中学生化学“数据素养”的内涵与培养

摘要

《义务教育化学课程标准（2022年版）》注重培养学生的“数据素养”，尝试提出学生数据素养的内涵，着力培养学生的数据意识、数据知识、数据能力、数据思维四个维度的能力。化学教学中可以通过凸显大概念中“量”的特质、发挥“质量守恒定律”的科学本质、设计定量实验、发挥数字化实验的“量”变功能等教学实践活动培养学生的数据素养。

关键词

数据素养  大概念  化学实验  数字化实验  科学思维

引用格式

胡巢生.中学生化学“数据素养”的内涵与培养[J].教学与管理，2022（31）：61-63.

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）注重培养学生的数据素养，以及科学探究的能力，包括获取证据，分析解释数据，形成结论及建构模型;培养学生基本的化学实验技能，初步学会观察实验现象，并如实记录、处理实验数据。强调利用数字化实验装置改进传统实验，让学生凭借可视化的数据认识化学问题的本质，借以培养学生多视角收集证据解决化学问题的能力[1]。可见，“新课标”更加注重运用现代化技术手段，在科学探究与学科实践活动中培养学生的科学思维和创新意识，以构建化学观念，增进对化学学科本质的理解。

一、中学生化学“数据素养”的内涵

李新等认为数据素养是指人们对不断增长的数据进行管理、解释和批判思考的能力，更加强调数据应用与数据价值[2]。惠恭健、曾磊认为，数据意识、数据知识与技能、数据思维和数据道德规范构成数据素养四个维度，彼此相辅相成，相互作用，共同构成了学生数据素养发展的整体目标[3]。不同的人理解的学生数据素养既有共性又有差异，尚未在学理上形成共识。

化学数据反映化学实验事实，关于物质的组成、结构、性质特征的数字化表述是化学家科学探索、定量研究的实验（劳动）成果和智慧结晶[4]。中学生化学“数据素养”由数据意识、数据知识、数据能力、数据思维四个维度的能力共同构成，有利于形成看待化学问题、研究化学现象的视角，以及学习、研究化学的学科观念，增强学生的创新思维与能力，体现出“数据-认知-能力-智慧”螺旋上升、由基础到高阶的发展路径（如图1）。

数据意识是促进学生数据知识与数据能力获得的先决条件，对发展学生数据思维具有明显的动力推进作用。其内容包含认真对待数据，对数据价值有一定的敏感性与判断力，具有运用数据解决问题的需求、意识和态度。数据知识作为开展数据使用活动的核心，是加强数据意识、形成数据能力和发展数据思维的有力抓手，学生需要使用图表、图像等统计分析工具来理解数据，找寻数据中隐含的相关关系和因果关系，利用类比、推理、编码等信息处理方法获取、协调和存储观察到的现象和数据。数据知识的发展与丰富意味着对数据有了比较科学、准确、客观的认识。数据能力是在数据意识指导下的数据关系判定与证據推理等外显行为和能力表现，对提高学生的定量思维水平和推理能力发挥着关键作用。数据思维处于数据素养层级的最高层，是发展学生数据素养的高阶目标，是基于定“量”观念分析化学问题、建构化学概念、解决化学问题的核心思维方式。数据思维的形成提高了思维的精确度，对数据知识和数据能力的选择产生调控作用，让数据“发声”成为发挥数据价值、创造价值的关键。

二、中学生化学“数据素养”的培养路径

化学实验是唤醒学生数据意识、发展数据思维、形成数据观念的重要而有效的途径。“新课标”强调运用现代化技术手段，加强探究活动中的科学思维;运用实验传感器等多种技术手段表证化学反应中的物质变化[5]。因此，培养学生的化学数据素养，就是在提倡数据、基于数据的前提下，教师为学生创设项目，利用问题、情境展开一系列的体验和探究活动，利用传感器等多种技术手段将定性实验设计成定量实验，变“发光、发热、变色”等实验现象为具体的数据，引导学生在完成驱动性问题、有层级的实践探索的过程中，将数据意识、数据知识、数据能力有机融合，主动进行数据的搜集与甄选、处理与分析，发现细微变化，找寻规律，使之变为自己获得概念和进行解释的证据，利用数据将最终的学习成果进行展示、表达和分享交流。

1.凸显大概念中“量”的特质

重视大概念统领是“新课标”课程内容修订的重要理念。大概念反映学科本质，具有高度概括性、统摄性和迁移应用价值，强调以真实情境作为抓手，以迁移理解作为教学的核心诉求，是趋向整体育人的整合教学[6]。溶液主题内容蕴含的大概念有溶解限量：溶质、溶剂（定性）、溶质质量分数（定量）;溶液的组成：饱和溶液、不饱和溶液（定性）、溶解度、一定溶质质量分数溶液的配制（定量）;溶解度曲线、物质的分离与提纯等，形成了一个结构完整、逻辑关系明确的“知识体系”。笔者利用“限量、组成”大概念确定主题内容，由宏观到微观，由定性到定量，以实验设计与探究等系列活动发展学生的数据思维和证据推理能力，体现“核心知识”的结构化、系统化的建构过程，展现具有特质化的素养发展功能（如图2）。

2.挖掘化学原理中“量”的关系

质量守恒定律蕴含着质量关系和比例关系的“定量关系”大概念[7]。“新课标”中“物质的化学变化”主题要求：认识化学反应中的各物质间存在定量关系，化学反应遵守质量守恒定律;理解质量守恒定律的微观本质。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[8]。

教师引领学生在实验中寻找“量”的证据：“密闭体系”中“量”的证实与“开放体系”中“量”的证伪，再以硫酸铜溶液和氢氧化钠溶液反应为例，分析基于“整个体系”内各物质间存在的定量关系的思维框架（如图3），实现从“整个体系”到“具体反应”的思维转换，帮助学生厘清“证据”与“结论”的关系。使学生经历基于证据的科学推理和科学论证过程，理解化学变化中各物质的质量比恒定，形成基于比例关系对化学变化的定量认识和推理的思路和方法。

3.设计定量实验

定量实验包含实验目的、物质体系、实验装置、数据处理与误差分析等，学生需根据“实验目的”确定“物质体系”，设计实验装置、实验步骤，确定需测定的“数据”，通过证据推理获得结论，甚至建构模型[9]。通过反思实验过程中可能存在的“误差”，以优选试剂，减小实验系统误差等加深学生对误差分析的理解。整个过程中，需要学生遵循逻辑思维，具备一定的分析与判断、推理和论证能力。

为推测口罩熔喷布的组成，设计实验将该熔喷布在O2中完全燃烧，测得装置B、C中增加的质量分别为3.6g和8.8g，以判断熔喷布中聚乙烯分子中碳原子与氢原子的个数比。通过实验数据可知，碳元素的质量=8.8g×12/44×100%=2.4g;氢元素的质量=3.6g×2/18×100%=0.4g。计算熔喷布中碳原子与氢原子的个数比=2.4g/12：0.4g/1=1：2。由此构建出定量研究有机化合物组成的一般思路和方法（如图4）。

4.发挥数字化实验的“量”变功能

数字化实验能将实验过程中相关量的变化以曲线的形式呈现，有利于激发学生学习化学的兴趣，思考曲线变化的原因，将宏观变化与微观本质紧密结合，参与分析、推理、论证等高阶思维活动，以深化对化学概念的理解[10]。学生能逐步具有证据意识，知晓观点、证据与结论之间的逻辑关系，掌握验证观点正确与否的方法[11]。

“测定空气中氧气的含量”是初中化学中运用定量的方法研究一种气体混合物的实验，借以培养学生从“量”的视角进行误差分析的意识。有研究者利用氧气传感器分别测定了过量白磷、红磷燃烧过程中和装有过量铁粉的暖贴的集气瓶中氧气的浓度变化进行实时读数并绘图，培养学生四重表征思维和证据推理能力[12]。通过对曲线的起点、拐点和变化趋势进行分析发现：初始阶段，燃烧过程中放出的热量引起的压强增大大于消耗氧气造成的压强减小，且白磷表现更为显著，氧气浓度变化情况随着反应进行先减小至不再有明显的变化。装有暖贴的集气瓶中氧气浓度缓慢下降，且随着装置内氧气含量的减少，吸氧速率越来越慢，符合浓度对化学反应速率的影响规律[13]。

借助不同物质作为耗氧剂及其数字化实验效果，更加丰富了该实验的教学价值。知识层面上，能促进学生在更高思维层面理解实验原理，能在不断的设计、实验、反思中完善实验方法，有利于提高学生的思维能力、动手能力和创新意识。实验效果上，采用吸氧腐蚀原理比燃磷法测定空气中氧气含量更加接近真实值。在思维层面上，可以促进学生从“量”的高度审视实验数据的价值，潜移默化中帮助学生逐步形成数据观念，培养数据素养。从燃烧的条件看，可燃物在氧气中燃烧不仅温度要达到某一量值（即着火点），而且氧气浓度也须达到某一量值，且不同物质所需量值可能不同。由此得出测定混合物中某种物质含量的一般思路和方法：利用待測物和其他成分性质的差异，将混合物中的某一组分分离或除去的化学原理，测量得到间接量;借助仪器和计算等方式将间接量转化为可视化的数据，从而得出混合物中某成分的含量。

教师要精心营造平等和谐的课堂氛围，鼓励和指引学生能够基于观察实验搜集到的数据获得结论，以确保数据素养培育过程有“温度”。还要设计让学生说理的环节和设问，使学生能够运用“因果链”的表达方式进行理解与迁移，将结论获取的原因用语言进行表达并加以论证，从而使数据素养培育过程有“深度”。这种表达实则是思维的外显，是培养训练学生思维能力、基于证据进行分析推理的好方法，体现出化学知识的结构化和素养化的功能价值。

参考文献

[1][5][8] 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022：6-13，54，27.

[2] 李新，杨现民，晋欣泉.美国教师数据素养发展现状及其对我国的启示[J].现代教育技术，2019（04）：5-11.

[3] 惠恭健，曾磊.智能时代的数据素养：模型构建、指标体系与培养路径：基于国内外模型的比较分析[J].远程教育杂志，2021，39（04）：52-61.

[4] 靳莹.超越器物层面 思想创新先行[J].化学教学，2014（02）：7-11.

[6] 李凯，吴刚平.为素养而教：大概念教学理论指向与教学意蕴[J].比较教育研究，2022，44（04）：62-71.

[7] 胡巢生.基于学科核心素养的初中化学教学设计：以“质量守恒定律”为例[J].化学教学，2018（02）：45-49.

[9] 胡巢生.中学化学教师实验创新素养及其形成路径[J].中小学教师培训，2021（07）：20-23.

[10] 毕华林，迟岑迪.运用数字化实验促进学生理解化学概念[J].中小学数字化教学，2020（08）：5-9.

[11] 张婷，马宏佳.化学数字化实验影响学生概念改变的实证研究[J].化学教育，2017，38（09）：39.

[12] 朱如琴，高翔.指向学生辩证思维能力培养的课堂教学：以“探究燃烧与灭火”为例[J].化学教育（中英文），2019，40（17）：44-49.

[13] 徐泓，夏建华，盛恩宏.对“空气中氧气含量测定实验”的改进[J].化学教育（中英文），2018，39（05）：70-72.

*该文为江苏省教研室第13期立项课题“指向学科核心素养的初中化学单元整体教学设计的实践研究”（2019JK13-L410）、江苏省教育科学“十三五”规划立项课题“基于深度学习的初中化学单元整体教学设计研究”（D/2020/02/201）的研究成果