实验情境式教学在初中化学计算专题复习的应用
作者： 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，若有气泡产生则是真珍珠，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。
［总结］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：