基于定量探究的初中化學深度學習
——以“邂逅蘇打水——化學計算專題”為例

陳 婷 蔣 健

（瀏家港中學 江蘇太倉 215433）

隨著《義務教育化學課程標準（2022 年版）》的頒布，以素養、能力為本的教學已經成為當前初中化學教學的主要落腳點和生長點，其基本內涵就是基于真實的情境，通過解決較為復雜，具有挑戰性的問題來逐漸培養發展學生創新精神所需的素養和能力，而深度學習恰好為這一目標的實現提供了一條可行的路徑。

由于初中生知識水平、心理水平等因素的影響，初中化學的學習探究活動主要是以定性探究形式開展的，而定性探究是認識物質的基礎，很多情況下表現為較為淺層的學習，導致學生無法理解微觀本質原理，在陌生情境中，對知識遷移解決相關問題的綜合能力略顯薄弱［1］。定量探究是定性探究的補充與發展，也是實現深度學習的一種方式。

一、深度學習與定量探究

1.深度學習

深度學習起源于上世紀70 年代，發展至今，國內外學者普遍認為［2，3］：深度學習是在教師引領下，基于原有知識能力，圍繞有挑戰性的學習主題，以學習者主動參與為前提，重視知識結構的建立和認知策略的原認知，獲得發展的有意義的學習過程，以知識遷移和認知策略遷移來解決實際問題為最終目標。深度學習是一種高階思維主導的學習方式、學習策略和學習過程，也是一種教學思想，是教學變革的方向。初中化學深度學習可以認為是在教師的引導下，學生圍繞較為復雜的、有挑戰性的、真實的化學相關學習主題或問題情境，從化學的學科特點、學科觀念視角出發，主動開展以實驗為主要手段的探究活動，通過證據推理、質疑批判等高階思維學習過程，解決實際問題，培養創新精神，促進化學學科素養和能力的發展與提升。

初中化學深度學習應該是一個真實情境下的主題式的學習過程，是主動參與、主動構建系統知識體系的學習過程，是質疑、批判、遷移等高階思維活動不斷提升發展的學習過程，是化學觀念、學科思想不斷內化，能力不斷提升的學習過程（如圖1）。

圖1

2.定量探究

定性、定量都是科學探究的主要方法和思維形式。定量相對定性而言，更側重于量的角度，通常在化學學習過程中，往往需要在定性探究基礎上，借助數學工具對物質進行數量方面的探究分析，將問題與現象等用數據、模型、圖形等方式表示，從微觀視角、量化角度研究，最終揭示物質及其變化的本質與特征。定量探究是化學學習的學科方法之一，也是對相關知識開展深度學習的表現形式之一。因此，從定量的角度開展深度學習，對認識、理解、應用物質具有重要的理論和現實實踐價值。

二、基于定量探究的深度學習案例

1.學習目標

（1）通過對真實情境中蘇打水中碳酸氫鈉含量的定量測定、自制一定濃度蘇打水實驗以及實驗誤差的分析，發展學生合作探究、質疑思辨、證據推理、比較綜合、遷移應用等高階思維能力。

（2）通過真實情境中化學定量實驗的設計，提高學生分析探究及實驗設計的能力，發展定量思維能力。

（3）通過真實情境中的定量探究，進一步培養科學探究與實踐能力、科學態度和社會責任，促進學生深度學習能力的不斷提高。

2.學習過程

環節一：創設情境、確立主題

×××蘇打水廣告視頻——介紹蘇打水對人體的好處。

展示：購買的蘇打水。錨定最終學習任務：自制蘇打水。

師：誰能給我們介紹一下蘇打水中的主要成分碳酸氫鈉（小蘇打）？

生：觀看視頻，回顧交流碳酸氫鈉的性質及用途。

設計意圖：調節課堂氣氛，激發學生的好奇心和探索欲望，復習碳酸氫鈉這種鹽的性質及用途，為后續探究做好鋪墊。

環節二：定量實驗設計，引發深度思維

若要自制蘇打水，首先需要了解蘇打水中碳酸氫鈉的質量分數。

［核心問題1］如何測定蘇打水中碳酸氫鈉的質量分數？

資料：碳酸氫鈉與氫氧化鈣在過量與少量時發生的反應：

學生小組設計、交流、展示實驗測定方案與裝置圖。

［生1］方案一：加足量的稀鹽酸，測定產生二氧化碳的質量。

［生2］方案二：加足量的氫氧化鈣溶液，測定產生碳酸鈣沉淀的質量。

［生3］裝置圖（如圖2、圖3）

圖2

圖3

［師］若利用方案一，需要測定哪些數據才能達到實驗目的？

［生］（1）實驗前蘇打水和稀鹽酸及所有裝置的總質量；（2）實驗后所有溶液及裝置的總質量。反應前后的質量差即為生成的二氧化碳的質量（見表1）。

表1 實驗過程中的質量變化關系

［生］分析數據可知：產生二氧化碳的質量m（CO2）=211.821 g-211.805 g=0.016 g；

依據NaHCO3～CO2可計算出碳酸氫鈉的質量為0.031 g；

蘇打水中碳酸氫鈉的質量分數為0.031 g/50.000 g×100%=0.062%。

［實驗反思］如果沒有無水氯化鈣，實驗的結果會怎樣？鹽酸的用量應該如何選擇？如何判斷？

［計算］依據實驗測定的結果，計算得出蘇打水中碳酸氫鈉的質量分數。

設計意圖：學生討論實驗方案的可行性、通過交流確定可行的方案，通過定量實驗的探究，體現化學實驗的嚴密性和科學性，引導學生從實驗設計、質疑批判、科學論證到進行定量計算，層層遞進，不斷提升學生思維的深度。

環節三：定量實驗分析，促進深度學習

［核心問題2］如要配制一瓶550 mL（已知密度）的蘇打水，需如何進行配制？

［生］說明配制步驟：計算、稱量固體、量取水、溶解。

［生］分組配制蘇打水。

［提高］老師這里還有一杯提前配制好的濃度較大的一定質量分數的碳酸氫鈉溶液。（1）經測定實際濃度偏小，可能是什么原因引起的？（2）可以如何配制成為我們需要的蘇打水？

［生］主要從溶質溶劑質量變化的角度分析實際濃度偏小的原因。

［生］從溶質質量不變的角度，計算說明濃溶液稀釋配制一定質量分數的碳酸氫鈉溶液的方法。

設計意圖：通過完成蘇打水的配制實驗，體驗化學與生活的緊密聯系。從實驗數據的誤差分析，從溶液成分質量的角度定量分析產生誤差的原因，從深層次認識溶液的組成。

環節四：定量計算指導生活，增加深度學習的深度

［核心問題3］說說飲用蘇打水的利與弊

［師］高血壓患者需要低鈉飲食，喝這樣的一瓶蘇打水，相當于吃了多少食鹽？

［生］計算鈉含量，從“量”的角度說明問題。

設計意圖：引導學生客觀地看待蘇打水，通過化學式計算理解飲食要注重“量”，體會化學定量研究對生活的重要意義，增加學生深度學習的深度。

三、教學反思

1.創設有深度的定量探究真實情境，促進高階思維發展

進階學習理論認為：學習前景與學習內容的關聯度越高，學習內容將變得更加形象具體，學生越容易進入一種深度學習的狀態，學習效率也越高。

真實有深度的情境蘊含著學科核心知識、觀念、價值、素養，必然是貼近學生的最近發展區，蘊含著驅動性的學科核心問題，能調動學生的探究欲望，要求學生以開放的形式，以證據推理、質疑、批判等思維去尋找解決問題的策略和方法，促進知識的建構和遷移運用。學生解決有挑戰性問題的過程，必然是學生認知發展、建構的過程。在解決問題時，首先激發原認知自我意識，根據面對的問題判斷自身知識與能力水平，在此基礎上主動參與體驗探究活動過程，同時進行持續性的評價，據此及時調整、優化，不斷自我監控探究活動過程，不斷自我調節，將情境、問題、活動、知識技能、素養“五位一體”，高度融合，促進持久理解和高階思維發展，提高深度學習的深度。

2.基于模型認知的定量計算，促進知識傳遞走向深度學習

化學計算是化學學習的重要內容，目的在于幫助學生從量的角度認識化學變化，感受“量”在化學變化中的意義，從而實現對化學定量研究意義的認知。當前，化學計算相關內容多為教師示范、學生模仿練習或直接利用公式等較為淺層的學習方式，缺少高階思維活動，無法認識到知識的內在本質，而從模型認知的思維角度，建構化學模型并運用化學模型解釋化學規律，幫助學生理解“量”的意義及其“量”變化的本質原因。初中化學計算中常見的有“差量關系”模型（如圖4），利用化學模型可以解釋和預測分析某些情況下反應前后質量差產生的原因，即物質的消耗與產生，如某種氣體的逸出、沉淀的析出或某種元素的轉移等等。

圖4

案例中是反應前容器中所有物質的質量與反應后所有物質的質量之間的質量差，由化學反應前后物質種類變化情況可知，只有產生的二氧化碳氣體能從容器中逸出，其他的物質不論轉化或剩余仍全部留在容器中，故產生質量差的主要原因就是二氧化碳氣體這種物質從容器中逸出，也就是說質量差值就是二氧化碳的質量。這種情況下，我們建立的差量模型就是反應前后所有物質的總質量差，一般就是生成的氣體外逸或消耗外界氣體的質量。

再如實驗室利用一氧化碳還原氧化鐵模擬煉鐵的實驗過程中，硬質玻璃管中的物質的前后質量差，則又是另外一種情況。玻璃管內的物質反應前是氧化鐵與空氣，反應后則是鐵粉與空氣，這顯然是由氧化鐵轉化為鐵粉的過程中產生的質量差，也就是氧化鐵中氧元素全部發生了轉移，氧元素的質量就是反應前后質量的差值。這種情況下，我們建立的差量模型就是反應前后某幾種物質的質量差，一般就是元素轉移的質量。

在案例中，利用二氧化碳的質量來推測碳酸氫鈉的質量，就需要學生建立“宏觀-微觀-符號”化學模型，通過理解化學變化的微觀本質，利用化學符號的表征能力去解決問題。從微觀角度來講，就是每個碳酸氫根離子反應后能夠生成一個二氧化碳分子，也就是無論具體質量如何變化，兩種微粒在化學反應前后的個數比始終保持1∶1不變，碳酸氫鈉和二氧化碳之間的質量比始終保持84∶44不變。以此類推，每一個化學變化都適用。

3.定量實驗設計，促進深度學習發展

初中化學教學強調的是基礎性，因此初中化學實驗教學更偏重定性實驗，輕視定量實驗，弱化了從“量”的角度認識化學變化的本質，不利于學生高階科學思維素養的培養，但實驗從定性走向定量是化學發展的必然途徑，因此初中階段進行適當的定量實驗的設計與科學探究，對于學生定量思維意識的形成與發展有不可替代的作用，對學生深度學習的發展有其獨特的意義。

在案例中，要求辯一辯配制的蘇打水是否適合有心臟病的人飲用，表面是小蘇打的性質與運用的分析，鈉元素對人體的作用與影響的考查，這樣的思考還停留在問題表面，實則是要求從鈉元素具體含量的角度入手，設計實驗測定其含量，轉化為主要含鈉物質碳酸氫鈉的含量測定，過程中實驗方案和實驗裝置的設計以及改進、實驗現象分析、實驗數據記錄和分析、結論、誤差分析等等，都需要定量思維的推理過程，幫助學生從結論抽絲剝繭反推原理，再從原理進一步論證肯定結論，達到深度學習的目的。

4.實驗誤差定量分析，拓展深度學習深度

實驗誤差普遍存在于定性、定量實驗中，是無法避免的，雖然對于結論的推斷產生不利的影響，但是正確地利用實驗誤差，分析誤差產生的原因，對于學生思維的培養有很大的幫助。在分析化學實驗誤差的過程中，學生會質疑每一個步驟的嚴謹性與正確性，實驗裝置的合理選擇與比較，不同實驗方案的優劣對比，數據的推理演繹等，無不需要學生較高水平的思維過程。

案例中定量測定二氧化碳質量的過程中，實際質量肯定會出現偏大或偏小的情況，是什么原因呢？學生此時的思維得以發散，可能從多角度考慮：藥品問題、二氧化碳的性質、裝置不足、操作錯誤、電子天平故障等方面。推測原因可能是鹽酸濃度過大、揮發逸出，水蒸氣隨氣體逸出導致質量偏大，則計算所得碳酸氫鈉的質量隨之偏大；二氧化碳殘留或溶于水，導致質量偏小，則計算所得碳酸氫鈉的質量隨之偏小等等，基于這些推測，學生就會對實驗的整個過程進行優化改良，不斷地質疑、推測、改進、論證，學生的思維能力不斷提升，深度學習不斷深化。

總之，在真實有效的情境中開展定量研究，能驅動學生的學習動機，增強學生的學習欲望，促進學生深度學習的發生。這就要求教師需要精準理解化學學科定量研究的核心內容，從整體上設計和實施教學：明確的主題、驅動的問題、深度的活動、持續的評價等，帶領學生開展真實的學習。學生的“深度學”離不開教師的“深度教”。