實驗情境式教學在初中化學計算專題復習的應用

曹梅姣

摘要： 以“測定珍珠中碳酸鈣的質量分數”為例，闡述如何基于真實實驗情境解決初中化學有關方程式計算的難點問題，并提出初中化學計算專題的復習策略。通過創設生活性實驗情境，引導學生感受計算的價值；創設生成性實驗情境，啟迪學生發展計算思維；創設生態性實驗情境，幫助學生提高計算能力。實驗情境式教學可以讓學生在多元互動的課堂及真實的實踐場中，體驗知識的價值和自主生成的過程，從而提升學生的探究能力和科學思維。

關鍵詞： 實驗情境； 化學方程式計算； 專題復習； 科學思維

文章編號： 1005-6629（2023）09-0062-06???中圖分類號： G633.8???文獻標識碼： B

1? 教學內容及現狀分析

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（簡稱“課標”）關于化學方程式計算的內容要求是學生能學習利用質量關系、比例關系定量認識化學反應，認識定量研究對化學科學發展的重大作用［1］；學業要求是學生能根據化學方程式進行簡單計算，并解決生產生活中的實際問題［2］；學完課程后學生要能在真實情境中結合物質的轉化進行簡單計算［3］。由此看來，課標從教、學、評三個角度對“有關化學方程式的簡單計算”內容作了具體要求。

從近幾年廣東省關于化學方程式的計算試題來看，題型主要是文字描述型、流程圖型、表格型和坐標曲線型等幾大類型，計算難度有所降低，但題型卻更為豐富。如2021年考查與實驗結合的計算，2022年考查與工藝流程結合的計算，更趨向于以真實情境來出題計算。情境認知理論認為“知識是情境化的，并通過實踐活動不斷向前發展”，因而參與實踐促進了學習與理解［4］。情境需要建立在真實的內容和認知上，應能與學生的真實生活相連接，與學生的思維認知過程相匹配［5］。而實驗作為一種重要的學科活動，在化學科學發展、解決與物質轉化及應用相關實際問題中具有重要作用，對全面發展學生的核心素養有著極為重要的作用［6］。然而學生在根據化學方程式進行計算時常出現以下問題：（1）設未知不清，如求算稀鹽酸中溶質質量分數時設“稀鹽酸的質量為x”；（2）數據選用錯誤，如將恰好完全反應的100g稀鹽酸當作是HCl的質量進行計算；（3）不能理解題中的定量實驗情境，如完成表格型計算題時，無法選擇合適的已知量；（4）體會不到化學定量研究的重要性。

結合課標、考試內容呈現方式和學生情況，有關化學方程式計算的復習課應抓住數據來源于真實情境、體現物質轉化的化學計算核心思想、突顯根據化學方程式的計算思路三個層級進行設計，見圖1。第一層級：數據來源，是計算的基礎。數據來源于真實情境，引導學生感受計算的價值。第二層級：數據分析，是計算的核心。數據分析滲透物質轉化觀念，啟發學生發展計算思維。第三層級：數據代入，是計算的關鍵。數據代入求算目標，幫助學生提高計算能力。因此，本文嘗試通過創設實驗情境，在多元互動的課堂中，在真實的實踐場中，讓學生體驗知識的價值和自主生成的過程，從而提升學生的探究能力和科學思維。

2? 教學目標

（1） 通過測定珍珠中碳酸鈣的質量分數，初步學會運用化學方程式的比例關系解決問題，形成定量意識。

（2） 通過自主實驗獲得二氧化碳質量并計算出珍珠中碳酸鈣質量分數的過程，感受計算試題的數據來源，理解數據，發展基于實驗事實進行分析推測的思維能力。

（3） 通過自主生成問題和教師演示實驗，形成分析和處理實驗數據的科學思維，建立表格型計算題解題思路。

3? 教學流程

教學流程見圖2。

4? 教學過程

環節一：真實情境，提出問題

［教師］珍珠是大自然的饋贈。古代波斯人稱它為“大海之子”，我國古代詩人李商隱寫有“滄海月明珠有淚”的詩句。珍珠之所以貴重是因為其需要很長時間才能形成，市場上總有一些真假難辨，以次充好的珍珠。今天老師帶來了一些珍珠，請同學們根據已有經驗，鑒別哪些是真珍珠，哪些是假珍珠，說明判斷依據。

［學生］可以根據重量、色澤、光澤等進行判斷。

［播放視頻］網絡上區分真假珍珠的方法。

［教師］視頻主要通過物理手段鑒別真假珍珠，作為化學人，我們如何通過化學實驗鑒別真假珍珠？

［資料信息］真珍珠的主要成分和某種假珍珠的主要成分（只含塑料、樹脂等，不含碳酸鈣）。

［學生］加入稀鹽酸，若有氣泡產生則是真珍珠，否則是假珍珠。

［學生演示活動］請一位同學上臺操作，完成鑒別實驗。

［問題］珍珠貝的天然珍珠含碳酸鈣91.72％，有機物5.94％，水2.23％。養殖珍珠的成分與天然珍珠相比，碳酸鈣含量大，為94.70％［7］。我們可以通過什么方法知道老師帶來的是天然珍珠還是養殖珍珠？

［學生］測定珍珠中碳酸鈣的質量分數。

設計意圖：真實的情境能夠最大限度地促使學生調動學科知識和跨學科知識解決問題。以生活中的真實問題“如何區分真假珍珠”引入課題，激發學生的學習興趣，調動學生的積極性。學生通過自己觀察判斷真或假珍珠，并用實驗進行驗證，體現了化學科學的嚴謹性和學習化學的必要性，同時滲透了鑒別物質的一般思路。而后又以真實的生活問題“如何判斷是天然珍珠還是養殖珍珠”引出測定珍珠粉中碳酸鈣的質量分數，引導學生初步學會運用化學方程式的比例關系解決問題，有助于學生感受化學科學進行定量計算的意義和必要性，發展學生的定量意識。

環節二：設計方案，開展實驗

［教師］要測定珍珠中碳酸鈣的質量分數需要知道哪些物質的質量？

［學生］珍珠的質量和珍珠中碳酸鈣的質量。

［教師］如何獲得珍珠的質量？

［學生］直接稱量。

［教師］如何獲得珍珠中碳酸鈣的質量？

［學生］轉化為其他可測量的物質，然后再通過化學方程式計算得出。

［教師］非常好。我們可以通過碳酸鈣與鹽酸的反應的方程式中的任意一個量，獲得珍珠中碳酸鈣的質量。從可操作、可測量等角度分析，哪些量更方便快捷獲??？

［學生］二氧化碳的質量。

［教師］下面請同學們根據老師提供的實驗儀器（燒杯、玻璃棒、電子天平、細口瓶）和藥品（珍珠粉2g、稀鹽酸），分小組討論獲得二氧化碳質量的實驗方案。

［學生討論并回答］先稱量反應前物質的總質量即珍珠粉和稀鹽酸的質量，然后再稱量反應后剩余物質的總質量，它們的差量就是二氧化碳的質量。

［教師］請同學們根據實驗方案動手操作獲得二氧化碳的質量，并將數據代入化學方程式中計算珍珠粉中碳酸鈣的質量分數。

［學生］動手實驗并完成學案。

［教師］拍照上傳學生學案并分析計算過程（略）。

［教師］呈現以碳酸鈣與鹽酸為核心反應的流程圖計算題。

小華為測定雞蛋殼中碳酸鈣的含量，進行了實驗（雞蛋殼中的其他成分與稀鹽酸接觸但不產生氣體），實驗數據如圖所示，請回答下列問題。

（1） 根據質量守恒定律可知，完全反應后生成氣體的質量為??????? ；

（2） 計算雞蛋殼中碳酸鈣的質量分數。

［總結］通過上述實驗探究同學們對計算題數據的來源有了初步的認識，能感受到中考計算題確有其存在的必要性和價值。剛才的實驗探究和我們見過的流程圖試題是一樣的，同學們可以看看課件的試題與剛才的實驗探究題是否一樣？

設計意圖：從設計實驗方案、動手操作獲得實驗數據到利用數據求算質量分數的整個過程，學生感受到了計算試題中的數據來源，以及如何理解數據、用好數據，在實驗探究中提升化學科學思維。通過展示與評講學生的學案，指出方程式計算中的常見錯誤，強化方程式計算的思維路徑，養成良好的計算習慣，遵循規范的計算格式。從紙筆試題到實驗，又從實驗回歸紙筆試題，有助于降低學生的認知負荷，有助于學生解讀和理解紙筆計算題，提升解決計算題的能力。

環節三：動態生成，優化實驗

［教師］在進行定量實驗過程中，我們總是希望找到一個點，既能節約成本，又能獲得我們想要的數據。在剛才的實驗探究中，老師看到有的小組將稀鹽酸一次性全部倒入珍珠粉中，有的小組則是分批加入稀鹽酸。請同學們思考哪一種做法比較好呢？

［學生］分批加入好。一次性加入很難判斷是珍珠粉反應完還是鹽酸量不夠，而分批加入可以判斷，當加入鹽酸不再產生氣泡時表示珍珠粉中的碳酸鈣已全部反應完。

［教師］是的，分批加入可以幫助我們初步判斷反應進行到哪個程度。如果我們把每次分批加入的量記錄下來，那就是一道我們很熟悉的表格型計算題了。所以表格型計算題不是為存在而存在，而是現實生產生活和科學實踐中產生的。下面請同學們觀看教師演示實驗，觀察每次加入稀鹽酸后是否有氣泡產生，記錄每次加入稀鹽酸充分反應后剩余物質的質量。

［學生］觀看演示實驗并記錄數據。

［教師］請初步計算每次加入稀鹽酸后生成CO2的質量。

［教師］小組討論分析數據。第一次加入稀鹽酸后，樣品??????? （“有”或“沒有”，下同）完全反應，稀鹽酸??????? 完全反應，判斷依據是??????? 。第二次加入稀鹽酸后，樣品??????? 完全反應，稀鹽酸??????? 完全反應，判斷依據是??????? 。第??????? 次稀鹽酸完全反應完，第??????? 次樣品完全反應完？

［學生］小組派代表上臺講解數據分析的結果。

［總結］在表格數據分析中最關鍵的是找到數據之間的規律，當規律改變時表示某種物質反應完了。表格的數據規律是每加入10g稀鹽酸生成二氧化碳的質量為0.25g（忽略實驗誤差）。第4、 5次規律不再保持說明珍珠粉中的碳酸鈣反應完了。第1至第3次規律還在保持說明碳酸鈣未反應完，而鹽酸則反應完了。

［教師］根據分析，要算出珍珠粉中碳酸鈣的質量分數，應選用第??????? 次數據？要算出稀鹽酸中溶質質量分數應選用第??????? 次數據？

［學生活動］①求算珍珠粉中碳酸鈣的質量分數。②求算稀鹽酸的溶質質量分數。③畫出產生二氧化碳的質量隨著加入稀鹽酸質量的變化曲線圖，并標出必要的數據。

［教師］呈現以碳酸鈣與鹽酸為核心反應的表格型和圖像型計算題。

某化學小組為了測定當地石灰石（主要成分是CaCO3）的質量分數，做了如下實驗：取12g石灰石樣品放入燒杯中，向其中分5次加入100g一定質量分數的稀鹽酸（假設樣品中雜質不溶于水也不與酸反應）［8］，測得加入稀鹽酸的質量與剩余固體質量的數據如下表所示：

請計算：

（1） 石灰石樣品中CaCO3的質量分數。

（2） 求所用鹽酸的溶質質量分數。

［總結］計算題中的表格型和圖像型是一一對應和匹配的。同一道試題既可以用表格來呈現數據也可以用圖像來呈現數據，關鍵是要找到數據之間的規律，進而確定反應的程度。

設計意圖：由學生分組實驗生成問題“分批加入稀鹽酸還是一次性加入稀鹽酸”引入表格數據進行分析，再通過教師演示分批加入稀鹽酸的實驗，引導學生學會利用實驗現象判斷反應物的消耗情況。通過實驗數據分析與處理，尋找數據之間的變化規律，進一步明確計算目標所需的已知量的來龍去脈，幫助學生理解表格型計算題中的數據，掃清學生對表格中某些數據的認知障礙，發展學生分析和處理實驗數據的思維。通過表格型計算題引導學生感受化學計算的價值和存在的意義，體現了定量研究對化學科學發展的重大作用［9］。

［教師］今天我們以實驗探究為載體初步了解化學計算題的數據來源，體會到化學計算的價值和意義。通過確定核心反應、尋找已知量、求解未知量，達到解決計算題的目的。在整個過程中最難和最關鍵的是尋找已知量，通過實驗探究我們知道了三種尋找已知量的方法，希望同學們在今后的計算題中能夠運用今天所學的解題模型解決生活中的真實問題。

5? 教學反思

初中化學有關化學方程式計算的難點在于數據的來源、分析和處理。學生只有親身經歷數據的產生與變化過程，才能感受根據化學方程式進行計算的價值。課標提出，教師要積極引導學生親身經歷解決問題的過程，增強學生認識真實世界、解決真實問題的能力；真實、生動、直觀且富有啟迪性的學習情境，能夠激發學生的化學興趣，引發學生思考，幫助學生建構大概念和核心概念，促進學生核心素養的發展［10］。通過本節課的教學實踐，在化學計算教學中可采取以下策略，幫助學生理解計算試題，提高數據分析能力，發展定量思維。

5.1? 創設生活性實驗情境，感受計算價值

教育發端于行動，來源于生活，教育要與生活相結合，并在實踐中創造［11］。要真正理解教育的內涵和本質，需要將生活問題教育化，將教育問題生活化，兩者切換自如才能理解事物的本質?；瘜W定量計算一直是教學難點，面對冰冷的計算數據學生難以激發學習興趣。賦予數據以溫度和意義，讓學生感受到計算的價值是突破計算難點的基礎。環節一中，由真實的生活問題“如何區分真假珍珠”和“如何判斷是天然珍珠還是養殖珍珠”引出珍珠中是否含有碳酸鈣和珍珠粉中碳酸鈣的含量是多少的計算問題，診斷學生是否具有研究物質的定量認識，發展學生學會運用有關化學方程式的計算解決生活中實際問題的意識。在整個教學環節中，始終圍繞珍珠或珍珠粉開展實驗探究，解決實際問題，有助于學生感受化學計算的價值，體會定量研究化學反應對化學科學進步和社會發展的重要價值，全面培養學生的核心素養。

5.2? 創設生成性實驗情境，發展計算思維

新問題和新情況是課堂教學的寶貴資源，是學生開展挑戰性學習、實現深度學習的起點，是激發學生思維的導火索，引入下一個環節的最好教育契機。環節二中，學生在教師的引導下自主生成測定珍珠中碳酸鈣質量的方法，進一步理解化學方程式中“量”的含義，并在自主生成的方案中選擇合適的儀器和藥品開展實驗，記錄數據，求算結果。環節三中，由學生分組實驗生成的問題“分批加入稀鹽酸還是一次性加入稀鹽酸”引發學生思考“從試劑用量、成本等角度分析分批加入稀鹽酸與一次性加入稀鹽酸哪個更好”，由此引導學生從計算題價值角度感受表格型計算題存在的必要性，學生思維水平從簡單應用向批判質疑發展。從學生的生成性問題進入教師演示分批加入稀鹽酸的實驗，學生再一次真實感受到計算題數據的來源，其思維水平從簡單應用向綜合解決問題的方向發展。在教師與學生、學生與學生的合作、對話、碰撞的課堂中，生成的超出教師預設方案之外的新問題、新情況即為動態生成［12］。因而生成性實驗的創設看似預設之外，但又在情理之中，它是學生高階思維和綜合能力得到進一步發展的體現［13］。

5.3? 創設生態性實驗情境，提高計算能力

生態是指真實自然的、沒有套路和作秀的、注重學生親身經歷和探究獲取知識的一種狀態［14］。創設生態性實驗情境是指將計算試題轉化為真實的實驗過程，并讓學生置身于實驗場所，通過自己親自動手實驗獲得計算數據，使得計算數據更有溫度和有意義。環節二的一系列學生活動如設計實驗方案和動手操作獲得實驗數據，環節三的教師演示分批加入稀鹽酸實驗，都將計算試題數據以原汁原味的方式呈現出來。該方式促使師生之間、生生之間共同協作，同時營造出了一種自由開放、有趣的理想空間［15］。生態性實驗情境的創設有助于學生理解試題，降低試題難度，有利于學生從比例關系角度分析和處理實驗數據，精準使用數據解答問題。清晰的數據來源有利于降低數據分析難度，瞄準求算目標，提高計算準確度。

在課堂中，學生不能快速將實驗方案與計算流程圖題相關聯，說明學生在進行計算時只是單純機械地進行數學計算，沒有從化學角度去思考為何要計算，數據如何得來等問題。課標提出要通過化學實驗激發學生學習化學的興趣，創設生動活潑的學習情境，幫助學生理解和掌握化學知識和技能，引導學生學習科學方法，發展學生的科學思維［16］。本文通過創設實驗情境引導學生獲取真實的計算數據，突破了以往直接給予學生計算試題數據的現象，從源頭上讓學生認識到計算的價值和必要性。在實驗過程中學生不斷地生成知識，激發思維，有助于提升核心素養水平，實現深度學習。

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