壓強(qiáng)原理在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用復(fù)習(xí)策略

錢明安 韓萬中

摘? ? 要：氣體壓強(qiáng)問題在高考實(shí)驗(yàn)題目中頻現(xiàn)。高三復(fù)習(xí)時(shí)傳統(tǒng)的“羅列+歸類”的模式類似“炒冷飯”，效果較差。教師引導(dǎo)學(xué)生在圍繞氣體壓強(qiáng)梳理教材的基礎(chǔ)上，植入學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，促進(jìn)感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)的連接和溝通，幫助學(xué)生建構(gòu)分析問題的思維模型，以實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)和提升解題能力的目的。

關(guān)鍵詞：氣體壓強(qiáng);復(fù)習(xí)策略;深度學(xué)習(xí)

由于解答紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)考題與在實(shí)驗(yàn)室親自動(dòng)手操作的感官活動(dòng)和思維方向均不相同，所以，氣體壓強(qiáng)往往被學(xué)生所忽視，但它又像一只無形的大手控制實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程和結(jié)果。氣體及其與生俱來的壓強(qiáng)問題備受命題人青睞，這在近幾年高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)考題中體現(xiàn)得比較突出，它不僅考查了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能，而且考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和運(yùn)用壓強(qiáng)原理解決實(shí)際問題的能力，體現(xiàn)樂于科學(xué)探究和贊賞化學(xué)應(yīng)用的素養(yǎng)水平。

因此，在復(fù)習(xí)中，教師應(yīng)充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，不僅要幫助學(xué)生圍繞氣體壓強(qiáng)梳理教材，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)探究讓學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)，更關(guān)鍵的是要建構(gòu)思維模型進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和提升解題能力[1]。

一、歸納碎片化的氣壓類問題，優(yōu)化學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)

1.裝置氣密性檢驗(yàn)

圖1是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的5種裝置，裝置的結(jié)構(gòu)不同，檢驗(yàn)氣密性的方法可能不同，但它們都運(yùn)用了氣體壓強(qiáng)原理。A和B裝置相似度很大，但B裝置導(dǎo)管上具有止水夾，這個(gè)微小的差異決定了B運(yùn)用滴水法與A的微熱法相異。在止水夾處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，C中通過長(zhǎng)頸漏斗加水和B中通過分液漏斗滴水效果不同，B裝置利用漏斗液體滴落的難度判斷氣密性優(yōu)劣，C裝置則利用加入液體直到淹沒漏斗下口出現(xiàn)液面差判斷?！坝幸馑肌钡氖荄裝置，先加水“堵”住漏斗下口，如果向外拉動(dòng)注射器的活塞，裝置內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，漏斗下口出現(xiàn)氣泡也表明裝置氣密性良好，如果向里推動(dòng)活塞，則裝置內(nèi)產(chǎn)生正壓漏斗頸中液面上升表明裝置氣密性良好，兩種方式異曲同工。裝置E是C的變形，同樣利用液面差原理。上述的對(duì)比分析，啟迪了學(xué)生的求異思維，發(fā)現(xiàn)和揭示事物的內(nèi)在本質(zhì)和規(guī)律，突破前概念的障礙，引導(dǎo)認(rèn)知深化和結(jié)構(gòu)化，減輕記憶負(fù)荷，深受學(xué)生的喜愛。

2.防倒吸

（1）防倒吸裝置

圖2是中學(xué)實(shí)驗(yàn)用于處理溶解性較大的尾氣如NH3、HCl等，具有防止由于氣壓驟降而發(fā)生溶液倒吸的作用。通過發(fā)動(dòng)學(xué)生討論，這些裝置可分為三種類型：肚容式（發(fā)散源及A、B、C、D），接受式（E），隔離式（F），這種討論的結(jié)果不僅深化了學(xué)生對(duì)氣體壓強(qiáng)原理應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，形成和發(fā)展了學(xué)科思維方法，而且還促進(jìn)了證據(jù)推理和模型認(rèn)知素養(yǎng)的形成[2]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，不僅裝置末端尾氣處理時(shí)考慮防倒吸，有時(shí)還設(shè)置安全瓶跟在加熱裝置后，防止后續(xù)裝置中的水溶液倒吸到加熱裝置中引起炸裂，如2013年四川卷第9題的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖翘骄緼gNO3的熱穩(wěn)定性，對(duì)于B的位置以及它能起到的作用，可啟發(fā)學(xué)生聯(lián)系實(shí)驗(yàn)過程中氣體壓強(qiáng)可能發(fā)生的變化進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力。

（2）防倒吸措施

表1例舉了兩個(gè)制備實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)為防止熄滅酒精燈后發(fā)生倒吸的“惡果”，它們采取了不同的操作方法，在對(duì)比分析中學(xué)生會(huì)感知到氣體壓強(qiáng)好像是一種神秘的力量，關(guān)系著實(shí)驗(yàn)安全或成敗，促進(jìn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)思維能力的提升。

（3）平衡壓強(qiáng)

氣體通過液相時(shí)會(huì)受到液體產(chǎn)生的壓力，使相對(duì)密閉的系統(tǒng)氣壓增大，在適當(dāng)?shù)奈稽c(diǎn)設(shè)立如圖4中的裝置能起到一定的緩解壓力的作用，或可提示操作者采取有效措施謹(jǐn)防安全事故，這種有“人情味”的設(shè)計(jì)肯定會(huì)引發(fā)學(xué)生的興致，他們收獲的不僅僅是思維方向的改變，而且還感受到了實(shí)驗(yàn)與技術(shù)珠聯(lián)璧合的魅力。

量氣體體積通常使用量氣瓶、量氣管等，如圖5所示，準(zhǔn)確讀取體積、減少測(cè)量誤差是定量實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，但在復(fù)習(xí)時(shí)教師發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生對(duì)于讀數(shù)時(shí)的壓強(qiáng)問題認(rèn)知模糊或者“壓根就沒有想過”，教師可引領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行誤差分析，發(fā)展學(xué)生的證據(jù)推理素養(yǎng)和系統(tǒng)思維能力。在教師啟發(fā)引導(dǎo)下，學(xué)生會(huì)認(rèn)識(shí)到讀取體積數(shù)據(jù)前必須做到兩點(diǎn)：第一，需要裝置冷卻到室溫才能讀數(shù)，這是因?yàn)榘l(fā)生氣體的反應(yīng)多為放熱反應(yīng)，“熱”氣體積較大，冷卻后會(huì)使排出的液體回流，這時(shí)很多學(xué)生驚嘆這種倒吸的“美好”，使氣體體積數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確，一改過去對(duì)倒吸形成的“丑惡”印象，認(rèn)知辯證化，情感升華，體現(xiàn)出學(xué)生深度學(xué)習(xí)的良好效果;第二，調(diào)整量氣瓶或量氣管的左右兩端液面持平，在裝置內(nèi)外壓強(qiáng)相等的狀態(tài)下讀數(shù)。

（4）有關(guān)氣壓?jiǎn)栴}的典型實(shí)驗(yàn)

圖6～圖9中例舉了四個(gè)典型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的明顯現(xiàn)象透視出壓強(qiáng)精靈般的操縱。以“空氣中O2體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)為例，教師可圍繞壓強(qiáng)設(shè)置問題鏈步步緊逼問題的實(shí)質(zhì)，激發(fā)學(xué)生探究潛能，提升學(xué)生變化觀念的素養(yǎng)水平，提高復(fù)習(xí)效果：玻璃鐘罩中現(xiàn)象有哪些？實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏低或偏高的原因有哪些？實(shí)驗(yàn)中所用的紅磷能否用鎂條、鐵絲、木炭、硫磺來代替？

通過上述的梳理歸類可知，氣體和壓強(qiáng)形影不離，因此，樹立起“哪里有氣體哪里就有壓強(qiáng)”的觀念是第一位的;同時(shí)，從氣體的理化性質(zhì)、反應(yīng)前后氣體分子數(shù)的改變出發(fā)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的裝置特點(diǎn)把握氣體壓強(qiáng)的變化，是突破涉氣實(shí)驗(yàn)問題的核心。

多數(shù)老師在實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)中，雖然開設(shè)壓強(qiáng)專題，但由于問題的靈活性、綜合性以及不同實(shí)驗(yàn)情境的特殊性，學(xué)生仍感解題效果欠佳。究其原因，是學(xué)生習(xí)慣陳述性知識(shí)的死記硬背和膚淺理解，習(xí)慣相似題目的復(fù)述和淺表提取，缺乏透過現(xiàn)象看本質(zhì)的思維深加工和精準(zhǔn)輸出?；诖耍诟呷龔?fù)習(xí)時(shí)，還要注重以下兩個(gè)環(huán)節(jié)予以推進(jìn)。

二、提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境，促進(jìn)認(rèn)知飛躍

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。實(shí)驗(yàn)具有刷題所沒有的直觀感知、外顯知識(shí)的功能，實(shí)驗(yàn)是通過學(xué)生的動(dòng)手、觀察和思維等親身體驗(yàn)而建構(gòu)知識(shí)的有效手段，高三復(fù)習(xí)不能缺少這個(gè)給力“助手”。教師需要精選一些典型實(shí)驗(yàn)（見表2），讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中動(dòng)手操作，通過儀器識(shí)別、儀器組裝、藥品加入、步驟操作、現(xiàn)象觀察和結(jié)果分析等環(huán)節(jié)，直觀感受氣壓在實(shí)驗(yàn)中的存在和作用。

表2? ?以氣體壓強(qiáng)為核心的典型實(shí)驗(yàn)

[實(shí)驗(yàn)名稱 學(xué)生動(dòng)手操作和觀察 學(xué)生動(dòng)腦思考 使用啟普發(fā)生器制取CO2 ①打開導(dǎo)氣管上的旋塞，球形漏斗中的液體進(jìn)入容器與固體反應(yīng)，產(chǎn)生氣體。

②關(guān)閉旋塞，液體回流到球形漏斗，容器中液體與固體脫離，反應(yīng)停止。 ①打開導(dǎo)氣管上的旋塞，為什么球形漏斗中的液體進(jìn)入容器與固體反應(yīng)呢？

②關(guān)閉旋塞，為什么液體能流回球形漏斗呢？ 萃取分液實(shí)驗(yàn)中分液漏斗的使用 ①把分液漏斗倒轉(zhuǎn)過來振蕩，使兩種液體充分接觸，振蕩后打開活塞，使漏斗內(nèi)氣體放出。

②分液時(shí)，先將分液漏斗頸上的玻璃塞打開或使塞上的凹槽（或小孔）對(duì)準(zhǔn)漏斗上的小孔。 ①“氣體”是怎樣產(chǎn)生的？為什么要將“氣體”放出來呢？

②分液漏斗頸上的玻璃塞打開或使塞上的凹槽（或小孔）對(duì)準(zhǔn)漏斗上的小孔，這樣做的作用是什么？ NH3的噴泉實(shí)驗(yàn) 組裝NH3的噴泉實(shí)驗(yàn)裝置 怎樣使燒杯中的水噴到圓底燒瓶中？ ]

實(shí)驗(yàn)時(shí)除了學(xué)生興致勃勃之外，更多了理性的動(dòng)手、細(xì)致的觀察和積極的思考，并且發(fā)現(xiàn)了一些只有實(shí)踐才能知道的細(xì)節(jié)，解決了一些紙面做題難以解決的問題，彌補(bǔ)了認(rèn)知缺陷和誤區(qū)。

認(rèn)知1：?jiǎn)⑵瞻l(fā)生器在2017年全國Ⅰ卷第10題亮相，很多學(xué)生不能理解它的工作原理。實(shí)際操作時(shí)，學(xué)生通過加入固、液體反應(yīng)物認(rèn)識(shí)了啟普發(fā)生器的構(gòu)造，親眼看到了液體的流動(dòng)路徑，體會(huì)到它具有“隨開隨用、隨關(guān)隨?！钡镊攘μ攸c(diǎn)，同時(shí)還悟出儀器的“半自動(dòng)化”表面好像是活塞的開閉所致，實(shí)質(zhì)卻是壓強(qiáng)差的操縱。

認(rèn)知2：在萃取時(shí)，大多數(shù)學(xué)生對(duì)混合液振蕩后放氣的“小動(dòng)作”沒有印象。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠理解有機(jī)溶劑的揮發(fā)而使漏斗內(nèi)氣壓增大而產(chǎn)生的隱患，如果沒有這樣的實(shí)際操作，僅僅依靠老師黑板上講述難以保證學(xué)生的長(zhǎng)久記憶。

認(rèn)知3：很多學(xué)生不知道分液漏斗上有小孔，也不知道玻璃塞上有凹槽（或小孔）。有的同學(xué)發(fā)現(xiàn)漏斗中的液體不能順利滴落下來，百思不得其解，通過不斷嘗試和觀察思考最終發(fā)現(xiàn)了其中的秘密。同時(shí)，很多同學(xué)還聯(lián)想到2012年浙江理綜化學(xué)試卷中出現(xiàn)的恒壓滴液漏斗，發(fā)現(xiàn)它比分液漏斗設(shè)計(jì)得更周到、更先進(jìn)：由于裝置內(nèi)與漏斗內(nèi)氣壓的平衡，使液體受重力作用能夠順利滴下，加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，在一些合成實(shí)驗(yàn)中能避免有機(jī)反應(yīng)物揮發(fā)所造成的污染。通過實(shí)驗(yàn)點(diǎn)燃出思維的火花，很接地氣，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到技術(shù)手段創(chuàng)新的價(jià)值。

認(rèn)知4：有的同學(xué)實(shí)驗(yàn)失敗，有的同學(xué)噴泉“無力”，認(rèn)識(shí)到燒瓶充滿干燥NH3、燒瓶干燥和裝置氣密性良好是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。還有很多學(xué)生對(duì)噴泉實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生了定勢(shì)思維，認(rèn)為教材介紹的“使滴管中的水進(jìn)入燒瓶”是產(chǎn)生噴泉的唯一途徑。能否通過其他方式形成噴泉呢？學(xué)生思考噴泉的壓強(qiáng)原理，發(fā)現(xiàn)可以從溫度出發(fā)形成內(nèi)外壓強(qiáng)差實(shí)現(xiàn)噴泉，他們通過實(shí)驗(yàn)嘗試得出用冷毛巾捂住燒瓶和用熱毛巾捂住燒瓶都能達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

有了實(shí)驗(yàn)的經(jīng)歷，對(duì)氣體壓強(qiáng)原理的認(rèn)識(shí)是否達(dá)到了理解的層次呢？布魯姆教育目標(biāo)分類學(xué)理論認(rèn)為，對(duì)于原理性的知識(shí)，評(píng)價(jià)其理解的達(dá)成，可以通過評(píng)價(jià)學(xué)生能否解釋、比較、推演這些內(nèi)容而實(shí)現(xiàn)。而這一過程，要從實(shí)驗(yàn)的具體情況出發(fā)，尋求證據(jù)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹g的關(guān)系，以幫助學(xué)生構(gòu)建思維模型。

三、基于壓強(qiáng)原理的應(yīng)用，加工整合，建構(gòu)思維模型

思維模型是學(xué)習(xí)者對(duì)當(dāng)前學(xué)習(xí)的理解過程形成某種框架或網(wǎng)絡(luò)，體現(xiàn)主體能動(dòng)地反映客體的一種符號(hào)性能力以及主體改造客體的某種規(guī)則，促進(jìn)學(xué)生對(duì)一類問題的深層理解和靈活運(yùn)用。思維模型會(huì)給自己提供一種視角或架構(gòu)，決定觀察事物和處理問題的途徑。高三復(fù)習(xí)中的學(xué)生迫切需要建構(gòu)思維模型，使思維有序且富有邏輯，便于遷移應(yīng)用，從而提高復(fù)習(xí)效率。

依據(jù)上文梳理的壓強(qiáng)原理在不同實(shí)驗(yàn)情境下的應(yīng)用，教師可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維模型建構(gòu)。

首先，檢查和完善氣體壓強(qiáng)知識(shí)的儲(chǔ)備：以pV=nRT為抓手，明確氣體壓強(qiáng)（p）在其他條件相同時(shí)與溫度（T）或容器體積或氣體物質(zhì)的量（n）之間的關(guān)系。

第二，結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，把握氣體在案例實(shí)驗(yàn)裝置中的表現(xiàn)：①明確氣體在實(shí)驗(yàn)裝置中的行走方向，以及某活塞關(guān)閉等條件控制導(dǎo)致氣流方向的改變;②明確因氣體參與反應(yīng)或溶解等使n變化導(dǎo)致氣壓的變化，明確因酒精燈熄燃、反應(yīng)熱效應(yīng)等使T變化導(dǎo)致氣壓的變化;③明確壓強(qiáng)變化的類型及其給系統(tǒng)帶來的影響，正壓的力量往往將液體排出或氣體從液體中逸出;負(fù)壓則使裝置中的液體逆向流動(dòng)。

第三，審視典型案例，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)、分類、比較、推理、抽取等方法，將分析和解決氣體壓強(qiáng)問題的關(guān)鍵思維按照一定的流程進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、可視化表達(dá)，形成模型。

第四，隨著問題的靈活多變，原有的思維模型可隨時(shí)修補(bǔ)或優(yōu)化，使簡(jiǎn)略的模型逐漸趨向完整。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)原理的應(yīng)用思維模型如圖10所示。

思維模型的建構(gòu)是將一類化學(xué)問題中次要的、非本質(zhì)的信息舍去，提煉出一種解決問題的邏輯思維結(jié)構(gòu)。建構(gòu)過程中，從個(gè)性到共性歸納，從現(xiàn)象到本質(zhì)升華，揭示了系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性、層次性和自組織性，促進(jìn)了學(xué)生的分析、推理和設(shè)計(jì)等高階思維能力的發(fā)展，是學(xué)生深度學(xué)習(xí)的過程，更是一種高三高效復(fù)習(xí)的方法。

思維模型具有遷移學(xué)習(xí)的功能，應(yīng)用到相似問題上并高效地解決它們。因此，教師還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生通過類比、聯(lián)想等方法，將原有的思維模型橋接到新的情境中，化陌生為熟悉，化一般為具體，達(dá)到靈活應(yīng)對(duì)、觸類旁通的目的。[□][◢]

參考文獻(xiàn)：

[1]徐婷婷，王萍，謝寧，王麗麗.利用實(shí)驗(yàn)重構(gòu)氣體壓強(qiáng)知識(shí)的復(fù)習(xí)課[J].化學(xué)教學(xué)，2019（1）：76-78.

[2]許美蓮.基于模型認(rèn)知的高三化學(xué)復(fù)習(xí)[J].化學(xué)教學(xué)，2019（2）：75-79.