初中生化學(xué)變化認(rèn)識(shí)的發(fā)展與實(shí)踐

初中生化學(xué)變化認(rèn)識(shí)的發(fā)展與實(shí)踐

“物質(zhì)化學(xué)變化”是義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的五個(gè)主題之一，包括三個(gè)第二個(gè)主題，其中之一是質(zhì)量維護(hù)和恒定法。這一主題的核心是定量認(rèn)識(shí)化學(xué)變化,其中包含4條內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn):(1)認(rèn)識(shí)質(zhì)量守恒定律,能說明化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系。(2)能正確書寫簡單的化學(xué)反應(yīng)方程式。(3)能根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行簡單的計(jì)算。(4)認(rèn)識(shí)定量研究對于化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重大作用。在日常教學(xué)中,這4條內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn),往往被集中處理為3個(gè)教學(xué)內(nèi)容:質(zhì)量守恒定律、化學(xué)方程式書寫、化學(xué)方程式計(jì)算。那么,這3個(gè)教學(xué)內(nèi)容間存在怎樣的內(nèi)在聯(lián)系;通過這3個(gè)內(nèi)容的教學(xué),學(xué)生對化學(xué)變化的定量認(rèn)識(shí)應(yīng)該獲得怎樣的發(fā)展呢?1學(xué)生錯(cuò)誤的分析日常教學(xué)中,很多教師反映學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)方程式時(shí)的常見問題是:(1)化學(xué)式書寫與化學(xué)方程式配平問題,比如有的學(xué)生本來寫對了物質(zhì)的化學(xué)式,但配平時(shí)弄不清系數(shù)和角標(biāo)的關(guān)系,為了配平改變了化學(xué)式。(2)化學(xué)方程式計(jì)算時(shí),題目呈現(xiàn)為與水溶液綜合、不直接給出參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量等有多個(gè)數(shù)據(jù)或需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的問題時(shí),學(xué)生錯(cuò)誤率較高。為什么?對北京市一所中等水平學(xué)校不同學(xué)習(xí)水平的學(xué)生進(jìn)行了訪談,其中一項(xiàng)任務(wù)是要求學(xué)生完成簡單的化學(xué)方程式計(jì)算,而后解釋為什么可以用比例關(guān)系計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn):即便是學(xué)習(xí)成績較高的學(xué)生,也不能完整分析運(yùn)用比例關(guān)系進(jìn)行化學(xué)方程式計(jì)算的依據(jù),他們的典型回答是“就是因?yàn)橘|(zhì)量守恒定律是反應(yīng)生成物的質(zhì)量等于反應(yīng)物的質(zhì)量,然后知道它的相對原子質(zhì)量,所以能求吧”,“題目問什么就設(shè)未知數(shù),設(shè)完以后就根據(jù)化學(xué)式,求出它們化學(xué)式的相對分子質(zhì)量,知道已知的一個(gè)質(zhì)量,知道未知數(shù)的,一比相等。(追問:為什么一比就相等呀?你的依據(jù)是什么?)比例是定值呀,書上說化學(xué)方程式表示反應(yīng)物、生成物各物質(zhì)之間質(zhì)量比。(追問:比例為什么是定值?)就是定值吧,嗯……不知道?！?建立質(zhì)量守恒定律學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)是從定性開始的。在進(jìn)入初中化學(xué)課程之前,學(xué)生對物質(zhì)變化的認(rèn)識(shí)是非常模糊的,他們知道物質(zhì)可以變化,但是不知道物質(zhì)的變化有不同的種類,也不知道物質(zhì)變化的本質(zhì)原因。在化學(xué)學(xué)習(xí)之初,學(xué)生首先從宏觀上認(rèn)識(shí)到物質(zhì)變化按照是否有新物質(zhì)產(chǎn)生可以分為化學(xué)變化和物理變化。隨著學(xué)習(xí)的深入,學(xué)生從微觀角度認(rèn)識(shí)到物質(zhì)的化學(xué)變化實(shí)際上是有新“分子”的生成,即分子變成原子,原子又重新組合成分子。大部分教材發(fā)展學(xué)生化學(xué)反應(yīng)定量認(rèn)識(shí)的起點(diǎn)是質(zhì)量守恒定律,一方面是因?yàn)橘|(zhì)量守恒定律在化學(xué)學(xué)科中占有極其重要的地位,另一方面質(zhì)量守恒定律是對參與反應(yīng)的物質(zhì)體系整體在化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量變化進(jìn)行描述,這是一種簡單的定量關(guān)系,也是便于檢驗(yàn)的定量關(guān)系。學(xué)生通常可以從微觀角度對質(zhì)量守恒定律進(jìn)行解釋:化學(xué)反應(yīng)前后原子種類不變,原子個(gè)數(shù)不變;即:從總體看,化學(xué)反應(yīng)前的原子在化學(xué)反應(yīng)后依然存在,沒有變化。僅從總體看化學(xué)反應(yīng)前后的質(zhì)量關(guān)系,并不足以滿足人類定量認(rèn)識(shí)、利用化學(xué)反應(yīng)的要求,人們更希望認(rèn)識(shí)化學(xué)變化中物質(zhì)間的定量關(guān)系,以滿足對投料和產(chǎn)出的控制,而不僅僅是總體關(guān)系。要想實(shí)現(xiàn)這一認(rèn)識(shí)目標(biāo),學(xué)生還需要2步發(fā)展:(1)認(rèn)識(shí)到參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)間有恒定的質(zhì)量比;從微觀角度看,就是化學(xué)反應(yīng)前后原子總體不變,但是原子的組合方式會(huì)發(fā)生變化,按照不同的原子組合方式或比例構(gòu)成不同的物質(zhì)。(2)認(rèn)識(shí)到對同一化學(xué)反應(yīng),參與化學(xué)反應(yīng)的一種物質(zhì)投入或產(chǎn)出的質(zhì)量發(fā)生變化時(shí),參與化學(xué)反應(yīng)的其他物質(zhì)的質(zhì)量會(huì)發(fā)生相應(yīng)倍數(shù)的變化;從微觀角度看,由于構(gòu)成物質(zhì)的微粒是有明確質(zhì)量的,所以參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量的變化實(shí)際上就是該物質(zhì)參與化學(xué)反應(yīng)的微粒個(gè)數(shù)發(fā)生了變化,同時(shí),由于參與化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的微粒個(gè)數(shù)比確定,當(dāng)一種物質(zhì)的微粒個(gè)數(shù)變化時(shí),其他物質(zhì)的微粒個(gè)數(shù)會(huì)成比例變化,其宏觀表現(xiàn)就是參與化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量成比例變化。宏觀物質(zhì)質(zhì)量變化與微觀微粒質(zhì)量關(guān)系構(gòu)建起聯(lián)系,這也是化學(xué)方程式計(jì)算的基本原理。學(xué)生初中階段對化學(xué)反應(yīng)定量認(rèn)識(shí)的發(fā)展層級(jí)如圖1所示。3通過化學(xué)方程表達(dá)物質(zhì)的質(zhì)量比測定在日常教學(xué)中,定量認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)主要集中在3個(gè)教學(xué)內(nèi)容:質(zhì)量守恒定律、化學(xué)反應(yīng)方程式書寫、化學(xué)方程式計(jì)算。根據(jù)前面對學(xué)生化學(xué)反應(yīng)定量認(rèn)識(shí)發(fā)展的描述,3個(gè)教學(xué)內(nèi)容分別承載著學(xué)生定量認(rèn)識(shí)的逐層發(fā)展功能,具體規(guī)劃如表1。在質(zhì)量守恒定律一節(jié)的教學(xué)中,對化學(xué)變化定量認(rèn)識(shí)的核心目標(biāo)是建立化學(xué)反應(yīng)前后宏觀質(zhì)量和微觀原子的總體等量關(guān)系。教學(xué)過程為:首先,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注化學(xué)變化中的量的關(guān)系。其次,從宏觀上認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)前后,參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量總和相等。第三,從微觀上理解化學(xué)反應(yīng)前后原子種類、個(gè)數(shù)不變,所以原子總質(zhì)量不變。第四,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注化學(xué)反應(yīng)前后原子種類、個(gè)數(shù)不變,但是組合方式是發(fā)生改變的,以便為認(rèn)識(shí)和理解化學(xué)變化中參與反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量比恒定做準(zhǔn)備。在化學(xué)方程式書寫一節(jié),對化學(xué)變化定量認(rèn)識(shí)的核心目標(biāo)是用化學(xué)方程式表達(dá)已建立的化學(xué)反應(yīng)前后宏觀、微觀的總體等量關(guān)系,和化學(xué)反應(yīng)前后原子組合方式不同,物質(zhì)的質(zhì)量比恒定的物質(zhì)間關(guān)系。首先應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生理解需要有化學(xué)方程式這樣一個(gè)工具描述化學(xué)反應(yīng)中的各種關(guān)系。第二,確立需要用化學(xué)方程式表達(dá)的內(nèi)容,包括參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的種類、化學(xué)反應(yīng)條件等宏觀定性特征,也包括化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì),即參與化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的構(gòu)成微粒的轉(zhuǎn)化關(guān)系和數(shù)量關(guān)系。第三,通過化學(xué)方程式能夠找到化學(xué)變化中微粒的轉(zhuǎn)化關(guān)系和數(shù)量關(guān)系,因?yàn)樵佑写_定的質(zhì)量,因此可以找到參與反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系。在化學(xué)方程式計(jì)算一節(jié),教師首先應(yīng)幫助學(xué)生明確參與化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量比恒定,且獲得恒定的質(zhì)量比可以解決知道參與化學(xué)反應(yīng)的任一物質(zhì)質(zhì)量,即可獲知其他物質(zhì)質(zhì)量的問題。其次,引導(dǎo)學(xué)生理解如何獲得參與化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)間恒定的質(zhì)量比,以及為什么用化學(xué)式量表示的化學(xué)反應(yīng)的各物質(zhì)的質(zhì)量比值與實(shí)際的參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量之間有比例關(guān)系。第三,總結(jié)化學(xué)方程式計(jì)算的基本方法并進(jìn)行綜合應(yīng)用。4u3000的定量診斷和化學(xué)變化教育實(shí)踐的研究基于以上教學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)劃,開展了相應(yīng)的教學(xué)實(shí)踐,現(xiàn)以“化學(xué)方程式計(jì)算”一節(jié)的教學(xué)實(shí)踐為例,介紹教學(xué)實(shí)踐過程與效果。4.1u3000“化學(xué)方程式”的教育實(shí)踐基于對教學(xué)內(nèi)容的深入分析以及學(xué)情調(diào)查,“化學(xué)方程式計(jì)算”教學(xué)過程列于表2。4.2化學(xué)程式的定量認(rèn)識(shí)本次教學(xué)實(shí)踐研究在北京市某普通中學(xué)初三年級(jí)展開,選取了日常學(xué)習(xí)情況相似的2個(gè)班分別作為實(shí)驗(yàn)班和對比班,實(shí)驗(yàn)班學(xué)生經(jīng)歷本研究設(shè)計(jì)的教學(xué)過程,對比班學(xué)生則經(jīng)歷常規(guī)化學(xué)方程式計(jì)算教學(xué)(直接講步驟和方法的學(xué)習(xí)過程)。為了明確教學(xué)效果,對2個(gè)班的學(xué)生進(jìn)行了學(xué)習(xí)前測和后測。測查題目見表3。從前述學(xué)生化學(xué)反應(yīng)定量認(rèn)識(shí)層級(jí)發(fā)展分析可知:學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)分為定性水平、定量總和水平、定量比例水平、宏微觀貫通比例水平。前測題目3和后測題目1都是考查學(xué)生對化學(xué)方程式是否能從定性、定量2個(gè)角度,宏觀、微觀2種水平進(jìn)行認(rèn)識(shí),認(rèn)識(shí)到的具體內(nèi)容是否豐富。由于本課時(shí)重點(diǎn)發(fā)展學(xué)生化學(xué)變化的定量認(rèn)識(shí),因此前測題目1和2,后測題目2和3都是對學(xué)生原有的化學(xué)變化定量認(rèn)識(shí)水平做測查?？傮w看,學(xué)生對化學(xué)變化定量認(rèn)識(shí)分為3個(gè)水平:無定量認(rèn)識(shí)水平、反應(yīng)前后總體質(zhì)量相等水平、各物質(zhì)質(zhì)量比恒定水平。其中,二級(jí)和三級(jí)水平內(nèi)部還可劃分子水平。預(yù)計(jì)學(xué)生在學(xué)習(xí)“化學(xué)方程式計(jì)算”前,對化學(xué)變化的定量認(rèn)識(shí)以二級(jí)水平為主,在本節(jié)課后發(fā)展為三級(jí)水平。前測題目1主要測查學(xué)生化學(xué)變化的定量認(rèn)識(shí)是否以二級(jí)水平為主,是否發(fā)展到三級(jí)水平;前測題目2、后測題目2和后測題目3主要測查學(xué)生是否達(dá)到三級(jí)水平,以及在三級(jí)水平內(nèi)部是否有差異。后測題目3是一道相對綜合復(fù)雜的問題,需要學(xué)生借助宏觀質(zhì)量的加和關(guān)系計(jì)算出未知物的宏觀質(zhì)量,再借助化學(xué)反應(yīng)中元素種類守恒判斷未知物的組成元素,然后還要靈活應(yīng)用化學(xué)方程式計(jì)算的比例關(guān)系求算相對分子質(zhì)量,從而判斷出未知物。在這一過程中,學(xué)生還需要理解化學(xué)方程式系數(shù)并關(guān)注到這個(gè)系數(shù)對計(jì)算過程的干擾。本題充分考查了學(xué)生對化學(xué)方程式各種定量關(guān)系的理解與整合應(yīng)用能力。為了展現(xiàn)學(xué)生的思路過程,規(guī)定學(xué)生答題時(shí)寫出“要想知道”“需要知道”“解決方法(計(jì)算過程)”并用表格方式呈現(xiàn),另外留出學(xué)生自主表達(dá)的空間。4.3其他方面的使用前測題目1測查學(xué)生本節(jié)課前對化學(xué)反應(yīng)的定量認(rèn)識(shí)程度。本問題結(jié)構(gòu)清晰,符合學(xué)生答題習(xí)慣,數(shù)據(jù)顯示,此時(shí)學(xué)生對化學(xué)變化的定量認(rèn)識(shí)主要集中在二級(jí)水平,且較多學(xué)生認(rèn)識(shí)模糊。前測題目3和后測題目1,考查學(xué)生對化學(xué)變化認(rèn)識(shí)角度的豐富程度,學(xué)生能夠從宏觀微觀、定性定量、物質(zhì)、過程、條件、能量等不同角度認(rèn)識(shí)化學(xué)變化,每增加一個(gè)角度則增加一個(gè)記分點(diǎn)。前測平均分為4.7,后測實(shí)驗(yàn)班平均分為7.1,對比班平均分為5.7。實(shí)驗(yàn)班學(xué)生對化學(xué)變化的認(rèn)識(shí)角度,特別是微觀定量角度有了極大發(fā)展,認(rèn)識(shí)結(jié)果更加豐富。前后測題目2考查學(xué)生對化學(xué)變化定量認(rèn)識(shí)以加和關(guān)系為主還是比例關(guān)系為主,結(jié)果顯示,本節(jié)課學(xué)習(xí)前,大部分學(xué)生嘗試使用加和關(guān)系解決問題或因加和關(guān)系解決問題困難而選擇放棄,只有1人利用比例關(guān)系完成任務(wù)。本節(jié)課學(xué)習(xí)后,實(shí)驗(yàn)班78.6%的學(xué)生使用比例關(guān)系解決問題,其中60.7%完全正確;對比班53.6%的學(xué)生使用比例關(guān)系解決問題,其中46.4%完全正確。后測題目3考查學(xué)生利用加和關(guān)系和比例關(guān)系,從宏觀微觀不同角度綜合處理化學(xué)變化定量問題的能力。本題目統(tǒng)計(jì)時(shí)采用累積記分,即學(xué)生找到解題思路,明確解題要素,得到正確結(jié)論,均累加記分,以保證不會(huì)因題目復(fù)雜,學(xué)生失誤增加而掩蓋定量認(rèn)識(shí)水平的體現(xiàn)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,實(shí)驗(yàn)班平均分?jǐn)?shù)為10.036,對比班平均分為5.375。能夠整合應(yīng)用加和關(guān)系和比例關(guān)系,并利用比例關(guān)系的變式解決問題的高分段學(xué)生,實(shí)驗(yàn)班有14.29%,對比班則為0。不能在復(fù)雜情境中找到定量關(guān)系的低分段學(xué)生,實(shí)驗(yàn)班為17.8%,對比班為35.7%。對測查的所有數(shù)據(jù)中實(shí)驗(yàn)班相應(yīng)的前測和后測數(shù)據(jù),以及實(shí)驗(yàn)班和對比班的后測數(shù)據(jù),通過方差分析進(jìn)行差異性檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果的Sig.均為0.000,均表明在0.01水平上有顯著性差異。綜上分析可知,幫助學(xué)生逐層構(gòu)建化學(xué)變化的定量認(rèn)識(shí),使學(xué)生從宏觀微觀雙重角度理解化學(xué)變化中物質(zhì)間質(zhì)量的加和關(guān)系和比例關(guān)系,并將其轉(zhuǎn)化為可進(jìn)行變式應(yīng)用的穩(wěn)定的公式落實(shí)下來,是幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)化學(xué)變化定量認(rèn)識(shí)發(fā)展,形成解決化學(xué)變化定量問題的能力的有效途徑。前測題目1,學(xué)生呈現(xiàn)三級(jí)水平5種答題情況。水平1,對化學(xué)反應(yīng)沒有定量認(rèn)識(shí),對這道題沒有想法;水平2-1,學(xué)生有化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量總體相等的概念,但是不清楚內(nèi)涵,直接用氫氣氧氣質(zhì)量加和求算水的質(zhì)量;水平2-2,學(xué)生有化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量總體相等的概念,且知道要判斷氫氣、氧氣是否有剩余,而后才能用總體質(zhì)量相等計(jì)算水的質(zhì)量,但是如何計(jì)算不清楚;水平3-1學(xué)生知道化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)間質(zhì)量成比例,但不能解釋成比例的原因,這一水平學(xué)生有2種表現(xiàn):一是學(xué)生找到氫氣、氧氣質(zhì)量比,計(jì)算出氧氣過量,而后用加和方式計(jì)算出水的質(zhì)量,另一種是學(xué)生直接用比例關(guān)系計(jì)算水的質(zhì)量,水平3-2,學(xué)生直接用比例關(guān)系計(jì)算水的質(zhì)量,且能做出合理解釋。前測題目2和后測題目2,考查學(xué)生面臨方程式計(jì)算的有關(guān)任務(wù)時(shí)主要以加和關(guān)系還是比例關(guān)系解決問題;是否清楚加和關(guān)系、比例關(guān)系的內(nèi)涵,能否構(gòu)建宏觀、微觀2個(gè)角度之間的關(guān)系,能否明確化學(xué)方程式系數(shù)的意義及在計(jì)算中的作用;是否有較為