滬科版化學新教材“項目學習活動”的實踐探索

摘" 要：" 以滬科版化學新教材中“如何測定氣體摩爾體積”項目學習為例，對項目學習活動的重點、難點進行分析和討論，并提出實施流程。通過項目學習實踐，引導學生從多個角度理解和把握實驗的本質，初步建立定量實驗研究的一般程序和方法。

關鍵詞：" 氣體摩爾體積； 項目學習活動； 定量實驗

文章編號： 1005-6629（2025）01-0032-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1" 問題背景

為加強科學過程和科學方法的教育，對科學研究的過程及要求產生真實的感知體驗，上海科技出版社出版的普通高中教科書《化學》（必修）（2021年版，以下簡稱“新教材”）設置了“如何測定氣體摩爾體積”等四個項目學習活動［1］。開辟“項目學習活動”專題，是新教材的特色處理方式之一。

該項目實驗原理是用鎂帶制取氫氣：Mg（s）+H2SO4（aq）MgSO4（aq）+H2（g），通過一定質量的鎂條與過量稀硫酸反應，借助實驗裝置（見圖1）測得氫氣體積的實驗值，將其轉化為氣體的摩爾體積后，與參考值進行比較。從學習內容看，與滬科版2016年版化學教材［2］“測定1mol氣體的體積”有很多共同之處，而后者則是將其安排在定量實驗單元中。實際教學中，教師往往先闡述實驗原理，然后學生按部就班進實驗室完成實驗，最后進行實驗誤差分析。這樣的學習方式幾乎不給學生留有主動思考和探索的空間，難以培養解決定量實驗問題的綜合思維能力。

2" 項目整體分析

2.1" 課標與教材分析

氣體摩爾體積是高中化學重要的基本概念之一。普通高中化學課程標準［3］在必修課程模塊的課程內容“主題1：化學科學與實驗探究”中明確提出“能基于物質的量認識物質組成及其化學變化，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”。新教材將氣體摩爾體積的教學安排在第一章第二節“物質的量”（見圖2）中。從知識結構看，教材先后通過物質的量、阿伏伽德羅常數、摩爾質量和氣體摩爾體積，搭建了一座完整的“微觀-物質的量-宏觀”的橋梁。

教材將此項目置于章節最后，在學生理解氣體摩爾體積概念、阿伏伽德羅定律的基礎上，給學生創設了一個運用已有知識解決實際問題的機會，實現對知識的遷移和應用。與2016年版化學教材將該實驗分為實驗原理、實驗裝置、實驗步驟和實驗數據分析不同，新教材的項目學習活動分為活動目標、活動指導、活動要求和活動反思四個部分，新增了活動要求、活動反思，引入了“實驗偏差”等概念，對學生的實驗技能和思維發展水平要求更高。

2.2" 學情分析

學生在初中階段已經知道常見氣體的制取原理、裝置和儀器，在高中“氣體摩爾體積”概念學習中也已掌握了影響氣體體積的主要因素、阿伏伽德羅定律，這都為項目學習作了很好的鋪墊。僅從“氣體摩爾體積”概念學習的目標達成來看，無需借助“PV=nRT”即可實現。教師參考用書也提出“對于阿伏伽德羅定律，僅將其作為影響氣體體積微觀因素的一個必然推論，而不宜拓展到其他比例關系”。該項目學習活動目標之一是明確測定一定溫度和壓強下氣體摩爾體積的方法，而教材方案測定的是實驗條件下的溫度和壓強，需要厘清二者的關系。此外，活動反思中，由于要考慮混合氣體中的水蒸氣，其背后關聯的是學生對“分壓”和“分體積”的認識和理解。因此，教學中要把握好學生基礎和項目需求之間的關聯，以更好地落實重點、突破難點。

2.3" 活動價值分析

影響氣體體積的主要因素、氣體摩爾體積、阿伏伽德羅定律，這是化學理論性知識，將知識轉化為可遷移的能力，必須通過實踐活動。“如何測定氣體摩爾體積”的項目學習活動為學生實踐提供了機會。學生在完成項目學習活動時，經歷查閱資料、設計方案、實踐體驗、信息獲取、數據處理、反思評價等過程，可以有效促進學生學科思維的發展，提升學生的邏輯思維、實驗操作以及問題解決等能力。

3" 項目實施規劃

從項目活動目標來看，應從實驗原理、裝置原理以及操作原理、數據處理等角度盡可能提高實驗的精準性，這與一般定量實驗的教學目標差別并不大。如果項目的實施完全和傳統定量實驗教學一樣，課堂中就會把知識點的訓練當作主要目的，學生容易形成單一的思維模式；若以項目的視角進行高階思維設計，將有助于學生更好地形成定量實驗設計的思路、技能和方法。

面對確定的項目主題所蘊含的實際問題，其解決方案并不是唯一的。教材只是呈現了一種范式，這并不意味著學生只能被動接受，可讓學生先自行設計方案，再與教材方法進行比較、遷移（見圖3），并從多個角度來認識、接受和評價教材中的方案，特別要關注自己考慮不周全或涉及新知識的地方。教師要選擇合適的時機為學生搭建學習支架，同時圍繞實踐中發現的新問題進行討論，引導學生對教材方案形成客觀理性的認識，理解教材方案背后的學科邏輯和思想方法。

4" 項目活動實施過程

4.1" 設計項目方案，滲透定量實驗的精準性

課前任務：要測定常壓室溫下氣體的摩爾體積，你會選擇什么氣體？用到哪些裝置？選擇什么儀器？需要準確測量的物理量有哪些？簡要描述你的方案（見表1）。

從方案中可以看出學生的思維是活躍的、開放的。學生認為，可以根據測定原理和方法選擇不同的氣體。如通過排水法測體積，可選擇溶解度較小的H2；如通過針筒測體積，只要無毒無害、操作方便、性質穩定即可。而儀器選擇主要與氣體制取原理、測定方法等有關。以上信息反映出學生能從不同角度建立起與氣體摩爾體積的關系，同時也暴露出問題，如普遍認為金屬的純度都很高、忽視化學反應快慢、不考慮水蒸氣對氫氣體積的影響等，對測量儀器的選擇除了常見的量筒以外，不清楚實驗室還有哪些儀器，也不注重儀器對精度的要求。

4.2" 比較項目方案，感悟定量實驗的精準性

學生實驗方案①與教材項目活動方案較為接近。如表2所示。

通過對比可以看出，教材考慮的角度更廣、精準度更高、操作更便利，整體上優于學生方案。學生認為教材中的方案儀器設計巧妙，如從原理的角度分析，也可用恒壓分液漏斗等其他儀器代替。通過這樣的展示與討論，充分肯定了學生的合理想法，增強了學生的探究欲望。

在討論教材方案時，需重點圍繞實驗步驟蘊含的學科本質問題來展開。定量實驗要從“量”的角度出發設計實驗，圍繞“定什么量”“如何定量”以及“如何精準定量”的過程逐漸展開，引導學生逐步形成定量實驗思維（見圖4）。通過解決與實驗結果精準度有關的問題，將其轉化為實驗步驟，引導學生體會化學定量實驗的嚴謹、儀器的優越，激發其探索創新的主動性和積極性。

學生對教材方案也有疑惑的地方，如項目反思中提到的如何消除水的飽和蒸氣壓對氣體體積的影響、偏差和誤差的區別、精確度不同的數字如何修約等，這些需要教師為其搭建學習支架。

4.3" 搭建學習支架，完善定量實驗的精準性

從原理來看，本實驗需要測定氫氣的體積，排除水蒸氣的影響是必要的，需要對數據進行修正。

4.3.1" 認識“分體積”和“分壓”

［問題］一定溫度下，將2mol A、 1mol B兩種氣體分別充入體積為V的固定容器中，A、 B所占的體積分別是多少？畫出示意圖進行說明。

學生普遍認為A、 B所占的體積均為V，分子因為熱運動充滿了整個容器。也有部分學生會用氣體分子運動的“瞬間”靜止狀態（可以認為圖5呈現的就是瞬間狀態）去理解分子占有的體積，認為空白處不算是氣體分子所占有的體積。

［問題］一定溫度下，將2mol A、1mol B兩種氣體（A、 B不反應）充入體積為V的固定容器中。V（A）、 φ（A）、 V（B）、 φ（B）分別為多少？

有學生認為V（A）=V（B）=V、 φ（A）=φ（B）=100%，體積分數應該是各組分體積與總體積之比；也有學生認為V（A）=V（B）=V、 φ（A）=23， φ（B）=13，單一組分不可能在混合組分中占比100%，用物質的量之比作為體積之比可能比較合理，但說不出理由。

通過對上述問題的討論，學生認識到氣體所占有的體積是由容器大小決定的。而單一氣體的體積分數如果是該氣體的體積與容器體積（混合氣體總體積）的比值，即100%，其意義不大。按照常識，單一組分不可能在混合組分中占比100%。因此，引入“分體積”是必要的，“分”不是簡單地獨立出來，而是要維持溫度和壓強等其他條件相同時進行比較才有意義：

PVA=nART， PVB=nBRT，則VAVB=nAnB

由此可知，混合氣體中不同組分的“分體積”之比與各物質的量之比相同（見圖6）。同理，壓強是所有氣體共同作用的結果。氣體的物質的量不同，對總壓強的貢獻是不一樣的。因此，引入“分壓”是必要的，與分體積不同，分壓應維持體積和溫度相同：

PAV=nART， PBV=nBRT，則PAPB=nAnB

顯然，混合氣體中不同組分的“分壓”之比與各物質的量之比相同（圖6）。

4.3.2" 認識“水的飽和蒸氣壓”

［教師］從字面含義來看，你認為什么是水的飽和蒸氣壓？

［學生1］在某溫度下，水蒸氣所能產生的最大壓強。

［學生2］溫度一定時，水與其他氣體共存時水蒸氣的分壓。

［學生3］水的液面上方存在平衡，H2O（l）

H2O（g），此時H2O（g）在混合氣體中的分壓。

［學生4］在一定溫度下，在一密閉容器中放一定量的水。充分放置一段時間后，水蒸氣在容器中的分壓。

在認識了分壓的基礎上，學生嘗試從字面上解讀“水的飽和蒸氣壓”，其含義表述已經八九不離十。在密閉條件中，在一定溫度下，與固體或液體處于相平衡的蒸氣所具有的壓力稱為“飽和蒸氣壓力”。

［教師］各小組在實驗設計中稱量的鎂條質量不相同。那么，各小組收集的混合氣體中，水蒸氣的物質的量相同嗎？水蒸氣的體積分數相同嗎？

大多數學生認為，從水中逸出氫氣時，攜帶出的水蒸氣應該是“均勻”的。換言之，各小組收集的氣體中，水蒸氣的體積并不相同，但水蒸氣的體積分數是相同的。為消除水的飽和蒸氣壓，學生查閱到的參考資料是這樣呈現的：

P（H2O）△V=n（H2O）RT

P（H2）△V=n（H2）RT

P（H2+H2O）△V=［n（H2）+n（H2O）］RT

只要查閱到實驗條件下水的飽和蒸氣壓，即可計算出V（H2）。學生認為，上述等式沒有考慮混合氣體中的空氣，且氫氣是充滿了整個裝置的。可見，當把這些氣體放在一個封閉的系統中分析時，便能發現這個問題的復雜性，其關鍵還是在于對分壓和分體積的理解。

收集氫氣前，裝置中的氣體為水蒸氣、空氣，混合氣體體積為V、壓強為P、溫度為T；收集氫氣且冷卻至室溫后，裝置中的氣體為氫氣、水蒸氣、空氣，混合氣體體積為V+△V（△V是氫氣和新增的水蒸氣體積之和）、壓強為P、溫度為T，如圖7所示。

△V是量氣管末讀數與初讀數之差。由于T、 P相同，可以將混合氣體體積V+△V進行分割，△V是氫氣和新增的水蒸氣。再依據分體積、分壓思想，即可算出V（H2）。顯然，△V中氫氣的占比與實驗前空氣的含量無關，這才解答了學生的問題。

4.3.3" 誤差與偏差

在化學實驗教學中關于數據的分析，大多教材都是以“誤差分析”來處理。上一版教材以誤差分析展開，新教材則直接引入偏差。從概念上來看，誤差是測量值與真值之差，但由于真值只是一個理想概念，一般無法絕對地測定出來。由于真值不知道，因而誤差也無法計算，只能作為分析誤差的理論基礎。而實際測量中只能得到偏差，真值通常用參考值或多次測量的算術平均值代替。如果將“誤差”和“偏差”不加以區別，容易給人一種“誤差是能求出其值的”錯誤觀念。新教材做出這樣的調整，有利于實驗教學更加科學和嚴謹。

4.4" 課堂互動討論，強化定量實驗的精準性

在搭建好腳手架后，學生進入實驗室先觀察儀器構造，再完成實驗。不過學生的目的非常明確，就是為了獲得相應數據。課堂互動中可以根據學生在實驗課中出現的新情況、新問題設計學習活動，促進師生、生生之間的有效交流來構建知識。

4.4.1" 任務一：分子數對氣體體積的影響

關鍵問題：哪些實驗步驟體現了氣體分子數要精準？

氣體分子數是影響氣體體積的主要因素之一。在本項目中，氣體分子數是由金屬的質量轉化而來，因此金屬的純度、金屬質量的精準測定都是非常重要的。盡管金屬的任意質量都可以轉化為氣體的摩爾體積，但是金屬的質量也不是取任意值，而是要充分考慮氣體體積測定裝置的量程、偏差范圍等因素。

4.4.2" 任務二：溫度對氣體體積的影響

關鍵問題：為什么要冷卻至室溫再讀數？

［補充學生實驗］（1）將鎂條與稀硫酸混合后，用手觸摸Y型管，感知混合前后溫度變化；（2）鎂條全部溶解后，觀察示數變化，記錄最大示數。待冷卻至室溫后，再次記錄示數。

在氣體摩爾體積教學時，討論過溫度對氣體體積的影響，但學生在遷移到本實驗中仍舊遇到了障礙。可能是因為鎂和稀硫酸的反應是一個放熱反應，因溫度升高造成的體積膨脹在看似“細長”的量氣管中感知并不明顯。這與學生很少關注化學反應中的熱效應有關。另外，實驗方案中只強調了“冷卻至室溫再讀數”，很多學生只是按部就班記錄好初讀數后，就直接等待溫度恢復到室溫后再次讀數。通過補充實驗，進一步增進了學生對實驗步驟的理解。

4.4.3" 任務三：壓強對氣體體積的影響

關鍵問題：為什么要調節兩端液面齊平后再讀數？

［補充學生實驗］冷卻至室溫后，記錄量氣管中液面示數；調節兩端液面齊平后，再次記錄量氣管中的液面示數。比較兩個讀數的大小，并解釋原因。

［教師］實驗中有些小組水準管中的水溢出來了，是什么原因造成的？

［學生］由于實驗開始時量氣管和水準管的高度相差不大，后來生成的氣體使得水準管中的水溢出來。

［教師］有同學認為，水溢出來后，意味著實驗失敗。你是否認同這個觀點？請說明理由。

［學生］由于水本身起到密封氣體的作用，且讀取的是兩端液面齊平時的體積，因此水溢出來相當于一開始加水的量減小了，對實驗結果并無影響。

［教師］實驗步驟中明確指出：……量氣管盡量低，水準管盡量高。你認為應該如何調節呢？

［學生］若產生的氫氣體積為20mL，在不考慮氣體膨脹的情況下，水準管至少應該預留20mL的空間。

4.5" 開展數據處理，反思定量實驗的精準性

關鍵問題：實驗中實驗步驟如何體現出獲取數據的精準性？

［學生］用鎂條不用鐵片（鐵片純度低）、電子天平精確到0.0001g、量氣管精確到0.01mL等。不同儀器精度不同，要按照有效數字計算規則進行修約嗎？

［教師］數字的正確表達非常重要。無論是稱量還是測量得到的數據，有效數字的位數由測量中所用儀器的精度決定。但數字修約的規則比較復雜，有興趣的同學可以課后查閱資料了解。

［學生］有資料指出：收集的氣體體積越大，測量結果越精準。為什么？

［教師］根據水的飽和蒸氣壓知識可以得到，氫氣在混合氣體中所占的比例是一定的。但在計算摩爾體積時，需要進行換算。因為測量的不精準，導致放大的倍數也就越多。

5" 項目教學反思

5.1" 項目實施取得的成效

通過項目教學的實施，學生拓展了氣體體積規律的認識范圍，理解和掌握了定量實驗分析的一般過程、常用儀器的使用方法以及如何記錄、處理實驗數據，如何書寫實驗報告，體驗到了嚴謹求實的科學態度對定量實驗重要性，順利達成了項目學習活動目標。通過“為什么不直接測定1mol氣體的體積”等問題的討論，學生深刻意識到化學定量實驗過程中的細節非常多，實驗的精準性需要從化學原理、實驗操作、實驗儀器、數據獲得及處理等角度進行綜合考慮，并將孤立、碎片化的知識在復雜的情境下重整、應用，才能更好地解決實際問題。

5.2" 項目實施主要問題與對策

從項目教學的實施情況看，“如何測定氣體摩爾體積”項目并非是“氣體摩爾體積”概念的簡單應用和轉化，其中主要存在四個問題：一是知識儲備的不足。如不同金屬的純度、化學反應的快慢、一定溫度和壓強下氣體摩爾體積參考值計算、混合氣體中水的飽和蒸氣壓等知識，項目實施時需要通過自主學習、課堂交流等方式補充；二是遷移能力較弱。盡管學生知道氣體體積受溫度、壓強的影響，但將其遷移到實驗儀器和操作中時并不順利，需要增強實踐體驗；三是對實驗結果精準度的把握。由于不同儀器精密度不一樣，數據的處理是否要一味追求精準引入復雜的數據修約規則，還是重在引導學生對實驗原理、技能和方法的理解；四是對生成性問題的解決。如實驗中出現水準管一端水溢出的原因，教材僅說明量氣管和水準管需錯開“一定”高度。因此教學中要及時洞見方案中需要優化之處，引導學生在設計、實踐和體驗中感悟定量實驗的嚴謹性。

參考文獻：

［1］滬科版高中化學教材編寫組. 滬科版高中化學必修教材的編制策略與特色分析［J］. 化學教學， 2021，（10）： 3～9.

［2］姚子鵬主編. 高級中學課本·化學（高二年級第一學期）［M］. 上海： 上海科學技術出版社， 2016： 47～62.

［3］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.