運用化學史實，突破抽象概念學習

摘要：筆者按照“原子量→摩爾→阿伏加德羅常數→物質的量→摩爾質量”概念的產生、發展、變化的客觀順序，帶領學生從化學史的角學習中了解“物質的量的單位——摩爾”的概念，有力促進了學生化學學科核心素養的發展。

關鍵詞：化學史 阿伏加德羅常數 物質的量 教學設計

一、研究背景

新課標指出，要結合人類探索物質及其變化的歷史和有效利用化學史的素材來增進學生對科學本質的理解。史實是最真實的情境，利用化學史可以引導學生了解概念的產生、發展、變化、完善的過程，可以激發其學習興趣，促進其學科核心素養的形成和發展。

人教版高中化學必修一“物質的量的單位——摩爾”的學習涉及多個晦澀的抽象概念，為突破教學難點，我們設計了“課前自學概念簡史、課上交流探討、自主歸納定量關系”的教學策略，通過化學史實從源頭上認識有關抽象概念，從而達到課前“知其然”、課中“知其所以然”、課尾“用其然”的教學目標。

二、教學設計

新課標對教學提出要求，要了解物質的量及其相關物理量的含義和應用，體會定量研究對化學學科的重要作用。能運用物質的量、摩爾質量間的關系進行簡單計算。

物質的量、摩爾、阿伏加德羅常數、摩爾質量是貫穿于高中化學始終的核心知識，但晦澀難懂，是教學的重、難點。課題教學往往出現教師講得“滿頭大汗”，學生聽得“一頭霧水”的尷尬場面。為了突破難點，筆者以“相對原子量→摩爾→摩爾質量→阿伏加德羅常數→物質的量”的順序，通過化學史料帶領學生深度學習相關概念，取得了滿意的教學效果。

（一）教學分析

人教版、蘇教版、魯科版、滬教版四種教材都注重“宏微結合”——在可稱量的宏觀物質定量研究基礎上，提出難以稱量的微觀離子的數目問題，從而架起入將宏觀物質與微觀粒子聯系起來的橋梁——新的物理量“物質的量”，初步建構“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養。

雖然學生已經學習過原子、分子、離子、質子、中子、電子等微觀粒子，教學也只要求能根據概念進行簡單計算，但本節概念過于抽象，學生依然難以準確理解物質的量、阿伏加德羅常數、摩爾、摩爾質量的含義。

（二）教學目標

1.通過生活中多種計量方法了解化學計量方法的選擇取決于實際需要。

2.通過化學史，深刻理解摩爾、摩爾質量、阿伏加德羅常數、物質的量等抽象概念的含義，同時認識事物發展的一般規律。（重點）

3.通過建構宏觀物質和微觀粒子間的數量關系、質量關系，體會物質的量的含義，建構“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”的學科核心素養。（重點）

4.能夠結合情境運用粒子數、阿伏加德羅常數、物質的量、摩爾質量、質量之間的定量關系進行計算，體現學科價值。（難點）

（三）教學方法

史料展示、類比歸納、演繹推理。

（四）教學過程

環節一：認識物質的計量方法

【情境導入】2019年9月，江西某小學四年級老師要求家長陪孩子數一萬粒大米。若換成高中生的你們，要想快速數一萬粒大米，如何“數”呢？

【討論】先數100粒，稱其質量m（g），再稱量100份該質量的米粒即可。

【教師引導】人們在計量龐大物品時，可用曹沖稱象的思想來化整為零，而計量數目較多的微小物品時，則習慣上以集體為單位來統計個體的數量。

【活動】請列舉生活中以集體為單位計量的常見實例。

【交流】一斤面粉、一袋大米、一盒粉筆……

［設計意圖］聯系生活認識物質的一般計量方法，了解集體計量在生活、生產中的應用，為建立集體計量的概念打下基礎。

環節二：了解原子量測定的簡單歷程

【過渡】在定量研究化學反應時，初中階段從可以稱量的宏觀角度，學習了物質間的化學反應是按一定的質量關系進行的；從微觀角度來看，化學反應是微觀粒子按照一定數目關系進行的，但微觀粒子是難以計量的。如何將可以稱量的宏觀質量與難以計量的微觀粒子聯系起來呢？

【活動1-1】了解原子量測定的簡單歷程

【引導】通過課前自學化學史，知道物質的量是聯系宏觀質量與微觀粒子數之間的橋梁，為了能夠深度理解相關抽象概念，下面先來認識原子量的含義。

【課前史料提綱1】

1.由于原子的真實質量非常小，難以稱量，使用非常不方便，所以一般先確定一個基準，其他元素的原子量則是相對于基準的比值。雖然實際中獲得的是原子的相對質量，但仍然稱作原子量。1803年，英國科學家道爾頓率先提出原子量的概念，并以H—1作為標準，其他原子的質量分別與H的質量相比得出各自的原子量M_r。

2.意大利物理學家阿伏加德羅最早提出了比較確切的分子概念及原子、分子的區別等重要化學問題。1811年，阿伏加德羅提出了對近代科學有深遠影響的分子假說：在相同的溫度和壓強下，相同體積的任何氣體總具有相同的分子個數。

3.1860年，在第一次國際化學家代表大會上，意大利化學家康尼查羅（Stanislao Cannizzaro）宣傳、補充阿伏加德羅分子假說，隨后科學界才普遍接受，稱之為阿伏加德羅定律。這使原子量的測定工作走上了正確的道路，因而起到了十分重大的推動作用。

運用化學史實，突破抽象概念學習

2024年2月下 第6期 （總第178期）

4.1860年，比利時化學家斯達建議用O—16作標準，這樣可使數值小一些，同時保持所有元素的原子量都大于1，且有更多原子量接近整數。該標準沿用了近百年。

［設計意圖］通過自學相對原子量的概念，明確測定標準的改變是為了使用的方便，為理解摩爾質量的數值打下基礎。

環節三：認識微粒計量方法的誕生簡史

【過渡】物質都是由分子、原子、離子等微觀粒子構成的，而微粒不可以直接稱量，這就需要建立新的物理量，將宏觀物質與微觀粒子聯系起來。

【活動2-1】微粒計量方法的誕生

【課前史料提綱2】

1.1893年，德國物理化學家奧斯特瓦爾德（Friedrich Wilhelm Ostwald）在《物理化學測量手冊和輔助書》中指出：“讓我們將以克為單位的重量——在數值上與指定物質的分子量相同——稱為1摩爾”。

2.1908年，法國物理學家佩蘭（Jean Perrin）通過微粒的布朗運動等方法，首次測得1摩爾物質中含有的微粒數為6.7×10。鑒于阿伏加德羅分子假說的深遠影響，佩蘭最早提出將1摩爾任何物質中含有的微粒數稱為阿伏加德羅常數N_A值。

3.1971年，在由41個國家參加的第十四屆國際計量大會上規定：物質的量（amount of substance）作為國際單位制中第七個基本物理量，符號n，單位是摩爾。因此，物質的量的主要功能是能夠在宏觀水平上，通過物質的質量或體積間接地計量物質的粒子數目。

【活動2-2】交流討論：1 mol物質的質量有何特征？

【交流】1摩爾物質的質量在以g為單位時，數值上等于指定物質的分子量。

［設計意圖］通過了解相關概念的誕生過程，從摩爾的最初定義入手，明確1 mol物質的質量特征，認識抽象概念，從而初步將宏觀物質和微觀粒子聯系在一起。這比簡單地給出結論“摩爾是物質的量的單位”“摩爾質量以g/mol為單位時在數值上等于相對分子（原子）質量”更容易讓學生理解。

環節四：了解微粒計量方法的演變及應用

【活動3-1】認識微粒計量方法的演變簡史

【課前史料提綱3】

1.1971年，第14屆CGPM規定，摩爾是以12g¹2C中包含的原子個數為標準，來衡量其他物質中所含微粒數目多少的。

2.2018年，第26屆CGPM規定，1摩爾精確包含6.02214076×10²³個基本單元，這個常數被稱為阿伏加德羅常數（N_A），單位為mol^-1。

【活動3-2】交流討論：已知1 mol任何粒子中含有的微粒數稱為阿伏加德羅常數N_A，則微粒個數N與物質的量n之間有何定量關系？

［合作建構］1 mol粒子個數為N_A，則2 mol有2×N_A、3 mol有3×N_A……n mol有n×N_A，故N=n×N_A，還可推出n=N/N_A、N_A=N/n。

【活動3-3】核心知識鞏固

例1 6.02×10²³個H₂分子含有1 mol H₂或者2 mol H；0.5 mol H₂O約含有6.02×10²³個H、3.01×10²4個質子。

例2 已知a mol H₂SO₄含有b個O，則阿伏加德羅常數N_A可以表示為b/（4a） mol^-1。

［設計意圖］通過自學史實、交流討論，體驗概念的產生、發展與變化的過程，認識了粒子數與物質的量、阿伏加德羅常數之間的定量關系；通過范例與測評厘清微觀粒子與宏觀物質之間的聯系，培養“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”的學科核心素養。

環節五：摩爾質量的導出與應用

【活動4-1】認識摩爾質量的演變簡史

【課前史料提綱4】

1.1893年，奧斯特瓦爾德指出：讓我們將以克為單位的重量——在數值上與指定物質的分子量相同——稱為1摩爾（mol）；

2.2018年CGPM規定：1 mol精確包含6.02214076×10²³個基本單元。

【活動4-2】交流討論：1 mol不同物質所含微粒數目均相同，但每個不同粒子的質量不同，故1 mol不同物質的質量也不同。1 mol不同物質的質量究竟是多少呢？

［教師講解］國際上規定：元素的相對原子量以C質量的1/12作為標準，其他元素的原子質量是跟它相比所得到的。利用1 mol任何粒子集體都含有相同數目的粒子可推知1 mol任何粒子的質量。例如，1個C與1個H的質量比約為12∶1，因此1 mol C與1 mol H的質量比也約為12∶1。由于1 mol C的質量為12 g，所以1 mol H的質量為1 g。對于離子而言，由于得到或失去的電子質量很小，可忽略不計，故1 mol任何離子的質量，在以克為單位時，數值上都等于構成該離子的相對原子質量之和。如1 mol H⁺的質量為1 g，1 mol SO²-₄的質量為96 g。

因此，1 mol任何微粒的質量，在以克為單位時，數值上都等于該微粒的相對原子質量或分子質量。而相對原子質量或相對分子質量的測定已經歷170多年，經過多位科學家的不懈努力而日趨完善，且使用方便。為了計算與測量的方便，摩爾質量的概念必然伴隨著摩爾的提出而隆重出場。

【歸納小結】單位物質的量（1 mol）的物質所具有的質量叫摩爾質量，符號M，單位g/mol，在數值上等于該微粒的相對原子質量或相對分子質量。

【活動4-3】交流討論：已知1 mol的物質所具有的質量叫摩爾質量M，請推導質量m與摩爾質量M的定量關系。

［合作建構］宏觀上1 mol的物質所具有的質量為M（g），即2 mol為2×M……n mol為n×M，故m=n×M以及M=m/n、n=m/M。

【活動4-4】討論：已知1 mol任何微粒的個數為N_A，請推導出一個原子的真實質量m（原子）與摩爾質量M的定量關系。

［合作建構］微觀上1 mol的微粒個數為N_A，其所具有的質量為M（g），故可得m（原子）×N_A=M，即m（原子）=M/N_A、N_A=M/m（原子）。

【注意】使用M時必須指明基本單元，基本單元相同M相同。如1 mol O、2 mol O質量分別是16 g、32 g，但M（O）恒定是16 g/mol。

【活動4-5】交流討論：第14屆國際計量大會（CGPM）規定“1 mol的物質包含的微粒數目與0.012 kg ¹2C的原子數目相等”；而第26屆國際計量大會CGPM規定“1摩爾精確包含6.02214076×10²³個基本單元”。前者是無限小數，后者是精確的數字，前后兩次不同的規定使摩爾質量數值發生變化？

［歸納小結］第14屆國際計量大會規定中摩爾與質量單位千克直接關聯，但國際計量局保存的實物千克原器測量的結果隨時間、地點等外部條件的改變而不斷發生變化。21世紀以來，測量技術有了飛躍發展，質量單位千克原器的不確定性已經不能滿足精確測量的要求。

由于M的數值是恒定的，且M=m（原子）×N_A；21世紀測量技術有了飛躍發展，原子的質量m（原子）測量精確之后，N_A必然成為一個精確的數值，這非常有利于保持國際單位制的長期穩定。因此，前后兩次規定并不矛盾。

【活動4-6】核心知識鞏固

例3 25.6 g Na₂CO₃的物質的量是0.25 mol；所含Na⁺的物質的量是0.5 mol；所含CO²-₃的個數是0.25N_A。

例4.已知M（Fe）=56 g/mol，阿伏加德羅常數N_A約為6.02×10²³ mol^-1，則一個鐵原子的質量m（Fe）=56×10^-23/6.02 g（表達式）。

［設計意圖］通過自學、交流討論，自主建構核心知識m=n×M以及m（原子）=M/N_A，通過例題講解，進一步鞏固了新知識，從而建立了可稱量的宏觀物質與不可稱量的微觀粒子間的定量關系的意識。

【課堂小結】本節課利用化學史學習了原子質量、摩爾、摩爾質量、阿伏加德羅常數、物質的量的抽象概念，深刻認識到物質的量、阿伏加德羅常數是聯系宏觀物質與微觀粒子的橋梁，同時也體會到了事物的發展由簡單到復雜、由具體到抽象的一般規律。希望學生在今后的學習中，能夠樹立通過科學史進行學習的意識。

（五）板書設計

三、教學反思

本節課從物質的計量方法入手，結合化學史深度學習了mol、M、N_A、n的抽象概念。通過計算分子數，明確宏觀物質與微觀粒子間的聯系。學生在化學史料學習和任務解決中，由淺入深地學習了抽象概念，建構了思維模型，發展了宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知的化學學科核心素養。這樣課堂學生參與度極高，在積極思考與討論中，學生不僅深入地學習了新知識，而且多角度地培養了科學素養。遺憾的是，課前預習及課上交流均沒有對阿伏加德羅常數的數值進行展開討論。

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責任編輯：黃大燦