摘要

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》注重培養(yǎng)學(xué)生的“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”，嘗試提出學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)的內(nèi)涵，著力培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)意識(shí)、數(shù)據(jù)知識(shí)、數(shù)據(jù)能力、數(shù)據(jù)思維四個(gè)維度的能力。化學(xué)教學(xué)中可以通過(guò)凸顯大概念中“量”的特質(zhì)、發(fā)揮“質(zhì)量守恒定律”的科學(xué)本質(zhì)、設(shè)計(jì)定量實(shí)驗(yàn)、發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的“量”變功能等教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞

數(shù)據(jù)素養(yǎng)? 大概念? 化學(xué)實(shí)驗(yàn)? 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)? 科學(xué)思維

引用格式

胡巢生.中學(xué)生化學(xué)“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”的內(nèi)涵與培養(yǎng)[J].教學(xué)與管理，2022（31）：61-63.

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）注重培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，以及科學(xué)探究的能力，包括獲取證據(jù)，分析解釋數(shù)據(jù)，形成結(jié)論及建構(gòu)模型;培養(yǎng)學(xué)生基本的化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，初步學(xué)會(huì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并如實(shí)記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。強(qiáng)調(diào)利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生憑借可視化的數(shù)據(jù)認(rèn)識(shí)化學(xué)問(wèn)題的本質(zhì)，借以培養(yǎng)學(xué)生多視角收集證據(jù)解決化學(xué)問(wèn)題的能力[1]?？梢?jiàn)，“新課標(biāo)”更加注重運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)手段，在科學(xué)探究與學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識(shí)，以構(gòu)建化學(xué)觀念，增進(jìn)對(duì)化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的理解。

一、中學(xué)生化學(xué)“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”的內(nèi)涵

李新等認(rèn)為數(shù)據(jù)素養(yǎng)是指人們對(duì)不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、解釋和批判思考的能力，更加強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)應(yīng)用與數(shù)據(jù)價(jià)值[2]。惠恭健、曾磊認(rèn)為，數(shù)據(jù)意識(shí)、數(shù)據(jù)知識(shí)與技能、數(shù)據(jù)思維和數(shù)據(jù)道德規(guī)范構(gòu)成數(shù)據(jù)素養(yǎng)四個(gè)維度，彼此相輔相成，相互作用，共同構(gòu)成了學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)發(fā)展的整體目標(biāo)[3]。不同的人理解的學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)既有共性又有差異，尚未在學(xué)理上形成共識(shí)。

化學(xué)數(shù)據(jù)反映化學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，關(guān)于物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)特征的數(shù)字化表述是化學(xué)家科學(xué)探索、定量研究的實(shí)驗(yàn)（勞動(dòng)）成果和智慧結(jié)晶[4]。中學(xué)生化學(xué)“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”由數(shù)據(jù)意識(shí)、數(shù)據(jù)知識(shí)、數(shù)據(jù)能力、數(shù)據(jù)思維四個(gè)維度的能力共同構(gòu)成，有利于形成看待化學(xué)問(wèn)題、研究化學(xué)現(xiàn)象的視角，以及學(xué)習(xí)、研究化學(xué)的學(xué)科觀念，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力，體現(xiàn)出“數(shù)據(jù)-認(rèn)知-能力-智慧”螺旋上升、由基礎(chǔ)到高階的發(fā)展路徑（如圖1）。

數(shù)據(jù)意識(shí)是促進(jìn)學(xué)生數(shù)據(jù)知識(shí)與數(shù)據(jù)能力獲得的先決條件，對(duì)發(fā)展學(xué)生數(shù)據(jù)思維具有明顯的動(dòng)力推進(jìn)作用。其內(nèi)容包含認(rèn)真對(duì)待數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)價(jià)值有一定的敏感性與判斷力，具有運(yùn)用數(shù)據(jù)解決問(wèn)題的需求、意識(shí)和態(tài)度。數(shù)據(jù)知識(shí)作為開(kāi)展數(shù)據(jù)使用活動(dòng)的核心，是加強(qiáng)數(shù)據(jù)意識(shí)、形成數(shù)據(jù)能力和發(fā)展數(shù)據(jù)思維的有力抓手，學(xué)生需要使用圖表、圖像等統(tǒng)計(jì)分析工具來(lái)理解數(shù)據(jù)，找尋數(shù)據(jù)中隱含的相關(guān)關(guān)系和因果關(guān)系，利用類比、推理、編碼等信息處理方法獲取、協(xié)調(diào)和存儲(chǔ)觀察到的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)知識(shí)的發(fā)展與豐富意味著對(duì)數(shù)據(jù)有了比較科學(xué)、準(zhǔn)確、客觀的認(rèn)識(shí)。數(shù)據(jù)能力是在數(shù)據(jù)意識(shí)指導(dǎo)下的數(shù)據(jù)關(guān)系判定與證據(jù)推理等外顯行為和能力表現(xiàn)，對(duì)提高學(xué)生的定量思維水平和推理能力發(fā)揮著關(guān)鍵作用。數(shù)據(jù)思維處于數(shù)據(jù)素養(yǎng)層級(jí)的最高層，是發(fā)展學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)的高階目標(biāo)，是基于定“量”觀念分析化學(xué)問(wèn)題、建構(gòu)化學(xué)概念、解決化學(xué)問(wèn)題的核心思維方式。數(shù)據(jù)思維的形成提高了思維的精確度，對(duì)數(shù)據(jù)知識(shí)和數(shù)據(jù)能力的選擇產(chǎn)生調(diào)控作用，讓數(shù)據(jù)“發(fā)聲”成為發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值、創(chuàng)造價(jià)值的關(guān)鍵。

二、中學(xué)生化學(xué)“數(shù)據(jù)素養(yǎng)”的培養(yǎng)路徑

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是喚醒學(xué)生數(shù)據(jù)意識(shí)、發(fā)展數(shù)據(jù)思維、形成數(shù)據(jù)觀念的重要而有效的途徑?！靶抡n標(biāo)”強(qiáng)調(diào)運(yùn)用現(xiàn)代化技術(shù)手段，加強(qiáng)探究活動(dòng)中的科學(xué)思維;運(yùn)用實(shí)驗(yàn)傳感器等多種技術(shù)手段表證化學(xué)反應(yīng)中的物質(zhì)變化[5]。因此，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)數(shù)據(jù)素養(yǎng)，就是在提倡數(shù)據(jù)、基于數(shù)據(jù)的前提下，教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目，利用問(wèn)題、情境展開(kāi)一系列的體驗(yàn)和探究活動(dòng)，利用傳感器等多種技術(shù)手段將定性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成定量實(shí)驗(yàn)，變“發(fā)光、發(fā)熱、變色”等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為具體的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生在完成驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題、有層級(jí)的實(shí)踐探索的過(guò)程中，將數(shù)據(jù)意識(shí)、數(shù)據(jù)知識(shí)、數(shù)據(jù)能力有機(jī)融合，主動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的搜集與甄選、處理與分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)微變化，找尋規(guī)律，使之變?yōu)樽约韩@得概念和進(jìn)行解釋的證據(jù)，利用數(shù)據(jù)將最終的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行展示、表達(dá)和分享交流。

1.凸顯大概念中“量”的特質(zhì)

重視大概念統(tǒng)領(lǐng)是“新課標(biāo)”課程內(nèi)容修訂的重要理念。大概念反映學(xué)科本質(zhì)，具有高度概括性、統(tǒng)攝性和遷移應(yīng)用價(jià)值，強(qiáng)調(diào)以真實(shí)情境作為抓手，以遷移理解作為教學(xué)的核心訴求，是趨向整體育人的整合教學(xué)[6]。溶液主題內(nèi)容蘊(yùn)含的大概念有溶解限量：溶質(zhì)、溶劑（定性）、溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（定量）;溶液的組成：飽和溶液、不飽和溶液（定性）、溶解度、一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液的配制（定量）;溶解度曲線、物質(zhì)的分離與提純等，形成了一個(gè)結(jié)構(gòu)完整、邏輯關(guān)系明確的“知識(shí)體系”。筆者利用“限量、組成”大概念確定主題內(nèi)容，由宏觀到微觀，由定性到定量，以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究等系列活動(dòng)發(fā)展學(xué)生的數(shù)據(jù)思維和證據(jù)推理能力，體現(xiàn)“核心知識(shí)”的結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的建構(gòu)過(guò)程，展現(xiàn)具有特質(zhì)化的素養(yǎng)發(fā)展功能（如圖2）。

2.挖掘化學(xué)原理中“量”的關(guān)系

質(zhì)量守恒定律蘊(yùn)含著質(zhì)量關(guān)系和比例關(guān)系的“定量關(guān)系”大概念[7]?！靶抡n標(biāo)”中“物質(zhì)的化學(xué)變化”主題要求：認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)中的各物質(zhì)間存在定量關(guān)系，化學(xué)反應(yīng)遵守質(zhì)量守恒定律;理解質(zhì)量守恒定律的微觀本質(zhì)。學(xué)習(xí)利用質(zhì)量關(guān)系、比例關(guān)系定量認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)，認(rèn)識(shí)定量研究對(duì)化學(xué)科學(xué)發(fā)展的重大作用[8]。

教師引領(lǐng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中尋找“量”的證據(jù)：“密閉體系”中“量”的證實(shí)與“開(kāi)放體系”中“量”的證偽，再以硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)為例，分析基于“整個(gè)體系”內(nèi)各物質(zhì)間存在的定量關(guān)系的思維框架（如圖3），實(shí)現(xiàn)從“整個(gè)體系”到“具體反應(yīng)”的思維轉(zhuǎn)換，幫助學(xué)生厘清“證據(jù)”與“結(jié)論”的關(guān)系。使學(xué)生經(jīng)歷基于證據(jù)的科學(xué)推理和科學(xué)論證過(guò)程，理解化學(xué)變化中各物質(zhì)的質(zhì)量比恒定，形成基于比例關(guān)系對(duì)化學(xué)變化的定量認(rèn)識(shí)和推理的思路和方法。

3.設(shè)計(jì)定量實(shí)驗(yàn)

定量實(shí)驗(yàn)包含實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⑽镔|(zhì)體系、實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)處理與誤差分析等，學(xué)生需根據(jù)“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹贝_定“物質(zhì)體系”，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟，確定需測(cè)定的“數(shù)據(jù)”，通過(guò)證據(jù)推理獲得結(jié)論，甚至建構(gòu)模型[9]。通過(guò)反思實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能存在的“誤差”，以優(yōu)選試劑，減小實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差等加深學(xué)生對(duì)誤差分析的理解。整個(gè)過(guò)程中，需要學(xué)生遵循邏輯思維，具備一定的分析與判斷、推理和論證能力。

為推測(cè)口罩熔噴布的組成，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將該熔噴布在O2中完全燃燒，測(cè)得裝置B、C中增加的質(zhì)量分別為3.6g和8.8g，以判斷熔噴布中聚乙烯分子中碳原子與氫原子的個(gè)數(shù)比。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，碳元素的質(zhì)量=8.8g×12/44×100%=2.4g;氫元素的質(zhì)量=3.6g×2/18×100%=0.4g。計(jì)算熔噴布中碳原子與氫原子的個(gè)數(shù)比=2.4g/12：0.4g/1=1：2。由此構(gòu)建出定量研究有機(jī)化合物組成的一般思路和方法（如圖4）。

4.發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的“量”變功能

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)驗(yàn)過(guò)程中相關(guān)量的變化以曲線的形式呈現(xiàn)，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，思考曲線變化的原因，將宏觀變化與微觀本質(zhì)緊密結(jié)合，參與分析、推理、論證等高階思維活動(dòng)，以深化對(duì)化學(xué)概念的理解[10]。學(xué)生能逐步具有證據(jù)意識(shí)，知曉觀點(diǎn)、證據(jù)與結(jié)論之間的邏輯關(guān)系，掌握驗(yàn)證觀點(diǎn)正確與否的方法[11]。

“測(cè)定空氣中氧氣的含量”是初中化學(xué)中運(yùn)用定量的方法研究一種氣體混合物的實(shí)驗(yàn)，借以培養(yǎng)學(xué)生從“量”的視角進(jìn)行誤差分析的意識(shí)。有研究者利用氧氣傳感器分別測(cè)定了過(guò)量白磷、紅磷燃燒過(guò)程中和裝有過(guò)量鐵粉的暖貼的集氣瓶中氧氣的濃度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)讀數(shù)并繪圖，培養(yǎng)學(xué)生四重表征思維和證據(jù)推理能力[12]。通過(guò)對(duì)曲線的起點(diǎn)、拐點(diǎn)和變化趨勢(shì)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：初始階段，燃燒過(guò)程中放出的熱量引起的壓強(qiáng)增大大于消耗氧氣造成的壓強(qiáng)減小，且白磷表現(xiàn)更為顯著，氧氣濃度變化情況隨著反應(yīng)進(jìn)行先減小至不再有明顯的變化。裝有暖貼的集氣瓶中氧氣濃度緩慢下降，且隨著裝置內(nèi)氧氣含量的減少，吸氧速率越來(lái)越慢，符合濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律[13]。

借助不同物質(zhì)作為耗氧劑及其數(shù)字化實(shí)驗(yàn)效果，更加豐富了該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值。知識(shí)層面上，能促進(jìn)學(xué)生在更高思維層面理解實(shí)驗(yàn)原理，能在不斷的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、反思中完善實(shí)驗(yàn)方法，有利于提高學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。實(shí)驗(yàn)效果上，采用吸氧腐蝕原理比燃磷法測(cè)定空氣中氧氣含量更加接近真實(shí)值。在思維層面上，可以促進(jìn)學(xué)生從“量”的高度審視實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的價(jià)值，潛移默化中幫助學(xué)生逐步形成數(shù)據(jù)觀念，培養(yǎng)數(shù)據(jù)素養(yǎng)。從燃燒的條件看，可燃物在氧氣中燃燒不僅溫度要達(dá)到某一量值（即著火點(diǎn)），而且氧氣濃度也須達(dá)到某一量值，且不同物質(zhì)所需量值可能不同。由此得出測(cè)定混合物中某種物質(zhì)含量的一般思路和方法：利用待測(cè)物和其他成分性質(zhì)的差異，將混合物中的某一組分分離或除去的化學(xué)原理，測(cè)量得到間接量;借助儀器和計(jì)算等方式將間接量轉(zhuǎn)化為可視化的數(shù)據(jù)，從而得出混合物中某成分的含量。

教師要精心營(yíng)造平等和諧的課堂氛圍，鼓勵(lì)和指引學(xué)生能夠基于觀察實(shí)驗(yàn)搜集到的數(shù)據(jù)獲得結(jié)論，以確保數(shù)據(jù)素養(yǎng)培育過(guò)程有“溫度”。還要設(shè)計(jì)讓學(xué)生說(shuō)理的環(huán)節(jié)和設(shè)問(wèn)，使學(xué)生能夠運(yùn)用“因果鏈”的表達(dá)方式進(jìn)行理解與遷移，將結(jié)論獲取的原因用語(yǔ)言進(jìn)行表達(dá)并加以論證，從而使數(shù)據(jù)素養(yǎng)培育過(guò)程有“深度”。這種表達(dá)實(shí)則是思維的外顯，是培養(yǎng)訓(xùn)練學(xué)生思維能力、基于證據(jù)進(jìn)行分析推理的好方法，體現(xiàn)出化學(xué)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化和素養(yǎng)化的功能價(jià)值。

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*該文為江蘇省教研室第13期立項(xiàng)課題“指向?qū)W科核心素養(yǎng)的初中化學(xué)單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐研究”（2019JK13-L410）、江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃立項(xiàng)課題“基于深度學(xué)習(xí)的初中化學(xué)單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)研究”（D/2020/02/201）的研究成果