美国2005年版Prentice Hall《化学》教材中的单位教学

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  摘要:在中学化学教学中,教师常发现学生单位学习和运用方面存在着较大问题。美国2005 年版Prentice Hall《化学》教材的设计对我们突破单位教学难点有一定的启示,文章介绍并分析该教材中的单位教学内容,以期从中得到一些有益的启示。
  关键词:教材;单位;科学测量
  文章编号:1005-6629(2008)05-0044-04中图分类号:G633.2 文献标识码:B
  
  在中学化学教学中,教师常发现学生单位学习和运用方面存在着较大问题。例如,七个SI基本单位中,物质的量单位“摩尔(mol)”是高一学生学习化学的基本内容之一。很多教师认为“物质的量”在教学中是个难点。对高一学生而言,物质的量是以前从未听过的抽象概念,理解和掌握它有很大的难度,甚至有些学生在整个高中化学学习结束后,对物质的量的理解还是含糊不清,导致了教师在给学生介绍这个知识点时,有些不知所措,怎么讲学生都理解不了。学生学习化学单位出现类似问题的原因主要有两方面:一是缺乏对单位意义和重要性的感性认识;二是对单位的意义及其计算缺乏系统性的训练。要突破单位教学的难点,需要加强单位的意义、单位基础知识以及单位换算等方面的教学,从单位对于化学学科的整体意义方面进行教学。美国2005 年版Prentice Hall《化学》教材[1]的设计对于我们突破单位教学难点有一定的启示,文章将该教材中单位教学内容与国内的进行比较分析,以期为中学化学教师提供参考。
  
  1美国《化学》教材中单位教学内容及特点
  
  美国2005 年版Prentice Hall《化学》教材将关于单位及其换算问题编排在第3章“科学测量(SCIENTIFIC MEASUREMENT)”和第10章“化学量(CHEMICAL QUANTITIES )”内容中[2]。“科学测量”主要由3节内容构成,分别为:测量及其不确定性(Measurements and Their Uncertainty);国际单位制(The International System of Units);转换问题(Conversion Problems)。“化学量”也由3节内容构成,分别为:“摩尔:物质的量(The Mole: A Measurement of Matter)”、“摩尔质量和摩尔体积的关系(Mole-Mass and Mole -Volume Relationships)”以及“百分组成和化学式(Percent Composition and Chemical Formulas)”。“科学测量”内容的介绍为“化学量”内容的介绍奠定了很好的基础。两章内容都系统地介绍了化学单位教学,达到化学单位教学目标。“化学量”中的内容在我国中化学教材中都能找到,而我国中化学教材中没有与“ 科学测量”相对应的内容,因此我们重点来介绍一下该美国教材中的“ 科学测量”内容。
  1.1测量及其不确定性
  该教材第一节内容从测量的角度使学生体验单位对于化学学科的重要性。化学是以实验为基础的学科,化学工作者每天在做大量的测量工作。测量是指为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。量值是由数字和单位两部分组成。纯粹的数字没有任何意义,只有单位对其补充说明时,才具有实际意义。该教材主要的突破点是让学生从化学学科的本身特性来认识单位对于化学学习的重要性,使学生意识到在做化学计算,描述化学实验过程,处理数据问题时,单位的意义和重要性。
  这节内容先从测量值的表达和使用入手,给学生介绍数据的表示方法。在化学学习中,经常遇见一些很大或者特别小的数字,例如,1克H包含602,000,000,000,000,000,000,000个氢原子,一个Au的质量是0.000 000 000 000 000 000 000 327g等,这些数字的书写和使用都很累赘,科学计数法可以简化这些数据的记录。用科学计数法记录的数字由大于1而小于10的系数和以10为底数的指数两部分组成,如数据602,000,000,000,000,000,000,000个氢原子就可以写成6.02×1023个氢原子。
  接下来,介绍准确度、精密度、误差的概念及其区别。实际的化学实验测量过程中,由于仪器、实验条件、环境等因素的限制,测量不可能无限精确,物理量的测量值与客观存在的真实值之间总会存在着一定的差异,这种差异就是测量误差。误差的表示方法有绝对误差和相对误差两种。绝对误差等于测量值减去真实值,表示测量值偏离真值的大小;相对误差也称百分误差,是指绝对误差与测量值或多次测量的平均值的比值,通常将其结果表示为百分数的形式。绝对误差可以表示一个测量结果的可靠程度,而相对误差则可以比较不同测量结果的可靠性。化学工作者的成功主要取决于测量数据的可靠性。通常把测定结果与真实值之间的接近程度称为准确度,而把一组测量数据之间的接近程度称为精密度。同时,教材举生活中的“箭和靶”和“称体重”的实例说明什么是准确度、精密度、什么样的情况下会产生误差,来加深学生对概念的理解。
  本节最后给学生介绍测量及运算中的有效数字问题。为了取得准确的分析结果,不仅要准确测量,而且还要正确读出数据。数字的位数不仅表示数字的大小,也反映测量的准确程度。在测量结果的数字表示中,由若干位可靠数字加一位估读数字,便组成了有效数字。有效数字保留的位数,应根据分析方法与仪器的准确度来决定,一般测量值中最后一位是估读数字,其余数字均为准确数字。例如,某样品质量为2.46g(在2.4 g与2.5g之间所读的数),数字2和4都是准确数字,数字6是估读数字,但2、4和6这三个数字都表达了有用的信息,在这里都是有效数字。因此,读数据时,要读至仪器误差所在的位置,数据的位数不能任意增加或减少。进行单位换算时,有效数字的位数不变;在加减法与运算中,运算结果有效数字取到参与运算各数中最靠前出现估读数的那一位;在乘除运算中,结果的有效数字一般以参与运算中有效数字位数最少的为准。
  1.2 国际单位制(SI)
  在测量的过程中,由于不同的政府、不同的民族、不同的文化习俗,不同的历史原因,人们采用不同的测量标准,形成了多种单位制。这对国际贸易、科学文化的交流造成了很大的障碍。为了方便国家间的交流,1960年第十一届国际计量大会正式通过了世界各国通用的国际单位制,简称SI。国际单位制来源于米制(是以米为基础的十进制单位体系,起源较早), 并继承了米制的优点(如十进位,用专门词头构成十进倍数及分数单位等), 同时克服了米制的缺点,是米制的现代形式。该节内容包括SI基本单位、SI词冠、常用物理量及其单位三部分。
  SI基本单位有:长度单位米(m) 、质量单位千克(kg)、时间单位秒(s)、电流强度单位安培(A)、热力学温度单位开尔文(K)、物质的量单位摩尔(mol)和发光强度单位坎德拉(cd),共七个(见表1)。除电流强度单位安培(A) 和发光强度单位坎德拉(cd)外,其余五个是化学学科中常用的基本单位。
  SI词冠中介绍了常用的米制词冠——兆(Mega)、千(kilo)、分(deci)、厘(centi)、毫(milli)、微(micro)、纳(nano)、皮(pico)等,并给出词冠与SI基本单位的倍数关系(见表2)。
  基于实际应用问题,教材列出了常用的五种物理量:长度、体积、质量、温度、能量以及它们的SI基本单位与其他常用单位。比如:长度的SI基本单位是米(m), 其他常用单位有:千米(km)、分米(dm)、 厘米(cm)、 毫米(mm)、微米(μm)、纳米(nm);表征体积的常用单位有: 升(L)、毫升(ml)、立方厘米(cm3)、微升(μl); 质量的SI基本单位是千克(kg), 其他常用单位有克(g)、 毫克(mg)、微克(μg);温度的SI基本单位是开尔文(K), 其他常用单位是摄氏度(℃); 能量的SI基本单位是焦耳(J), 其它常用单位有:千焦(kJ)。教材中分别用表格将这些常用物理量的单位列出来,并介绍了每一物理量的常用单位与对应的SI基本单位间的倍数关系,这里只以长度的单位为例(见表3)。
  
  1.3 转换问题
  国际单位制单位之间以及国际单位制单位与其他惯用的非国际单位制单位之间都存在着转换问题,如何进行单位间的换算问题,正是“转换问题”中所要介绍的内容。单位间的换算经常要用到换算因子和量纲分析法。换算因子是指换算过程中使两个数据相等的比例系数,如,等式1m=100cm 中的100就是这个等式中的换算因子。量纲是表示一个物理量如何由基本量组合的式子。量纲不同的两个量不能加减或相等的,例如,1千克与1米这两个量不能相加减或相等,因为其中一个是质量,具有质量的量纲,另一个是长度,具有长度的量纲。在同一单位制中,只有当各量的量纲相同时才能相加减或相等。量纲分析法又叫因次分析法,是一种数学分析方法,通过量纲分析,可定出同一物理量不同单位间的换算因子,可检验公式中物理量的书写正误,定出方程中比例系数的量纲和单位。运用量纲分析法是单位转换常用的一种方法,教材为学生分析具体例题引导学生学习单位转换,引起学生对单位转换的重视。
  
  2中美中学化学教材中单位教学内容的对比及启示
  
  与美国中学化学教材中单位教学内容相比,我国中学化学教材中单位教学内容的编排有很多的不足之处。例如,学生在学习物质的量及单位前,已经接触并且应用过许多单位,但教材中没有对这些单位一个整合的内容,且在介绍物质的量及其单位时过于简单、抽象,加大了学生学习化学单位知识的难度;教材在利用新知识解决实际问题上缺乏实例;教材没有充分介绍学生学习新化学单位所需要的铺垫知识(化学相关的数学和物理新知识)等。通过分析比较,笔者认为该美国教材中“科学测量”内容给我们提供了一个新的视角——从测量的角度来认识化学科学。使学生从理论的角度认识化学实验过程就是测量的过程,充分意识到化学学习中单位的意义和重要性。这两章的内容给与我们的启示主要有以下几点:
  2.1系统性
  该美国教材中“科学测量”和“化学量”两章内容的安排顺序和系统介绍更符合学生学习的规律。美国著名的心理学家奥苏伯尔的意义学习论认为,有意义学习过程即新旧知识相互联系、相互作用的过程即同化的过程,这种相互联系相互作用是由认知结构中的原有的适当观念起决定作用。因此通过测量来介绍单位,学生不仅可以把以前学过的零碎知识加以系统整理,又可以使之与新知识相互作用,将新知识纳入原有知识群的网络中,使原有的知识系列向纵向和横向发展,丰富原有知识系列,从而建立起高效合理的知识结构。这两章的内容使学生对有关单位方面的知识系列有系统整体的认识。
  2.2方法性
  在学生自觉地意识到科学测量真正意义的基础上,教材设计者给学生介绍了一系列的方法,教学生如何去做。测量中科学计数法的运用、有效数字的取舍、误差分析、单位转换方法等科学测量知识的介绍将数学、物理、化学知识充分地融合,使学生对数、物理量及单位和定量研究方法有全面地认识。
  2.3实用性
  “科学测量”内容介绍了生活中大量学生社会生活中常见的测量事例(见表2)和解决问题的例题,使学生对物理量的计量单位等形成一般的感性认识。同时,设计化学测量问题情境,让学生使用科学测量的知识和方法对化学物质进行测量、分析,在感性认识的基础上,巩固学生科学测量知识,形成科学测量观,提高学生的实践能力,使学生学会在生活中科学地解决日常生活中的实际测量问题。这章内容最后设置了“化学中的职业—分析化学家”这样一个小栏目,使学生了解科学测量在化学分支学科—分析化学中的应用。
  
  3单位教学的策略
  
  结合美国该化学教材中的单位教学内容,针对我国中学生在单位学习中存在的问题,我们提出以下一些具体的教学策略。
  3.1 化学教师应重视单位知识系统性的教学
  很多教师认为物理量和单位的学习是数学和物理学科的教学内容,经常忽视与物理和数学与化学知识的衔接部分内容的教学。事实上,学生在学习其他科目时已经初步学习了单位的一些知识,初中物理介绍单位是从物理学的角度来认识物理测量和单位。化学也是一门实验学科,在做化学实验时,也离不开测量,特别对以后从事化学研究的人员,需要做大量的化学测量工作。因此,在化学教学中进行单位教学,教师引导学生将所学知识加以整合、重视单位知识系统性的教学是突破单位教学的前提。
  3.2 系统地介绍国际单位制
  学生对国际单位制单位中的许多单位很熟悉,但是在学生头脑中,这些知识很零散,教师可以用学生已有知识,帮助学生理解新概念。当新概念形成时,人的大脑要把新概念同已有知识相比较、相联系,为新概念在已有的知识结构中寻找适当的位置,新概念就被联结为大脑中原有知识结构的一部分,从而被消化、吸收,这就是同化。中学生大脑里的知识结构比较简单,同化新概念的能力不强,这就要求教师努力调动学生已有的知识,调整学生头脑中的认知结构,帮助学生加强新旧概念间的联系,同化新概念。如,关于物质的量及其单位摩尔的新概念,对学生来说陌生又难懂,但如果将国际单位制系统地介绍之后,学生很自然的会将物质的量同质量、长度、时间等物理量联系起来,把摩尔同千克、米、秒等基本单位联系起来,学生就容易找到新旧概念的联结点,弄清概念间的关系,从而更好地编织单位知识网络。因此,系统地向学生介绍国际单位制内容是学生学好物质的量及其单位、化学反应、化学计算、热化学、反应速率和化学平衡先决条件,能促进后继理论知识的学习,有助于学生更好的解决发展过程中的各种问题和困难。
  3.3 练习巩固,强化理解
  学生在解决问题过程中,由于对所学新知识不是很熟悉,达不到运用自如的水平,习惯用旧方法解题,导致学生解决问题的能力很难提高,如用物质的量单位(摩尔)解题可以简化很多计算过程,但是学生在学习物质的量及其单位之后,依然用原来的相对原子质量等旧知识解题,由于计算量很大,往往导致结果出错,这就要求教师在学完新知识后,引导学生用新知识,新方法来解决实际问题,反复练习巩固,以强化学生对新知识的理解。
  化学单位知识是学生进行化学实验的基础。科学测量方法是综合知识、综合能力的体现,需要一定的数学、物理等知识作铺垫。单位教学内容的学习把科学带进学生生活,教会学生如何用科学测量的方法来处理一些生活中遇到的实际测量问题,有利于学生科学方法的掌握,科学测量观的形成。
  
  参考文献:
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