该善于将化学计算置于这些情境中。在去情境化的教学中，由于不知道知识是为了解决什么问题，以及是如何来的，给学生深刻理解学习内容带来了障碍。而在情境化的脉络中，当学生认识到知识的效用以及利用知识去理解、分析和解决真实世界中问题时，有意义的学习及建构就自然而然地发生了。
（二）凸显化学学科思维
化学计算是以数学运算为工具的化学基本概念和基础知识的应用过程，理解化学概念的含义及化学原理、化学符号中所蕴含的量的关系是解决定量化学问题的关键。Nakhleh和Silberma（1993）的研究表明如果学生想要恰当地处理定量化学问题，那么他们必须理解摩尔的含义[1]。Koch（1995）指出学生在学习化学的第一年，在找到抽象化学符号和描述化学过程之间的联系、分子式所提供的定量信息（比如计量关系）方面会遇到困难。学生首先必须熟练掌握知识和方法，学会将化学符号转换成有意义的信息，才能解决定量化学问题[2]。学生解决化学计算问题除了需具有一般解题的思维外，还需具备与学科特点相适应的思维特征，主要表现为：以化学基本知识为基础的信息识别和表征模式，微观与宏观相结合的思维方式，以一套独特的符号系统为思维媒介以及跨学科的数据处理图像识别知识等。
从近些年中考、高考的化学计算题来看，对数学计算的要求已经淡化。所以在教学中一定要回避繁杂的计算（学生畏惧化学计算的主要原因之一），注重基础知识、基本原理和方法的理解，尽可能避免偏题、难题、怪题，少讲计算技巧，多讲化学原理，让化学计算回归化学学科本身。
如高中化学阶段主要是以“物质的量”为核心，以化学方程式中所蕴含的反应物微粒间的量的关系为依据的计算，但由于学生对物质的量及其衍生概念——摩尔质量、气体摩尔体积及物质的量浓度等概念以及概念间的关系缺乏理解，在解答此类计算问题时无法进行知识点间的意义联系，也就无法进行有关问题的内在关系和规则的表征，从而造成了许多学生整个高中阶段化学计算学习的困难。因此，在教学中教师宜采用多样化的概念教学形式，如运用直观手段帮助学生形成概念，对概念进行解剖辨析促进学生理解概念，建立概念图帮助学生建立概念联系等。通过强化概念原理的教学，使学生从本质上认识化学计算问题，尽可能减少学生在计算类问题解决中因概念理解应用不当而影响问题表征。
（三）精心设计样例学习
在化学计算教学中所采取的一般模式为，先由教师讲解例题，示范解题步骤和过程，再由学生模仿练习。在这种教学模式下，学生主要通过大量的练习强化以达到对某类问题解答的条件反射，遇到问题时“依葫芦画瓢”，并未真正领悟规则和方法，所以当条件改变时，学生往往无所适从。已有研究表明，练习本身并不能促进问题技能的熟练和解题能力的提高，而结合样例进行的练习则能明显地促进技能的熟练和解题能力的迁移[3]。
样例又称为例子或范例，是一种能够例说或表征较为抽象的概念原理的相对具体的实体，是一种能够展示同一类事物性质的样本，或值得模仿的榜样。样例学习是指学生从具有详细解答步骤的事例中归纳出隐含的规则和原理并用以指导随后的问题解决。Sweller（1987）等人研究表明，在传统的练习条件下，学习者倾向于使用典型的新手策略，如试误法、目的手段分析策略，而在解决问题之前呈现样例的条件下，学习者则使用较为有效的问题解决策略，表现为集中注意问题的深层结构[4]。常见的样例呈现方式有以下两种[5]：
（1）子目标学习模型。即在样例学习中不仅要给学生呈现解题步骤，还要在解题步骤的子目标处加上标签，引导学生建立子目标，这样利于学生将解题步骤组块，并对组块的原因进行自我解释。如，以“根据氯化钠晶体结构确定钠原子和氯原子个数比”为例，在呈现解答部分加入了子目标如下：
第一步：将晶胞（如图1）中所含原子按照位置分类；
问题①：直接从晶胞中数出各原子个数是否正确？
问题②：晶胞中原子是否完全属于该晶胞？
问题③：原子个数比与哪些因素有关？
第二步：分别对不同类别的原子个数进行计算；
问题④：晶胞中原子按照位置可分为几类？
第三步：得出结论。
问题⑤：根据计算规则得出结论。
（2）探究型样例。即在样例中并未给学生呈现明确的解题步骤，而是由探究性的问题组成，包含了选择题和开放题，这些问题以问题解决进程为主线，并将学生可能犯的错误预设其中。同样以“根据氯化钠晶体结构确定钠原子和氯原子个数比”为例，解答部分加入了开放性的问题，如：
①同学甲认为：由氯化钠晶胞图中可直接数出，该晶胞中有13个
，14个
，因此个数比为13︰14，你认为这种说法是否正确？为什么？
②图1中，A表示顶点上的，同学甲认为A完全属于该晶胞，但乙却认为A其实被8个周围的晶胞所共用，只是图中没有画出而已，你认为哪位同学的说法正确？为什么？
③你认为个数比与下列哪些因素有关？为什么？
A.离子的大小
B.离子在晶胞中的位置
C.离子的种类
④如果让你将晶胞中的离子按照位置分类，你将分为哪几类？
问题1预设了学生可能存在的错误，即直接数出晶胞中的原子个数。问题2对学生的这个错误进行提示，引导学生理解晶胞中原子共用的概念，改正原有的错误。同时，开放性问题能够对学生的思路进行追踪。可见，在该类型样例的解答部分，学生经历了问题探究的过程和与错误思路的碰撞，从而正确理解样例中问题的解答方法，将新知识建构于原有的认知系统中。
整体而言，样例学习的模式如图2所示。学生的样例学习过程包含两个阶段：第一，学生在研究样例的过程中提取样例规则。第二，学生在利用规则完成练习、解决问题的过程中，不断反思，使规则更加完善，并内化于自己的认知体系中。
在样例学习中，解题的方法和规则由学习者自己研究样例、解决问题而习得。教师讲解的作用只在于提供必需的知识储备，为学生化学样例学习搭建脚手架。学习过程中，学生先通过已有知识仔细研究样例，总结出样例中隐含的方法规则，随后有目的性和针对性地完成所附练习。当解题过程遇到困难时，学习者可以随时参照样例或者求助于教师。因此，样例学习是一种自我建构式的学习方式，学生通过自我主动的学习建构起对知识的理解和体会，计算规则在学生心中自然生成，而非通过大量强化练习而得到。这样获得的知识更为牢固，也更有利于迁移。当然，样例学习对教师提出了更大的挑战，因为需要教师精心设计样例及其呈现方式，在样例中有效整合陈述性知识、程序性知识以及策略性知识，还要考虑是否符合学生的认知水平以及阅读习惯等。