融入科學史和實驗探究的“氣體摩爾體積”教學

徐宇峰 彭小平

摘要：分析了與“氣體摩爾體積”相關的文本內容和以往的研究，針對學生在學習“氣體摩爾體積”時所遇到的困難，在教學中以科學史為線索梳理概念的產生和發展，在實驗探究中明確概念的內涵和外延，促進學生對科學本質的進一步認識。

關鍵詞：科學史；實驗探究；氣體摩爾體積；學習困難；化學教學

文章編號：1005–6629（2016）6–0052–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

“氣體摩爾體積”是中學化學中的基本概念，是“物質的量”概念群中一個重要的換算工具。它體現了氣態物質的物理特性，是對氣體分子存在和運動的微觀特征的抽象概況。與“氣體摩爾體積”相關的科學史非常豐富，將科學史和實驗探究融入到教學中能促進學生對科學概念的深刻理解，也有助于學生形成正確的科學本質觀。

1 課程標準、教材等文本分析

《普通高中化學課程標準》中對“氣體摩爾體積”沒有提出具體要求，但是在第三部分“內容標準”的“主題1認識化學科學”中提出：“認識摩爾是物質的量的基本單位，能用于進行簡單的化學計算，體會定量研究的方法對研究和學習化學的重要作用。認識實驗、假說、模型、比較、分類等科學方法對化學研究的作用。”《浙江省普通高中學科指導意見（2014版）》對“氣體摩爾體積”提出了明確要求，其基本要求是：“知道不同聚集狀態物質的一些特性，了解影響氣體體積的主要因素，初步學會用氣體摩爾體積進行簡單計算”；發展要求是：“初步了解阿伏伽德羅定律及其推論”。

人教版、魯科版和蘇教版三本教材有關“氣體摩爾體積”的內容相似。均通過計算1mol不同的固體、液體和氣體的體積，比較數據后得出結論： 1mol不同的固體、液體的體積是不同的，在一定溫度、壓強下1mol不同氣體的體積近似相同；利用圖示，指出“微粒大小和微粒間距”對具有相同微粒數的物質體積的影響；引出“氣體摩爾體積”概念和阿伏伽德羅定律。三本教材都遵循“宏觀現象-數據探究-微觀解釋-獲得概念”的編排邏輯，符合學生的一般認知規律，體現了數據分析、邏輯推理的理性思維和對氣體分子微觀狀態的想象力，將氣體體積和物質的量之間建立橋梁，簡化了通過質量、密度計算體積的過程，突出了“氣體摩爾體積”的實用價值。

三本教材在具體內容編排上各具特點。人教版利用實驗和方程式計算分析電解水中氫氣和氧氣的體積比和物質的量之比，該過程中已經隱含了阿伏伽德羅定律的內容，為后續學習打下基礎。特別強調了氣體摩爾體積的數值并非一成不變，拓寬了學生對概念的認識。魯科版以“摩爾質量和氣體摩爾體積”為標題，點出這兩個概念具有共同的“橋梁”的作用和價值；在數據呈現中增加了不同溫度、壓強下氣體的體積，隱含了氣體體積和壓強、溫度之間的比例關系，更豐富的數據使結論更具有說服力；在“資料在線”欄目中簡單介紹了阿伏伽德羅和阿伏伽德羅定律。蘇教版是在“物質的聚集狀態”標題中介紹“氣體摩爾體積”的，先從微觀角度分析了固體、液體和氣體在“可壓縮性”上的差異性，充分聯系了學生已有的知識和經驗，并拓展到“液晶”的物質狀態，展示了更加廣闊的視野。

2 “氣體摩爾體積”相關的教學研究

“氣體摩爾體積”并非是教學研究的熱點內容，以“氣體摩爾體積”為主題，從中國知網查閱近十年文獻，主要是關于試題歸類、解題技巧方面，其次是關于測定氣體摩爾體積的實驗設計及改進，聚焦在課堂教學方面的文獻不到10篇。張曉銀充分發掘教材內容，探討如何根據數據討論獲得概念[1]；陸余平、徐星瑪、張林萍等在“科學探究五階段”、“教育時機理論”、“翻轉課堂”等理論指導下進行教學設計和實踐[2～4]；陳玉榮通過多個創新實驗，將抽象的微觀的問題轉化為宏觀可視的實驗現象[5]；歷晶等以化學課堂結構的CPCP模型為基本工具，討論了“氣體摩爾體積”教學中的教學邏輯，指出該教學體現了典型的“歸納提升”的科學概念形成方式[6]；江敏老師根據固體、液體和氣體的摩爾體積差異性，引導學生“拆分”不同狀態物質的體積，從微觀角度“看到”了原子和分子相對大小、原子排列方式和分子中原子的連接方式差異性以及氣體分子周圍巨大的空間，幫助學生形成氣體摩爾體積的概念[7]。上述研究均注重數據，從微觀角度建立“分析模型”，鍛煉了學生的數據分析、歸納能力和想象力，提高了學生抽象思維水平。筆者認為，科學概念是科學知識體系的根基，學生不僅要關注概念“是什么”和“怎么用”，也要關注“為什么”，即概念產生的原因以及這個概念和其他知識的聯系。這對學生掌握概念和理解科學本質都有很大的意義。

3 學生學習困難分析

筆者對高中不同層次學校和不同年級學生學習和運用“氣體摩爾體積”進行調查和訪談后，發現學生主要存在三方面的學習困難：

一是學生對“Vm”、“22.4L/mol”和外界條件之間的關系認識過于僵化。常常將“在標準狀況下，1mol任何氣體的體積約為22.4L”推演到“1mol任何氣體的體積為22.4L時，一定在標準狀況”，或者“不在標準狀況下，1mol任何氣體的體積就不為22.4L”。從調查情況看，高一高二學生普遍存在這個相異構想，高三學生在通過大量訓練后已經有正確結論，但是在進一步要求分析原因時，他們往往只能停留在宏觀層面（溫度和壓強），并不能主動從微觀角度進行解釋。

二是學生從應用角度出發簡單地將“摩爾質量”和“氣體摩爾體積”的概念意義視為相同。實際上，“摩爾質量”與物質種類有關，與外界條件（溫度、壓強）無關，所以不同物質的摩爾質量一般不相同，而“氣體摩爾體積”隨著外界條件（溫度、壓強）的改變而改變，與氣體種類基本無關，即對純凈氣體還是混合氣體均大體適用。

三是學生已有的知識和生活經驗對“氣體摩爾體積”的正確理解和運用造成很多困難。學生對氣體的物理性質理解主要是建立在宏觀現象和符號計算的基礎上，并“沒有真正構建起合理的氣體微觀認識”[8]。特別是將液體的物理性質（酒精與水混合時的體積變化）錯誤地遷移到氣體的性質上。

筆者認為，讓學生在一個合適的情境中了解“氣體摩爾體積”以及相關概念形成的歷史過程，既有利于克服上述學習困難，又能有助于學生對科學本質形成更加深刻的認識。

4 與“氣體摩爾體積”有關的科學史

與“氣體摩爾體積”有關的科學史非常豐富，具體內容如表1所示[9]：

在上述科學史中，還需要特別說明的是：

1807年英國化學家道爾頓正式發表科學原子論，該理論能完美地解釋當時的許多科學事實（如質量守恒定律、倍比定律等），所以很快就被廣泛接受。1808年法國化學家蓋·呂薩克提出氣體化合體積實驗定律后，結合原子論觀點提出了一個新的假說：在同溫同壓下，相同體積的不同氣體含有相同數目的原子。

然而，道爾頓認為不同元素的原子大小不會一樣，其質量也不一樣，因而相同體積的不同氣體不可能含有相同數目的原子。如果相同體積中不同氣體的原子數相等，那么既然1體積氮和1體積氧化合生成2體積的氧化氮，則每個氧化氮原子中就應只含有半個氧原子和半個氮原子。原子不能分，半個原子是不存在的，這是當時原子論的一個基本點。于是雙方展開了激烈的學術爭論。

意大利物理學家阿伏伽德羅仔細地考察了蓋·呂薩克和道爾頓的爭執，發現了矛盾的焦點。1811年他根據蓋·呂薩克的氣體實驗事實，提出了分子的概念，進而修正了蓋·呂薩克的假說：“在同溫同壓下，相同體積的不同氣體具有相同數目的分子。”“原子”改為“分子”的一字之改，正是阿伏伽德羅假說的奇妙之處。對化合物而言，分子即相當于道爾頓所謂的“復雜原子”，對單質來說，同樣也包含這樣一個層次，只不過是由幾個相同原子結合成分子，從而使道爾頓的原子論和氣體化合體積實驗定律統一起來。

由于當時已知的氣體物質和容易氣化的物質數量有限，阿伏伽德羅缺乏充分的實驗論證，而且當時瑞典化學家貝采尼烏斯的“電化二元論”獲得人們的廣泛認可，根據“電化二元論”的理論，兩個同樣原子結合在一起構成分子，是難以想象的。因此直到1856年阿伏伽德羅逝世，分子假說仍然沒有被大多數化學家所承認。

因為不承認分子的存在，化合物的原子組成難以確定，原子量的測定和數據呈現一片混亂，難以統一，在有機化學領域中同樣產生極大的混亂。為解決這種混亂的局面，1860年9月在德國卡爾斯魯厄召開了國際化學會議。在意大利化學家康尼查羅（Stanislao Cannizzaro）的努力下，化學家們終于承認阿伏伽德羅的分子假說的確是扭轉這一混亂局面的唯一鑰匙。阿伏伽德羅的分子論終于被確認，分子假說成為了分子學說，人們對物質微觀世界的認識也由此前進了一大步。原子-分子論是化學符號表達的基礎，也是原子量測定工作的基礎，而原子量的測定是構建周期律周期表的重要依據。

從上述科學史，我們可以發現兩個結論：（1）阿伏伽德羅定律與“原子分子論”是緊密聯系的，科學理論是科學家根據大量實驗事實，經過了嚴謹而又充滿想象力的推理形成的，其中經歷了非常曲折的過程。（2）理想氣態方程是綜合了多個科學定律的結晶，反過來，“氣體摩爾體積”和“阿伏伽德羅定律”也可以從理想氣態方程推導獲得。

5 基于科學史的“氣體摩爾體積”教學

根據上述關于教材等文本的解讀、學生學習困難分析和有關的科學史資料，本節課的教學目標確定為：

①通過討論和實驗探究認識氣體摩爾體積與壓強、溫度之間的定性和定量關系。

②能從微觀角度解釋影響固體、液體和氣體體積的因素。

③通過閱讀、討論科學史，了解“氣體摩爾體積”及相關概念的產生背景和歷程，加深對科學本質的認識。

本節課分三個環節，每一個環節均按照圖1結構展開，以科學史為主線，以實驗探究為手段，遵循從感性認識到理性認識，從宏觀現象到微觀解釋，從定性到定量的認知規律，在回顧科學史和實驗探究中，引導學生對知識的理解和科學本質的認識不斷深入。

具體教學環節：

環節一 驗證波義耳定律

問題：在溫度不變的條件下，對一定量的氣體加壓或減壓，氣體的體積會如何變化？

引導：投影科學史資料，展示波義耳實驗圖片，簡述其過程。明確指出科學要基于經驗證據，讓學生了解“觀察”與“推論”之間的關系。

實驗：如圖2所示，緩緩推進帶刻度的玻璃注射器，每隔1cm記錄一次壓強數值，可以獲得氣體體積與壓強之間的反比例函數關系：V∝1/P。

討論：從微粒角度分析實驗數據可知，壓強改變，使氣體分子的間距改變，導致體積改變。

設計意圖：學生根據已有的生活經驗和知識，已經粗略了解到“氣體的壓強越大體積越小”，討論的目的是讓學生的認識從感性發展到理性，從定性發展到定量。回顧歷史，感悟科學發展中實驗的價值，利用數據化實驗更加精確、直觀地顯示出氣體壓強與體積之間的關系。

環節二 驗證蓋·呂薩克定律和阿伏伽德羅定律

問題：在壓強不變的條件下，對一定量的氣體升溫或降溫，氣體的體積會如何變化？

引導：投影科學史資料，介紹熱力學溫度。明確提出科學概念、理論是在實驗基礎上通過科學想象和推理形成的，它能解釋、預測一些現象，但往往不是“一錘定音”，在更多的事實面前需要不斷地修正甚至推翻原有的理論，形成新的理論。

實驗：如圖3所示，用毛巾將針筒“熱敷和冷敷”一段時間，記錄溫度和氣體體積變化，獲得氣體體積與熱力學溫度之間的正比例函數：V∝T。

討論：從微粒角度分析實驗數據可知，溫度改變，使氣體分子的間距改變，導致體積改變。

設計意圖：從調查情況看，高一的學生普遍知道“熱脹冷縮”，能舉例說明“踩扁的乒乓球放在熱水中能復原”，并能指出其原因是“微粒間的距離發生改變”。實驗和討論的目的是讓學生的認識從感性發展到理性，從定性發展到定量。利用數據化實驗更加精確、直觀地顯示出氣體溫度與體積之間的關系。回顧歷史，感受化學史的豐富內涵，有效激發學生興趣。

環節三 探究氣體混合時的體積變化，形成概念

問題：我們知道，酒精和水混合時，總體積會略微變小，這是因為微粒間存在間距。氣體分子之間的間距比液體分子的間距更大，當氣體混合時，體積會怎樣變化呢？

實驗：如圖4所示，兩個針筒分別裝有一定量的空氣和氯氣，用帶開關的玻璃管連接，記錄氣體刻度后，打開開關，可以看到黃綠色氣體逐漸擴散到另一個針筒，兩邊針筒的體積讀數沒有改變。

討論：從微觀角度分析實驗可知，恒溫恒壓下，任何氣體分子的間距是相等的，因此不反應的氣體混合時體積具有加合性。即：氣體體積與物質的量成正比例關系：V∝n。結合前面的實驗，可以獲得：V∝nT/P的關系式。

引導：展示不同溫度和壓強下，1mol不同氣體的體積數據。將這些數據代入到V∝nT/P，獲得一個常數R。投影科學史（理想氣態方程）資料。

討論：從上述信息中，引出“氣體摩爾體積”的概念，并發現該概念的實用價值。根據273K，101kPa，1mol代入計算獲得V約為22.4L。

討論：1.理想氣態方程和“22.4L/mol”的適用范圍和條件。2.結合數據和微觀分析，你認為需不需要引入“固體摩爾體積”和“液體摩爾體積”的概念？為什么？3.試比較“摩爾質量”和“氣體摩爾體積”兩個概念之間的差異性。

設計意圖：將學生的相異構想暴露出來，產生認知沖突，利用實驗明確：氣體分子間距由溫度和壓強決定，與氣體種類無關。當投影出“理想氣態方程”的科學史，學生發現這個結論居然與歷史上一模一樣時，不由地激動起來。他們體驗到探究的樂趣，充滿了成就感，再引出“氣體摩爾體積”概念時便水到渠成了。結合科學史、實驗和有關數據，獲得概念，在橫向（“固體摩爾體積”和“液體摩爾體積”）、縱向（“摩爾質量”和“氣體摩爾體積”）比較中明確了有關概念的內涵和外延。

6 教學反思

學生的學習困難是課堂教學設計的出發點和突破口。在學習本節課的核心內容之前，高一學生已經了解了：固體、液體、氣體三態的本質差異、“熱脹冷縮”現象及微觀解釋、酒精和水的混合時體積變化及微觀解釋等知識，這些知識是在實驗的基礎上，是經過邏輯推理，借助想象力獲得的。當研究對象轉移到氣體時，原有的知識經驗并不能順利解決問題，需要重新考察原有知識的合理性，再次通過實驗、推理和想象等方式建立氣體分子存在和運動的模型。這個演變過程并非是一帆風順的，而是“充滿著挫折、失敗、謬誤、猜想和頓悟的不斷探索的過程”[10]。已有研究表明，學生的相異構想往往也是在科學史上真實存在并長期困擾科學家的問題。因此，在教學中教師要充分聯系學生已有知識經驗，找到知識的生長點，又要有意識地暴露出學生的相異構想，引發學生的認知沖突，這樣可以激發學生學習興趣，有利于學生自主構建知識結構。

將科學史融入到教學中在科學教育中已經成為一種范式，它有助于學生對科學概念、原理的理解和認識。化學教育工作者需要廣泛地考察化學史，精心選取適于學生的理解水平又切合教學內容的科學史，有意識地將有關史實融入到教學中。龍琪在分析了阿伏伽德羅常數與物質的量概念的發展史后，建議“將阿伏伽德羅常數與摩爾、物質的量分開教學”、“將阿伏伽德羅常數與阿伏伽德羅定律合并教學”[11]。與“氣體摩爾體積”有關的科學史與“原子結構”、“原子分子論”和“阿伏伽德羅定律”聯系密切，也是“元素周期律”的基礎，如何將上述科學史與教學內容進行整合，促進學生正確科學本質觀的形成等問題值得我們進一步思考。

參考文獻：

[1]張曉銀.學會數據處理提升學生分析問題的能力——新課程摩爾質量和氣體摩爾體積的教學[J].中學化學教學參考，2005，（1-2）：35～36.

[2]陸余平.以化學建模方法設計“氣體摩爾體積”教學過程[J].化學教學，2007，（7）：43～44.

[3]徐星瑪，胡志剛.教育時機理論視域下的“物質的聚集狀態”教學設計分析[J].化學教學，2014，（8）：39～42.

[4]張林萍.基于“翻轉”理念下的高中化學課堂教學變革嘗試——以《化學1》“物質的聚集狀態”教學為例[J].化學教與學，2015，（4）：33～36.

[5]陳玉榮.設計創新實驗，突破教學難點[J].化學教學，2012，（4）：54～55.

[6]歷晶，鄭長龍，婁延果.“氣體摩爾體積"教學邏輯評析[J].化學教育，2011，（10）：37～40.

[7]江敏.架起宏觀與微觀之間的橋梁——從“氣體摩爾體積”到“火箭推進劑”（下）[J].中學化學教學參考，2013，（6）：1～8.

[8]徐宇峰.高中生對氣體體積理解的調查研究[J].化學教育，2013，（12）：44～45.

[9]趙匡華著.化學通史[M].北京：高等教育出版社，1990：107～125.

[10]朱鐵成，余霞瑩.科學教育中體現科學本質之探討[J].教育科學研究，2008，（8）：81～84.

[11]龍琪.關于“阿伏伽德羅常數”的教學思考[J].化學教學，2015，（8）：34～38.