基于課程標準要求的“物質的量”單元教學設計

經志俊

摘要： 基于《普通高中化學課程標準（2017年版）》的課程理念，依據“物質的量及其相關物理量”教與學的要求，對“物質的量”進行單元教學整體設計，探索如何激發學生興趣、化解學習難點、啟迪高級思維、促進學科核心素養發展。

關鍵詞： 課程標準； 物質的量； 學科核心素養； 單元教學設計

文章編號： 10056629（2018）9004606 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

“物質的量”是占據化學計量核心地位的物理量，基于物質的量認識物質組成及其化學變化是學習化學科學的重要方法。受抽象概念密集、學生認知水平和教師PCK等因素的影響[1～4]，物質的量的教與學長期以來都是高中化學的難點。

基于《普通高中化學課程標準（2017年版）》的課程理念，依據“物質的量及其相關物理量”教與學的要求（見表1），借鑒近年來的相關研究成果[5～8]，對“物質的量”進行了單元教學設計。

1 單元教學目標

（1） 建構“阿伏伽德羅常數”“摩爾”“物質的量”“摩爾質量”“氣體摩爾體積”“物質的量濃度”等核心概念，體驗“歸納”“類比”“定義”等方法的應用。

（2） 理解“n=N/NA”“n=m/M”“n=V/Vm”“n=c·V（aq）”“c（濃）·V（濃）=c（稀）·V（稀）”“c=1000mL·ρ·w/M·1L”等計算公式，能正確運用公式進行簡單計算。

（3） 基于物質的量認識物質組成及其變化，體驗物質的量在定量分析中的價值。

（4） 通過“摩爾質量與相對分子（原子）質量數值關系”的數學認證，學習運用數學方法解決化學問題，領悟選擇“0.012kg 12C所含碳原子數”定義NA的匠心。

（5） 通過圍繞“阿伏伽德羅定律”的分析推理，深化對氣體摩爾體積的認識，建構并理解阿伏伽德羅定律及其重要推論，體驗“控制變量法”“抓主要矛盾”“證據推理”等方法的應用。

（6） 通過“配制1.00mol·L-1NaCl（H2SO4）溶液”的實驗探究，學會依據實驗目的與原理選擇實驗儀器、規范實驗操作、評價實驗結果。

2 教學主體環節

2.1 建構核心概念，掌握基本運算

以實驗中的真實問題為起點，從化學計量的實際需要出發，研究如何在難以直接稱量的微觀粒子與可稱量的宏觀物質之間架設橋梁？建構固體質量、氣體體積或溶液體積與微粒數目間的換算關系。

2.1.1 情境引發問題，問題驅動創新

以實驗室制備氫氣的真實實驗為情境，引發“①‘Zn+2HClZnCl2+H2↑可傳遞出哪些定量信息？②實際操作中怎樣定量控制反應物的投入？③如何分析制備一定體積的氫氣理論上需要的鋅的質量和鹽酸的體積？”等問題的討論，達成化學需要一種新的計量方法，在固體質量（m）、氣體體積（V）或溶液體積[V（aq）]與微粒數目（N）之間架設橋梁的共識。

2.1.2 聚焦微粒集體，架設宏微橋梁

以“6.02×1023個微粒的質量”為情境（見圖1），通過“①如何由固體質量求算微粒數目？②如何解決單個微粒無法直接稱量的難題？③選擇多大規模的微粒集體能給實際應用帶來最大便捷？”等問題的討論，發現“6.02×1023個微粒”的質量（以克為單位）與其相對分子（原子）質量數值相等的事實，

作出用“6.02×1023個微粒的集體”在難以直接稱量的微觀粒子與可稱量的宏觀物質之間架設橋梁的選擇。

通過“微粒的數目=物質質量/單個微粒的質量”“微粒集體的數目=物質質量/微粒集體的質量”“6.02×1023個微粒集體的數目=物質質量/6.02×1023個微粒集體的質量”的思維進階，為核心概念建構奠定基礎。

2.1.3 把握概念關聯，實施因材施教

梳理物質的量及其相關物理量的內在知識關聯，靈活選擇概念建構的認知路徑，引導學生在自主建構核心概念的過程學會選擇和使用方法。

（1） 順藤摸瓜建構核心概念。

利用“6.02×1023是阿伏伽德羅常數的近似值”“NA是物理量單位摩爾的基準”“摩爾是物質的量的單位”“每摩爾物質含NA個構成微粒”等核心概念間的內在關聯，從“6.02×1023”出發，通過順藤摸瓜漸次完成對“阿伏伽德羅常數、摩爾、物質的量”的學習進階（見圖2）。

（2） 類比遷移建構核心概念。

利用“n=N/NA與n=m/M”的計算原理相同，從“n=N/NA”類比遷移出“n=m/M”，通過剖析“n=m/M”的物理意義及各物理量的單位，辨析6.02×1023個微粒質量與1mol微粒質量的關系，建構摩爾質量的相關概念；利用“M與Vm”概念相近，從摩爾質量類比遷移出氣體摩爾體積的相關概念（見表2）。

（3） 自主定義建構核心概念。

利用“m（溶質）=m（溶液）×w”的知識儲備，通過“①溶質物質的量與溶液體積、溶液濃度存在什么數學關系？②選擇什么樣的濃度單位便于由溶液體積快捷求算溶質物質的量？”等問題的討論，依據“n=V（aq）×溶液濃度”并結合n、 V（aq）的單位，確定溶液濃度以“mol·L-1”為單位，從濃度單位“mol·L-1”的意義出發定義物質的量濃度的相關概念[物質的量濃度（cB）： 用單位體積溶液里所含溶質B的物質的量所表示的濃度，單位： mol·L-1，數學表達式： cB=nB/V（aq）]。

2.1.4 掌握計算方法，體驗學習價值

運用物質的量、摩爾質量、氣體摩爾體積、物質的量濃度之間的相互關系進行簡單計算，基于物質的量認識物質組成及其化學變化，體驗物質的量在定量研究中的重要價值。

（1） 正確運用公式，形成計算中心。

設計單向型換算（見表3），通過物質的量與微粒數目（物質質量、氣體體積、溶液濃度）間的相互換算，深化對換算公式的理解，通過將物理量單位代入計算關系式，養成規范表達計算過程的習慣。

設計開放型換算（見表4、表5），通過物質的量與微粒數目、物質質量、氣體體積、溶液濃度間的多向換算，形成以物質的量為中心的計算關系網（見圖4），養成以物質的量為中心的計算習慣。

（2） 拓展分析視角，體驗學習意義。

以“一氧化碳還原氧化鐵”為例，通過質量、微粒數和物質的量關系的轉換（見圖5），形成“化學反應中各物質的物質的量之比等于化學方程式中的化學計量數之比”“物質組成中的微粒數目之比等于各微粒的物質的量之比”的結論。

以“鋅和1mol·L-1鹽酸反應制備氫氣”為例，依據“Zn+2HClZnCl2+H2↑”計算實驗室制備標準狀況下2.24L H2，理論上需要消耗鋅的質量和鹽酸溶液的體積。引導學生學會基于物質的量認識物質組成與化學變化，形成以物質的量為中心的定量分析視角，體驗在化學計量中引入物質的量的意義。

2.2 探究真實問題，引導深度學習

以學習過程中的情感體驗“神”“奇”“爽”為抓手（見圖6），引導學生圍繞“為什么摩爾質量以g·mol-1為單位時，在數值上等于其相對原（分）子質量？”“為什么標準狀況下，1mol任何氣體的體積均約為22.4L？”“如何知道溶液的物質的量濃度？”等問題展開深度探究。

2.2.1 數學認證，在問題解決中拓展視野

以“為什么選擇‘0.012kg 12C所含有的碳原子數作為摩爾的基準？”“為什么摩爾質量（M）以g·mol-1為單位時，在數值上等于其相對原子質量（Ar）或相對分子質量（Mr）？”為探究主題，以數學推演為探究方法，通過問題解決拓展學生視野，欣賞選擇“0.012kg 12C所含的碳原子數”定義NA的慧眼與匠心。

2.2.2 分析推理，在問題解決中學習方法

以“為什么標準狀況下，1mol任何氣體的體積均約為22.4L？為什么相同條件下1mol不同固（液）體物質的體積不同？”為探究主題，以分析推理為探究手段，從影響物質體積大小的因素出發，運用“控制變量”“抓主要矛盾”“證據推理”“邏輯推理”“數學推導”等研究方法，逐步得出“1mol不同固體或液體體積不同”“同溫同壓下，相同體積的氣體具有相同數目的分子（阿伏伽德羅定律）”“標準狀況下，1mol任何氣體的體積均約為22.4L”“同溫同壓下，氣體的體積比等于分子的物質的量之比”“同溫同壓下，氣體的密度比等于摩爾質量之比”等結論（見圖7）。通過問題解決學習研究方法，建構思維模型。

2.2.3 實驗探究，在問題解決中提升能力

以“如何用氯化鈉固體配制100mL 1.00mol·L-1 NaCl溶液？”為探究主題，以實驗探究為探究形式，結合物質的量濃度的數學表達式，認識實驗的關鍵在于“精確控制溶質物質的量和溶液體積”，并依據實驗精度要求選擇實驗儀器，在明確容量瓶的構造與使用方法的基礎上，明確溶液配制的實驗流程（見圖8），依據流程規范實驗操作，分組完成100mL 1.00mol·L-1NaCl溶液的配制。

3 設計說明與建議

“物質的量”單元教學設計力求體現《普通高中化學課程標準（2017版）》的課程基本理念，以期達到在建構和運用知識的過程中激發學生的學習興趣、化解學習難點，在探究和解決問題的過程中啟迪高級思維、促進學科核心素養發展的效果。

3.1 教學目標指向學科核心素養

從化學知識與技能的學習、化學思想觀念的建構、科學探究與問題解決能力的發展、創新意識和社會責任感的形成等多個方面體現化學學科核心素養的水平要求，讓學科核心素養的發展水平可觀察、能評價。

教學目標（1）～（3），面向全體學生，指向高中畢業生應該達到的合格要求所對應的學業質量水平。教學目標（4）～（6），關注差異發展，指向化學學業水平等級考試要求所對應的學業質量水平。

3.2 注重知識關聯和認知思路的結構化

從“橫向延伸”和“縱向發展”兩條線索，基于知識關聯和認知路徑，梳理物質的量及其相關核心知識間的內在聯系（見圖9）。存在遞進關系的概念，采用“連橫”策略循序漸進完成概念的橫向延伸；存在并列關系的概念，采用“合縱”策略類比遷移促成概念的縱向發展。

從影響物質體積大小的因素出發，結合問題解決過程中的方法應用，建構探究物質體積大小影響因素及規律的思維模型（見圖7）。

3.3 真實問題情境促進學習方式轉變

選擇“實驗室用鋅和稀鹽酸反應制備氫氣”的真實情境，導出“實驗中怎樣定量控制反應物的投入？如何分析制備一定體積的氫氣理論上需要的鋅的質量和鹽酸的體積？”等實際問題，結合問題解決的進程逐步展開建構學習、探究學習和問題解決學習。

基于“100mL 1.00mol·L-1NaCl溶液”的真實任務，采用小組合作、實驗探究、討論交流等多樣化方式，通過設計實驗方案，實施實驗操作，評價實驗結果等，學會溶液配制的基礎知識與基本技能。

3.4 實驗探究活動強調高級思維過程

設置配制“1.00mol·L-1 NaCl溶液”和“1.00mol·L-1 H2SO4溶液”的學生實驗，引導學生依據實驗目的計算所需NaCl質量和濃硫酸體積、選擇實驗儀器、規范實驗操作，依據實際操作評價實驗結果。在探究活動過程中手腦并用，強調高級思維過程。

3.5 課時安排建議

“物質的量”單元教學設計建議分4課時組織實施，其中“建構核心概念，掌握基本計算”安排2課時、“探究真實問題，引導深度學習”安排2課時。

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