基于高中化學核心素養模式下的教學——“氣體摩爾體積”教學設計

吉林

(作者單位：長春吉大附中實驗學校)

一、氣體摩爾體積教學背景分析

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》中對“氣體摩爾體積”沒有提出具體要求，但是在第四部分“課程內容”主題1化學科學與實驗探究中提出：了解物質的量及其相關物理量的含義和應用，體會定量研究在化學學科中的重要作用。

在中國知網網站中以“氣體摩爾體積”為關鍵詞進行文獻檢索，發現相關的教學案例較少。同時發現近十年來，與氣體摩爾體積有關的文獻主要是關于氣體摩爾體積測定的實驗方案改進以及與氣體摩爾體積相關的試題、解題技巧方面的內容。經過對文獻的分析研究，并結合在實際教學中學生有關氣體摩爾體積的學習情況，筆者發現學生們在學習過程中普遍存在如下問題：一、對于標準狀況下氣體摩爾體積的概念理解存在偏差，有學生認為只有在標準狀況條件下，1 mol任何氣體的體積才約為22.4 L，如果不在此條件下，1 mol任何氣體的體積就不為22.4 L；二、學生將摩爾質量與摩爾體積兩個概念等同處理，認為氣體摩爾體積也是一個固定值，與氣體種類有關，而忽略了外界條件對氣體摩爾體積的影響；三、學生在對氣體摩爾體積的理解僅僅停留在會用它進行計算，而并沒有理解其本質。

他的身下，是一朵碩大的水蓮花。那水蓮花從江面生出，晶瑩剔透，花瓣層疊，紋路清晰，道道水波在其中上下流轉。他就站在水蓮花正中的蓮蓬上，周圍的花瓣清晰地映出了他的影子。

因此，本文中的課程設計主題意在尋找氣體摩爾體積的“本源”，結合氣體摩爾體積相關的化學史，讓學生親自體會并參與理想氣體狀態方程的發現過程，并運用該方程自主推導出標準狀況下氣體摩爾體積的數值，加深學生對該問題的理解。

二、核心素養背景下的教學設計

1.教學目標

(1)通過對實驗數據的計算處理，宏觀層面上感受不同狀態下物質的體積變化規律，并能從定性和定量的角度得出不同狀態物質體積的變化規律，有利于提高學生運用證據解釋相關現象的能力。

(2)通過將實物對比、微粒間距示意圖、掃描隧道顯微鏡下固體形貌的照片以及氣體模擬示意圖相結合，建立宏觀與微觀相結合的思想，分析不同因素對物質體積的影響情況，有利于培養學生使用科學手段分析問題的能力。

2)以鄭煤集團白坪煤業公司東翼風井主要通風機為試驗對象，利用靜壓差法與動壓法對主要通風機風量進行了實測，2種方法的現場實測風量結果的相對誤差均小于6%，說明靜壓差法和動壓法的實測風量結果的準確度均能滿足現場工程需求；相同風機靜壓下，動壓法測試結果整體小于靜壓差法，現場實測結果驗證了前文中靜壓差法風量測試結果大于動壓法的理論分析結果。

(3)結合“氣體摩爾體積”相關的科學史實，模擬理想氣體狀態方程的推導歷程，體會科學探究的一般方法與思路，培養學生的科學探究意識。

(4)結合理想氣體狀態方程，自主推導標準狀況條件下氣體摩爾體積的數值，加深學生對氣體摩爾體積影響因素的理解，充分體現理論指導學習的重要性。

2.教學流程設計圖

根據表2，計算出項目年平均收益308 863元，項目初始投資額為2 840 000元，按照式（2）計算得出項目的投資年收益率為10.8%，低于三甲醫院平均基準收益率15%，說明該設備經濟運行一般。

圖1

3.教學流程

任務一：“摩爾體積”概念的引入

權力是一把雙刃劍。一方面，社會財富在權力的支配下向少數人手里集中，造就了一批百萬富翁、千萬富翁、億萬富翁，而社會底層則日趨貧困甚至民不聊生，大大激化了社會矛盾。另一方面，掌權者由于可以不勞而獲，日益驕奢淫逸、不思進取。這兩方面因素共同作用的最后結果，就是當權者下臺，政治權力發生更替。古今中外歷史上這樣的故事曾一再上演。20世紀90年代，蘇共失權就是比較典型的案例。

【問題情境】經過之前的學習可以了解到，通過物質的量這個橋梁可以將宏觀質量和微觀粒子數聯系起來，但在生活中并不是所有宏觀物質均能用質量來衡量，例如家用天然氣以立方米為單位計價，科學研究中測量氣體中的微量物質也是以多少mg·L-1計價，市售的氧氣也是以升為單位計價的，再例如淘寶上推薦的適合高原使用的氧氣瓶，每瓶8.2 L。那么大家是否想過這8.2 L氧氣中有多少氧氣分子呢？聯系宏觀體積和微觀個數的橋梁又是什么呢？

【學生活動】再次明確物質的量的橋梁作用，思考、類比、遷移說出體積與物質的量之間的橋梁——摩爾體積，并類比摩爾質量的定義，給出摩爾體積的定義。

自主論證這一活動的開展對學生學習能力的要求比較高，也是檢驗學生知識靈活運用能力的有效方式之一。所以，在核心素養下，為了鍛煉學生的邏輯推理能力，我們要給學生搭建自主論證的平臺，讓學生自主去尋找知識點之間的聯系，并通過一定的數學理論來對未知數學理論知識進行驗證，這樣不僅能夠提高學生的自主論證能力，也能讓學生在自主證明中形成一定的邏輯推理能力。

【設計意圖】利用學生認知的局限性，根據生活中的實例，設置問題沖突，引導學生發現問題，并利用類比的學習方法，尋找解決問題的途徑，在引入氣體摩爾體積概念之前，先讓學生了解摩爾體積這一新的名詞，循序漸進，為后續學習活動的展開做好鋪墊。

任務二：探究影響物質體積的因素

【學生活動】類比影響固、液體物質體積因素的討論過程，思考、交流，討論得出決定固體、液體體積大小的主要因素是粒子的大小，而決定氣體體積大小的主要因素是粒子間的距離。

【問題引導】已知20℃、101 kPa下三種固體物質和三種液體物質的密度，請大家利用已知數據分別計算1 mol下列六種物質的摩爾體積。現在開始計算，將計算結果寫在學案上。1 min后請小組派代表展示計算結果。

表1

【學生活動】小組合作，通過計算得出不同固體和液體的摩爾體積，并交流得出結論。

【成果展示】小組依次派代表匯報計算結果。

【問題引導】回顧剛剛的計算結果，1 mol固體和液體的體積相同嗎？對于固體和液體來說他們的摩爾體積有什么特別規律嗎？下面請分組討論，從微觀粒子的角度思考是哪些因素影響了上述物質的體積？

1.2.1常規檢查 常規檢查就是為患者進行體格檢查、體征檢查以及超聲檢查、軸移檢查等，為疑似膝關節前交叉韌帶損傷患者最先進行的檢查手段。

【學生活動】結合計算數據，分組討論，從微觀粒子角度考慮決定固體和液體物質體積大小的因素，小組代表交流討論結果，并互相改正、補充。

【設計意圖】引導學生從感性、理性兩方面認識事物客觀規律，培養科學歸納的能力。

【學生活動】由小組代表闡述討論結果。

【過渡】請同學們再看看剛剛的這組數據，在20℃、101 kPa 條件下，其摩爾體積數值是24，當壓強擴大一倍后其數值縮小一倍，變成12，而當溫度升高后，其數值也增加了，那氣體體積與溫度及壓強有怎樣的具體的數量關系呢？接下來跟著前人的足跡一起探究一下。

對于液體來說，雖然液體物質的體積可以發生改變，但其內部仍然是緊密堆積的模式。所以影響液體物質體積的因素和固體是一樣的。

(a)

(b)

(c)

【問題引導】既然這兩組數據成正比，那么結合數學中簡單的正比例函數y=kx，再利用剛剛提供的實驗數據，請同學們計算一下它們之間的正比例系數是多少？比例關系是什么樣的？將計算結果填在表5中。

【設計意圖】將微觀問題宏觀化，引導學生在腦海里建立理想模型，幫助學生理解決定物質體積大小的主要因素，形象地分析物質體積決定因素，對學生進行空間想象能力和邏輯推理能力的訓練。

【問題引導】物有三態，那氣體物質的摩爾體積又有什么樣的規律呢？表2也列出了20℃、101 kPa下三種氣體的密度，請大家計算一下它們的摩爾體積，并匯報計算結果。

常書銘強調，要深入貫徹落實習近平總書記“兩山”理論，以新理念引領新時代水保工作。黨的十九大就生態文明建設的發展理念、目標任務和戰略舉措作出了全面安排部署，提出了一系列新思想、新理念、新判斷。我省水土保持工作也要順應新時代發展要求，堅持科學理念引領，堅持問題導向，在工作思路、發展理念等方面作出調整和轉變。要牢固樹立人與自然和諧共生、綠水青山就是金山銀山的發展理念。要牢固樹立以人民為中心、三大效益兼顧的發展理念。要牢固樹立轉變政府職能、推進法治水保的發展理念。要牢固樹立科技水保、智慧水保的發展理念。

表2

【過渡】根據計算結果，大家是否發現了特殊的規律呢？為什么三種組成結構完全不同的三種氣體，其摩爾體積完全相同呢？

【過渡】當物質種類明確時，其摩爾質量是確定的，數值等于其相對原子或相對分子質量，那摩爾體積是不是也有這樣的規律呢？

【原理展示】與固體、液體相比，氣體分子的間距較大，從模擬圖中能看出粒子的間距已經遠遠超過粒子本身的大小，因此可以歸納出影響氣體物質體積的因素主要是粒子間的距離。

圖3

桑：寫作是將內心世界向外部世界推進的一種手段，是一種巨大的幸福，是一種奇妙的解脫和真正的生活。這當中，我拒絕一切陳規俗律的束縛，不顧一切，不惜任何代價地寫作，你無法想象我有多么狂熱地愛著《德克薩斯》，《德克薩斯》是我在最美的歲月中用靈魂創作的一部作品，傾注了我所有的情感與思想。它將是我一生的珍藏，我只將它獻給我最愛的人。我希望我的癡心傾注，能賦予作品一種內在激情及真實性。

【問題引導】那么影響粒子間距的因素又有哪些呢？其實這個問題在初中就已經學習過，例如熱脹冷縮的原理，乒乓球受熱膨脹的原因即為溫度升高，氣體分子間距增大，導致體積膨脹。

為了進一步證明剛剛的分析，請同學再看一組數據，這組數據再次證明只要確定了溫度和壓強，其摩爾體積就是固定的。

表3

【設計意圖】在明確主要影響因素的基礎上研究氣體，學生能夠對氣體的特點分析地更清晰，找到外界條件中的影響因素，明確討論氣體體積大小時必須規定溫度和壓強。既突破了從宏觀到微觀的難點，又培養了“透過現象，抓住本質”的辯證唯物主義認識觀點。

【概念理解】固體和液體摩爾體積沒有代表性，且規律性不強，而且這兩類物質用質量衡量的情況占多數，無需引入摩爾體積，但氣體不同，所以這里同學們要學習一個新的名詞——氣體摩爾體積。其定義為單位物質的量的氣體所具有的體積稱為氣體摩爾體積，通常用符號Vm表示；單位為L·mol-1或m3·mol-1。類比摩爾質量，由此可以得出摩爾體積的表達式。

【學生活動】思考、交流、討論引入氣體摩爾體積的原因。

【問題引導】隨著問題的研究深入，又出現了新的問題，通過前面分析請同學思考一下是否需要引入“固體摩爾體積”“液體摩爾體積”“氣體摩爾體積”三個概念呢？

【設計意圖】相對于直接給出氣體摩爾體積的概念，讓學生了解固、液、氣三種物質狀態的摩爾體積后，對比討論得出氣體摩爾體積的定義，更能進一步加深學生對該定義的理解，明確其重要性。

任務三：探究標準狀況下氣體摩爾體積

【原理展示】通過掃描隧道顯微鏡下固體形貌的照片可以看出，對于固體物質來說，粒子之間緊密排列，間距較小，相對于粒子本身的大小可以忽略不計，因此對于等物質的量的固體物質來說影響體積的因素主要是粒子本身的大小。如圖2(a)所示，鉛原子直徑較大，所以在三種物質當中，其摩爾體積最大。因此可以總結出影響固體物質體積的因素：粒子自身大小。但若不限制等物質的量，則微粒個數也是主要影響因素。

【史實展示】回顧“氣體摩爾體積”相關的科學史實，并將其轉化為不同物理量間的數學關系。

表4

【設計意圖】提供直觀形象的感性材料，學生受到啟發，輕松地得出粒子的大小、數目、粒子間距影響物質體積大小的結論，并進一步從微觀的角度分析影響固體和液體物質體積的具體因素。

表5

【學生活動】對數據進行處理計算，得出V、T、p、n之間的比例關系：pV=8.31nT。

【設計意圖】本環節以科學史為主線，以科學探究和數據處理為手段，遵循從感性認識到理性認識，從定性到定量的認知規律，在回顧科學史和數據處理的過程中，加深學生對知識的理解和科學本質的認識。

【歸納總結】其實這個規律早在1834年就已經發現了，并由此總結出了“理想氣體狀態方程——pV=nRT”，其中的R就是剛剛計算得到的系數，其數值經過科學家的嚴密計算約等于8.314。(此處需強調單位換算)

任務四：加深對標準狀況下氣體摩爾體積的理解

【過渡】下面請同學們利用理想氣體狀態方程計算0℃、101.35 kPa條件下的氣體摩爾體積。

【學生活動】利用已知公式和數據推導出標況下氣體摩爾體積Vm≈22.4 L·mol-1。

【歸納總結】因為0℃、101.35 kPa易于控制，且在科學計算中比較常用，因此可將其稱為標準狀況，簡稱標況，標況下的氣體摩爾體積為22.4 L·mol-1，在使用標況下的氣體摩爾體積進行計算的時候要注意(PPT展示注意事項)：

圖4

【學生活動】完成配套的課堂練習

【學以致用】1.解釋現象：為什么電解水實驗得到的氣體體積比為1∶2？

本工程根據工程規模、建設要求、茅洲河現場水域條件、自然與環境條件等影響因素進行選擇清淤設備及輸送方式。考慮到清淤范圍內水域深度較淺，周圍多為居民生活區，不適宜用清淤船舶和泥駁輸送方式進行清淤，故采用水上挖掘機清淤技術。運輸方面考慮到大型自卸車無法駛入河道，也不宜直接在截污箱涵頂面工作，建議在運輸方式上采用浮桶+船+自卸汽車。施工操作思路為：由水上挖掘機將挖上來的底泥放置到船上的浮桶中，由船將浮桶運送到岸邊的截污箱涵上，汽車吊將浮桶運到停放在堤頂路上的自卸汽車中，最后由自卸汽車統一運輸到附近的臨時處理場地進行處理。

2.解決實際問題：計算課堂開始前的8.2 L氧氣瓶中有多少氧氣分子？

【設計意圖】鞏固化學概念的建立過程，促進化學概念的應用。

三、教學反思

1.多線索、多角度聯動教學，促進化學核心素養的發展

對于中國共產黨站在新的歷史起點上開展的此次群眾路線教育實踐活動對自身所產生的實際效果與影響，大部分國外媒體認為，其總體上達到了預期目標，效果令人滿意。

本節課采用知識線、任務線、情境線、素養線和多線索聯動教學，在教學過程中，由宏觀現象引出相關問題，并從微觀角度解釋宏觀現象；由實驗數據發現問題，并用理論事實解決問題；由科學史實引出猜想，并用數據推導的手段驗證猜想。

2.遵循認知規律，逐層遞進加深對重難點的理解

運用類比思想，從摩爾質量類比摩爾體積，從摩爾質量的規律類比推測摩爾體積的規律，明確為什么學習摩爾體積；數據推演、實物對比、理論分析、證據驗證，明確物質體積的影響因素，進而驗證對摩爾體積規律的推測；通過將大問題分割成層層遞進的小問題，降低探究難度，一步步加深對相關理論的理解。在這個過程中循序漸進，尊重學生認知規律，由易到難，由淺到深，從根本解決本節課的重難點。

3.史實重現，凸顯理論指導學習的重要性

從知識層面來說，將化學史與高中化學課堂合理的相融合，可以追本溯源，加深學生對某些概念的理解；從人文層面來說，化學史的引入不僅可以提高學生學習化學的興趣，調動學習的積極性，而且可以讓學生感受化學家嚴謹的科學態度。從核心素養層面來說，化學史與教學相結合，可以實現“化學認識”“化學觀念”“化學運用”等核心觀念的培養，促進核心素養的發展。

1.1.2 氣候環境 秦安縣屬隴中南部溫和半濕潤季風氣候區，其特點是氣候溫和，日照充足，降水較少，干旱頻繁，夏無酷暑，冬無嚴寒，夏濕冬干。

4.多學科融合，多種技術手段支持課堂教學

對比裸塔的分析結果，全橋模型的自振周期明顯增加。雖然斜拉索張拉和主梁的施工增加了整個體系的剛度，但同時也增加了整個體系的質量。若整個斜拉橋體系或裸塔等效為一單自由度結構，則根據自振周期同質量、剛度之間的關系，可知，當質量與剛度之間的比例增加時，體系的自振周期增大。由于全橋模型的自振周期比裸塔自振周期大，可以看出質量與剛度之比在加大。

未進行技術改進以前，槽面噴水作業流程是先停電半小時至槽面環境得到較大改良，即現場砷化氫氣體得到充分逸散之后，員工才能進入現場，將電解槽蓋板逐一打開再進行噴水作業。整個流程，單人操作用時在40～50 min。由此計算出，每對電解槽噴一次水，大概停電時間在70～80 min之間，不利于生產持續進行。