初中生化学变化认识的发展与实践

初中生化学变化认识的发展与实践

“物质化学变化”是义务教育化学课程标准规定的五个主题之一，包括三个第二个主题，其中之一是质量维护和恒定法。这一主题的核心是定量认识化学变化,其中包含4条内容标准:(1)认识质量守恒定律,能说明化学反应中的质量关系。(2)能正确书写简单的化学反应方程式。(3)能根据化学反应方程式进行简单的计算。(4)认识定量研究对于化学科学发展的重大作用。在日常教学中,这4条内容标准,往往被集中处理为3个教学内容:质量守恒定律、化学方程式书写、化学方程式计算。那么,这3个教学内容间存在怎样的内在联系;通过这3个内容的教学,学生对化学变化的定量认识应该获得怎样的发展呢?1学生错误的分析日常教学中,很多教师反映学生在学习化学反应方程式时的常见问题是:(1)化学式书写与化学方程式配平问题,比如有的学生本来写对了物质的化学式,但配平时弄不清系数和角标的关系,为了配平改变了化学式。(2)化学方程式计算时,题目呈现为与水溶液综合、不直接给出参与化学反应的物质的质量等有多个数据或需要进行数据转换的问题时,学生错误率较高。为什么?对北京市一所中等水平学校不同学习水平的学生进行了访谈,其中一项任务是要求学生完成简单的化学方程式计算,而后解释为什么可以用比例关系计算。结果发现:即便是学习成绩较高的学生,也不能完整分析运用比例关系进行化学方程式计算的依据,他们的典型回答是“就是因为质量守恒定律是反应生成物的质量等于反应物的质量,然后知道它的相对原子质量,所以能求吧”,“题目问什么就设未知数,设完以后就根据化学式,求出它们化学式的相对分子质量,知道已知的一个质量,知道未知数的,一比相等。(追问:为什么一比就相等呀?你的依据是什么?)比例是定值呀,书上说化学方程式表示反应物、生成物各物质之间质量比。(追问:比例为什么是定值?)就是定值吧,嗯……不知道。”2建立质量守恒定律学生对化学反应的认识是从定性开始的。在进入初中化学课程之前,学生对物质变化的认识是非常模糊的,他们知道物质可以变化,但是不知道物质的变化有不同的种类,也不知道物质变化的本质原因。在化学学习之初,学生首先从宏观上认识到物质变化按照是否有新物质产生可以分为化学变化和物理变化。随着学习的深入,学生从微观角度认识到物质的化学变化实际上是有新“分子”的生成,即分子变成原子,原子又重新组合成分子。大部分教材发展学生化学反应定量认识的起点是质量守恒定律,一方面是因为质量守恒定律在化学学科中占有极其重要的地位,另一方面质量守恒定律是对参与反应的物质体系整体在化学反应前后的质量变化进行描述,这是一种简单的定量关系,也是便于检验的定量关系。学生通常可以从微观角度对质量守恒定律进行解释:化学反应前后原子种类不变,原子个数不变;即:从总体看,化学反应前的原子在化学反应后依然存在,没有变化。仅从总体看化学反应前后的质量关系,并不足以满足人类定量认识、利用化学反应的要求,人们更希望认识化学变化中物质间的定量关系,以满足对投料和产出的控制,而不仅仅是总体关系。要想实现这一认识目标,学生还需要2步发展:(1)认识到参与化学反应的物质间有恒定的质量比;从微观角度看,就是化学反应前后原子总体不变,但是原子的组合方式会发生变化,按照不同的原子组合方式或比例构成不同的物质。(2)认识到对同一化学反应,参与化学反应的一种物质投入或产出的质量发生变化时,参与化学反应的其他物质的质量会发生相应倍数的变化;从微观角度看,由于构成物质的微粒是有明确质量的,所以参与化学反应的物质质量的变化实际上就是该物质参与化学反应的微粒个数发生了变化,同时,由于参与化学反应的各物质的微粒个数比确定,当一种物质的微粒个数变化时,其他物质的微粒个数会成比例变化,其宏观表现就是参与化学反应的各物质的质量成比例变化。宏观物质质量变化与微观微粒质量关系构建起联系,这也是化学方程式计算的基本原理。学生初中阶段对化学反应定量认识的发展层级如图1所示。3通过化学方程表达物质的质量比测定在日常教学中,定量认识化学反应主要集中在3个教学内容:质量守恒定律、化学反应方程式书写、化学方程式计算。根据前面对学生化学反应定量认识发展的描述,3个教学内容分别承载着学生定量认识的逐层发展功能,具体规划如表1。在质量守恒定律一节的教学中,对化学变化定量认识的核心目标是建立化学反应前后宏观质量和微观原子的总体等量关系。教学过程为:首先,引导学生关注化学变化中的量的关系。其次,从宏观上认识化学反应前后,参与化学反应的物质质量总和相等。第三,从微观上理解化学反应前后原子种类、个数不变,所以原子总质量不变。第四,引导学生关注化学反应前后原子种类、个数不变,但是组合方式是发生改变的,以便为认识和理解化学变化中参与反应的各物质的质量比恒定做准备。在化学方程式书写一节,对化学变化定量认识的核心目标是用化学方程式表达已建立的化学反应前后宏观、微观的总体等量关系,和化学反应前后原子组合方式不同,物质的质量比恒定的物质间关系。首先应引导学生理解需要有化学方程式这样一个工具描述化学反应中的各种关系。第二,确立需要用化学方程式表达的内容,包括参与化学反应的物质的种类、化学反应条件等宏观定性特征,也包括化学反应的本质,即参与化学反应的各物质的构成微粒的转化关系和数量关系。第三,通过化学方程式能够找到化学变化中微粒的转化关系和数量关系,因为原子有确定的质量,因此可以找到参与反应的各物质的质量关系。在化学方程式计算一节,教师首先应帮助学生明确参与化学反应的各物质的质量比恒定,且获得恒定的质量比可以解决知道参与化学反应的任一物质质量,即可获知其他物质质量的问题。其次,引导学生理解如何获得参与化学反应的各物质间恒定的质量比,以及为什么用化学式量表示的化学反应的各物质的质量比值与实际的参与化学反应的物质的质量之间有比例关系。第三,总结化学方程式计算的基本方法并进行综合应用。4u3000的定量诊断和化学变化教育实践的研究基于以上教学设计规划,开展了相应的教学实践,现以“化学方程式计算”一节的教学实践为例,介绍教学实践过程与效果。4.1u3000“化学方程式”的教育实践基于对教学内容的深入分析以及学情调查,“化学方程式计算”教学过程列于表2。4.2化学程式的定量认识本次教学实践研究在北京市某普通中学初三年级展开,选取了日常学习情况相似的2个班分别作为实验班和对比班,实验班学生经历本研究设计的教学过程,对比班学生则经历常规化学方程式计算教学(直接讲步骤和方法的学习过程)。为了明确教学效果,对2个班的学生进行了学习前测和后测。测查题目见表3。从前述学生化学反应定量认识层级发展分析可知:学生对化学反应的认识分为定性水平、定量总和水平、定量比例水平、宏微观贯通比例水平。前测题目3和后测题目1都是考查学生对化学方程式是否能从定性、定量2个角度,宏观、微观2种水平进行认识,认识到的具体内容是否丰富。由于本课时重点发展学生化学变化的定量认识,因此前测题目1和2,后测题目2和3都是对学生原有的化学变化定量认识水平做测查。总体看,学生对化学变化定量认识分为3个水平:无定量认识水平、反应前后总体质量相等水平、各物质质量比恒定水平。其中,二级和三级水平内部还可划分子水平。预计学生在学习“化学方程式计算”前,对化学变化的定量认识以二级水平为主,在本节课后发展为三级水平。前测题目1主要测查学生化学变化的定量认识是否以二级水平为主,是否发展到三级水平;前测题目2、后测题目2和后测题目3主要测查学生是否达到三级水平,以及在三级水平内部是否有差异。后测题目3是一道相对综合复杂的问题,需要学生借助宏观质量的加和关系计算出未知物的宏观质量,再借助化学反应中元素种类守恒判断未知物的组成元素,然后还要灵活应用化学方程式计算的比例关系求算相对分子质量,从而判断出未知物。在这一过程中,学生还需要理解化学方程式系数并关注到这个系数对计算过程的干扰。本题充分考查了学生对化学方程式各种定量关系的理解与整合应用能力。为了展现学生的思路过程,规定学生答题时写出“要想知道”“需要知道”“解决方法(计算过程)”并用表格方式呈现,另外留出学生自主表达的空间。4.3其他方面的使用前测题目1测查学生本节课前对化学反应的定量认识程度。本问题结构清晰,符合学生答题习惯,数据显示,此时学生对化学变化的定量认识主要集中在二级水平,且较多学生认识模糊。前测题目3和后测题目1,考查学生对化学变化认识角度的丰富程度,学生能够从宏观微观、定性定量、物质、过程、条件、能量等不同角度认识化学变化,每增加一个角度则增加一个记分点。前测平均分为4.7,后测实验班平均分为7.1,对比班平均分为5.7。实验班学生对化学变化的认识角度,特别是微观定量角度有了极大发展,认识结果更加丰富。前后测题目2考查学生对化学变化定量认识以加和关系为主还是比例关系为主,结果显示,本节课学习前,大部分学生尝试使用加和关系解决问题或因加和关系解决问题困难而选择放弃,只有1人利用比例关系完成任务。本节课学习后,实验班78.6%的学生使用比例关系解决问题,其中60.7%完全正确;对比班53.6%的学生使用比例关系解决问题,其中46.4%完全正确。后测题目3考查学生利用加和关系和比例关系,从宏观微观不同角度综合处理化学变化定量问题的能力。本题目统计时采用累积记分,即学生找到解题思路,明确解题要素,得到正确结论,均累加记分,以保证不会因题目复杂,学生失误增加而掩盖定量认识水平的体现。从统计结果看,实验班平均分数为10.036,对比班平均分为5.375。能够整合应用加和关系和比例关系,并利用比例关系的变式解决问题的高分段学生,实验班有14.29%,对比班则为0。不能在复杂情境中找到定量关系的低分段学生,实验班为17.8%,对比班为35.7%。对测查的所有数据中实验班相应的前测和后测数据,以及实验班和对比班的后测数据,通过方差分析进行差异性检验,检验结果的Sig.均为0.000,均表明在0.01水平上有显著性差异。综上分析可知,帮助学生逐层构建化学变化的定量认识,使学生从宏观微观双重角度理解化学变化中物质间质量的加和关系和比例关系,并将其转化为可进行变式应用的稳定的公式落实下来,是帮助学生实现化学变化定量认识发展,形成解决化学变化定量问题的能力的有效途径。前测题目1,学生呈现三级水平5种答题情况。水平1,对化学反应没有定量认识,对这道题没有想法;水平2-1,学生有化学反应前后质量总体相等的概念,但是不清楚内涵,直接用氢气氧气质量加和求算水的质量;水平2-2,学生有化学反应前后质量总体相等的概念,且知道要判断氢气、氧气是否有剩余,而后才能用总体质量相等计算水的质量,但是如何计算不清楚;水平3-1学生知道化学反应中物质间质量成比例,但不能解释成比例的原因,这一水平学生有2种表现:一是学生找到氢气、氧气质量比,计算出氧气过量,而后用加和方式计算出水的质量,另一种是学生直接用比例关系计算水的质量,水平3-2,学生直接用比例关系计算水的质量,且能做出合理解释。前测题目2和后测题目2,考查学生面临方程式计算的有关任务时主要以加和关系还是比例关系解决问题;是否清楚加和关系、比例关系的内涵,能否构建宏观、微观2个角度之间的关系,能否明确化学方程式系数的意义及在计算中的作用;是否有较为