基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)化學(xué)宏微素養(yǎng)的實(shí)踐研究
——以“氣體摩爾體積”為例

龔翠萍 上海市川沙中學(xué)

新課程改革背景下，教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)更加注重化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。在此階段應(yīng)用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方法，通過創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)置目標(biāo)，提出問題，以制定項(xiàng)目任務(wù)的方式，讓學(xué)生主動(dòng)參與探究和解決問題的活動(dòng)，提交項(xiàng)目成果，并進(jìn)行學(xué)習(xí)效果的檢測(cè)和項(xiàng)目活動(dòng)的評(píng)價(jià)與改進(jìn)，可以有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“宏觀辨識(shí)與微觀探析”，是化學(xué)研究物質(zhì)及其變化的獨(dú)特視角。在化學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生應(yīng)盡可能地將宏觀和微觀結(jié)合起來，從微觀本質(zhì)上理解和思考宏觀現(xiàn)象和變化。新課程新教材強(qiáng)調(diào)教學(xué)過程是師生交往、共同發(fā)展的互動(dòng)過程。在教學(xué)過程中以問帶學(xué)，通過問題鏈，處理好傳授知識(shí)與培養(yǎng)能力的關(guān)系，注重學(xué)生的獨(dú)立性和自主性的培養(yǎng)。引導(dǎo)學(xué)生觀察、質(zhì)疑、探究，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，使學(xué)習(xí)成為在教師指導(dǎo)下主動(dòng)的、富有個(gè)性的過程。

一、教學(xué)背景分析

（一）教材分析

在中學(xué)階段的基本概念和基礎(chǔ)理論知識(shí)中，《氣體摩爾體積》這一專篇占有重要地位，對(duì)學(xué)好化學(xué)計(jì)算、掌握氣體性質(zhì)起著十分關(guān)鍵的作用，也是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。中學(xué)化學(xué)許多反應(yīng)都會(huì)涉及到氣體，若要進(jìn)行定量分析，運(yùn)用氣體摩爾體積不僅能簡(jiǎn)化計(jì)算，給化學(xué)研究帶來方便，同時(shí)也能為以后學(xué)習(xí)有關(guān)氣態(tài)反應(yīng)物和生成物的化學(xué)方程式計(jì)算、化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡提供必備的基礎(chǔ)知識(shí)。

（二）學(xué)情分析

氣體摩爾體積是一個(gè)抽象的概念，需要學(xué)生從以前的“以質(zhì)量為核心”向現(xiàn)在的“以物質(zhì)的量為核心”及時(shí)轉(zhuǎn)變。實(shí)際上，大部分學(xué)生對(duì)固體、液體、氣體只有感性上的認(rèn)識(shí)，卻很少關(guān)注物質(zhì)的三態(tài)在微觀上的異同。好在高一學(xué)生具備了一定的探究意識(shí)和觀察能力、分析能力、數(shù)據(jù)處理能力，這些都為更好地學(xué)習(xí)氣體摩爾體積做好了鋪墊。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

圖1

三、基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)施

（一）創(chuàng)設(shè)問境，滲透宏微結(jié)合的雙向培養(yǎng)（見表1）

表1

（二）直觀展示，強(qiáng)化微觀探析素養(yǎng)的培養(yǎng)

【環(huán)節(jié)1】1 mol氣體的體積〉〉1 mol固、液體的體積

圖2 物質(zhì)聚集狀態(tài)的示意圖

設(shè)計(jì)意圖：借助物質(zhì)聚集狀態(tài)的示意圖，我們可以知道，氣體微粒間的距離遠(yuǎn)大于固、液體微粒間的距離，所以當(dāng)微粒數(shù)目都為1 mol 時(shí)，氣體的體積一定遠(yuǎn)大于固、液體的體積。引導(dǎo)學(xué)生從固、液、氣體的微觀結(jié)構(gòu)角度去解釋。

【環(huán)節(jié)2】有氣體摩爾體積，而沒有固、液體摩爾體積

圖3

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生從圖示進(jìn)一步體會(huì)固、液體微粒間距小，摩爾體積受微粒的大小影響，沒有定值，故沒有固、液體摩爾體積。氣體的摩爾體積受分子間距離的影響，因?yàn)榉肿娱g距在同溫同壓下是定值，故有氣體摩爾體積。

【環(huán)節(jié)3】阿伏加德羅定律中應(yīng)用對(duì)象的說明

圖4

設(shè)計(jì)意圖：由圖可知，氣體分子間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子直徑，故分子本身的大小可以忽略不計(jì)。所以這里的“任何氣體”，可以是單一氣體或混合氣體。通過直觀展示，更利于學(xué)生理解微觀結(jié)構(gòu)影響宏觀現(xiàn)象。

（三）證據(jù)推理，鞏固宏觀辨識(shí)素養(yǎng)的培養(yǎng)

【環(huán)節(jié)1】建立阿伏加德羅定律

【教師】1 mol的氣體，微粒數(shù)相等，體積主要和微粒間距有關(guān)。同溫同壓下，由于不同的氣體分子間的距離相等，因此1 mol的氣體其體積相同。反過來，同溫同壓下，若兩種氣體的體積相同，則它們的分子數(shù)是什么關(guān)系？

【學(xué)生】它們的分子數(shù)一定相等。

【教師】引出阿伏加德羅定律。關(guān)注到“同”這一詞，前面的“三同”是條件，最后的“一同”是結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖：氣體運(yùn)動(dòng)規(guī)律是氣體所占體積的內(nèi)因，外界條件是氣體所占體積的外因。外因通過內(nèi)因起作用，內(nèi)因是事物變化的根據(jù)。通過分析，使學(xué)生理解內(nèi)因和外因的辯證關(guān)系。進(jìn)一步幫助學(xué)生通過宏觀認(rèn)識(shí)進(jìn)行微觀探析，培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

【環(huán)節(jié)2】建立氣體摩爾體積

【教師】通過概念辨析，明確1 mol的氣體，在同溫同壓下的體積是相等的。從而引出氣體摩爾體積的概念：一定溫度和壓強(qiáng)下，每摩爾氣體所具有的體積。

【教師】在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，Vm=22.4 L·mol-1。那么只有在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氣體摩爾體積才等于22.4 L·mol-1嗎？

【學(xué)生】標(biāo)準(zhǔn)狀況只是定了氣體分子間距，氣體摩爾體積數(shù)值可以有很多，在確定的溫度和壓強(qiáng)下是定值。所以在非標(biāo)準(zhǔn)狀況下，氣體摩爾體積也可以是22.4 L·mol-1。

設(shè)計(jì)意圖：從標(biāo)準(zhǔn)狀況推廣到任一溫度和壓強(qiáng)，再次強(qiáng)調(diào)宏觀上一定的溫度和壓強(qiáng)決定了微觀上的微粒間距，即當(dāng)溫度和壓強(qiáng)確定后，分子間的平均距離就是定值，只要粒子數(shù)確定，即體積確定。

（四）項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，發(fā)展宏微結(jié)合素養(yǎng)的培養(yǎng)

1.項(xiàng)目介紹

1 mol 任何氣體的體積在同溫同壓下是相等的，在273 K和101 kPa時(shí)約為22.4 L。

布置任務(wù)：請(qǐng)你設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定一定條件下1 mol 氫氣的體積。

2.活動(dòng)目標(biāo)

（1）明確測(cè)定一定溫度和壓強(qiáng)下氣體摩爾體積的方法。

（2）學(xué)會(huì)測(cè)定1 mol氣體體積的實(shí)驗(yàn)操作

（3）知道實(shí)驗(yàn)誤差的形成和實(shí)驗(yàn)相對(duì)偏差的計(jì)算

3.自主研究

活動(dòng)1：學(xué)生小組討論，確定反應(yīng)原理

問題1：制備氫氣的原理是什么？

問題2：反應(yīng)物的選擇，相較于初中使用鋅粒與酸反應(yīng)制備氫氣，為什么選擇鎂帶？

問題3：實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)硫酸的濃度有沒有要求？將硫酸換成鹽酸你認(rèn)為是否合理？

小結(jié)：確定通過鎂和稀硫酸反應(yīng)生成氫氣。

活動(dòng)2：學(xué)生查閱資料，選擇反應(yīng)裝置

問題1：實(shí)驗(yàn)時(shí)一般不會(huì)直接用1 mol 的氣體進(jìn)行測(cè)量，原因主要是什么？

問題2：通過反應(yīng)物和生成物物質(zhì)的量之間的關(guān)系，可以借由稱量固體物質(zhì)的質(zhì)量，等效替代氫氣的物質(zhì)的量嗎？

問題3：生成的氫氣可用排水法收集在什么容器中？

問題4：測(cè)定氣體的體積，為什么要標(biāo)明溫度和壓強(qiáng)？

小結(jié)：選擇電子天平稱量鎂帶質(zhì)量，Y 形管、量氣管和水準(zhǔn)管組合來測(cè)定反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣的體積。

活動(dòng)3：學(xué)生小組交流，設(shè)計(jì)反應(yīng)路徑

問題1：化學(xué)定量實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有何要求？為了達(dá)到這樣的要求，在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上需要充分考慮哪些問題？

問題2：實(shí)驗(yàn)時(shí)，稱取的鎂帶質(zhì)量為何控制在0.015 0 g～0.025 0 g？

問題3：裝配好化學(xué)反應(yīng)氣體體積測(cè)定裝置后，怎樣進(jìn)行氣密性檢查？

問題4：讀量氣管刻度數(shù)據(jù)時(shí)，為何每次都需要先調(diào)節(jié)兩邊液面相平？

問題5：氫氣的體積怎么算？

小結(jié)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，各小組交流實(shí)驗(yàn)步驟，完善實(shí)驗(yàn)方案。

活動(dòng)4：學(xué)生實(shí)施項(xiàng)目，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)，測(cè)定并記錄常溫常壓下產(chǎn)生的氫氣的體積，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，換算出1 mol 氫氣的體積，并能通過教師提供的實(shí)驗(yàn)溫度下1 mol 氫氣體積的參考值，計(jì)算相對(duì)偏差。

教師盡可能多地收集全班同學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，了解所有學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性情況及與參考值的偏差情況。

4.項(xiàng)目評(píng)價(jià)

（1）裝置的選擇

教師通過分析直接測(cè)量氣體體積的裝置（圖5）和排水法測(cè)量氣體體積的裝置（圖6）的利弊，引發(fā)學(xué)生討論自己的設(shè)計(jì)中有什么問題，嘗試進(jìn)一步完善各小組設(shè)計(jì)方案，最后引出測(cè)定1 mol氫氣體積的正確裝置（圖7）。

圖5

圖6

圖7

（2）實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)偏差有的來自儀器裝置自身或試劑的品質(zhì)，有的來自操作的不當(dāng)。定量測(cè)定的偏差允許在一個(gè)范圍內(nèi)存在。通過收集全班同學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，對(duì)測(cè)定結(jié)果與參考值偏差很大的情況，引導(dǎo)學(xué)生回顧自己的實(shí)驗(yàn)過程，分析產(chǎn)生誤差的可能原因。

四、教學(xué)反思

開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)培養(yǎng)化學(xué)宏微素養(yǎng)的實(shí)踐研究表明：

1.有助于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的培養(yǎng)。教學(xué)中不斷設(shè)“障”立“疑”，顯性地為學(xué)生提供微觀與宏觀之間的雙向思維路徑，有助于培養(yǎng)學(xué)生的微觀想象能力，用微粒的觀念去學(xué)習(xí)的習(xí)慣。只有合理地建構(gòu)了微粒觀，才能使學(xué)生用科學(xué)的觀點(diǎn)理解宏觀事物及其變化，做出正確的判斷，也就相應(yīng)地提升了學(xué)生的素質(zhì)。

2.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能夠促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度的轉(zhuǎn)變，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。能提高學(xué)生綜合能力和實(shí)驗(yàn)認(rèn)知能力，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力，促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)態(tài)度的轉(zhuǎn)變，提升實(shí)驗(yàn)思維。在小組合作時(shí)，學(xué)生能親身體驗(yàn)成功，讓學(xué)生的自我效能感倍增，不僅能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自信心，更為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展創(chuàng)設(shè)了重要的條件。

3.有助于把教學(xué)活動(dòng)的重心從“教”轉(zhuǎn)移到“學(xué)”上，把教師的職能重心從“授”轉(zhuǎn)移到“導(dǎo)”上，把教學(xué)目標(biāo)的重心從單純的知識(shí)傳授轉(zhuǎn)移到能力培養(yǎng)、智力開發(fā)上，這才與新課程中教與學(xué)要求相吻合。當(dāng)教師從知識(shí)的傳遞者變成學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)者、組織者和指導(dǎo)者，就會(huì)極大地調(diào)動(dòng)起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決意識(shí)，這與新課改目標(biāo)和諧統(tǒng)一。