促進“物質(zhì)的量”概念本質(zhì)理解的教學設(shè)計研究

姜顯光 王明月

摘要： “物質(zhì)的量”是高中化學的重要概念，是宏觀與微觀聯(lián)系的重要橋梁?；诨瘜W史實，追尋科學家的思維方式和方法，促進概念本質(zhì)理解。以概念的歷史動態(tài)演變過程為線索，追隨化學家的腳步去探尋知識發(fā)展的歷史脈絡，了解概念提出的背景和意義，深刻體會概念的內(nèi)涵和價值，感受科學家嚴謹求實的科學態(tài)度以及追求真理的科學精神，發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 高中化學； 物質(zhì)的量； 化學史； 概念本質(zhì)； 教學設(shè)計

文章編號： 1005-6629（2023）09-0051-05???中圖分類號： G633.8???文獻標識碼： B

“物質(zhì)的量”是高中化學核心概念之一，是化學宏觀與微觀“定量”聯(lián)結(jié)的橋梁?；瘜W科學的發(fā)展歷史證明，只有深入到微觀領(lǐng)域，化學才走上了科學的發(fā)展道路。然而人類無法直接用肉眼或儀器觀察微觀世界［1］，“物質(zhì)的量”概念的引入，把化學宏觀與微觀聯(lián)結(jié)在一起。但“物質(zhì)的量”概念一般難以理解，相關(guān)知識內(nèi)容錯綜復雜，因此成為高中化學的教學難點。

促進概念本質(zhì)理解是落實新一輪基礎(chǔ)教育課程改革的目標，是發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)的重要途徑。諸多一線教師開展了“物質(zhì)的量”概念的教學研究，構(gòu)建了多種課堂教學案例。例如，基于認知發(fā)展理論教學、基于問題驅(qū)動的項目式教學、基于具身認知理論的教學等。以化學史為情境素材促進概念本質(zhì)理解是核心素養(yǎng)導向化學課堂教學的重要策略。學生通過化學史實進行知識學習、概念建構(gòu)，才能真正懂得“學什么”“為什么學”。本文旨在通過化學史實教學促進“物質(zhì)的量”概念本質(zhì)理解，促使學生感悟化學學科思想，體會化學學科思維方式和方法。

1? 教學主題內(nèi)容及教學現(xiàn)狀分析

本節(jié)課的內(nèi)容位于人民教育出版社《普通高中教科書·化學（必修·第一冊）》［2］第二章“海水中的重要元素——鈉和氯”中第三節(jié)“物質(zhì)的量”。本節(jié)課內(nèi)容主要包括“物質(zhì)的量”“摩爾”“阿伏伽德羅常數(shù)”“摩爾質(zhì)量”及各物理量之間的相互轉(zhuǎn)換計算。

在初中階段，學生已經(jīng)學習了原子、分子等微觀粒子的基本知識，對道爾頓原子學說、阿伏伽德羅分子學說有一定的了解。在高中階段，學生已經(jīng)學習了離子反應、氧化還原反應，因此對微觀粒子并不陌生?！拔镔|(zhì)的量”是學習氣體摩爾體積、物質(zhì)的量濃度等內(nèi)容的基礎(chǔ)，并貫穿于高中化學學習全過程，尤其在化學計算中處于重要的位置［3］。同時，“物質(zhì)的量”將微觀粒子與可觀測、可稱量的宏觀物質(zhì)聯(lián)系起來，被稱為化學宏微世界聯(lián)系的橋梁。

在教學實踐中，“物質(zhì)的量”教學中存在如下幾方面問題：（1）灌輸式教學。在實際教學中，“灌輸式”教學較為常見，學生往往是被動地、機械地記憶概念以及公式轉(zhuǎn)換［4］。由于學生單純地記憶大量概念，不理解引入“物質(zhì)的量”“摩爾”等概念的必要性，因此無法理解概念本質(zhì)。加上本單元概念頗多，很容易混淆。（2）機械地引入科學概念。部分教師直接以國際單位制中的七個基本物理量引入“物質(zhì)的量”概念。雖然學生知道長度、質(zhì)量等宏觀物理量，但是學生對其微觀內(nèi)涵并不理解。（3）缺乏相關(guān)史實資料的閱讀和學習，造成對概念本質(zhì)理解的缺失。從19世紀至今，科學家們先后提出了原子學說、分子學說、摩爾、阿伏伽德羅常數(shù)等假說或概念，最后才提出“物質(zhì)的量”概念。但是現(xiàn)實課堂教學卻是逆向進行的，大多數(shù)教師從“物質(zhì)的量”概念講起，再引出摩爾、阿伏伽德羅常數(shù)等概念，導致學生認為摩爾等概念是“物質(zhì)的量”概念的衍生品。解決上述問題的有效方法之一是將歷史進行梳理，只有明晰當時概念變化的歷史情境，才能真正明白情境中化學科學的理論、實踐、決策的價值［5］。

2? 教學思想

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出的主旨理念是化學學科核心素養(yǎng)［6］，“真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，也為學生化學學科核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機會”［10］。在素養(yǎng)導向的化學教學設(shè)計時，教師要“關(guān)注化學理論的歷史演進過程，結(jié)合理論模型發(fā)展中的重要事實和科學家的推理論證過程，引導學生認識化學理論的建立過程和思想方法”［7］。

追尋科學家的“腳步”，探尋科學家的思想方法，才能明確知識本質(zhì)，解決實際問題。概念的產(chǎn)生有其特定的社會歷史背景，學生了解概念的產(chǎn)生背景才能理解概念背后的價值。物質(zhì)的量、摩爾、阿伏伽德羅常數(shù)等概念的產(chǎn)生及演變貫穿著整個近代化學發(fā)展歷史，凝結(jié)著無數(shù)科學家的思想和方法，蘊含著豐富的科學價值。1803年，道爾頓提出化學意義上的原子概念，1811年，阿伏伽德羅提出分子假說。原子、分子概念的提出標志著化學家對化學微觀世界的認識取得了突破。1860年，第一次化學家國際會議在德國卡爾斯魯厄舉行，康尼查羅運用歷史與邏輯相一致的思想和方法，論證了原子和分子間的區(qū)別與聯(lián)系。1865年，洛施密特以阿伏伽德羅的猜想為基礎(chǔ)，測定出一定容積的氣體所含的分子數(shù)。1900年奧斯特瓦爾德提出“摩爾”概念。1908年，佩蘭等人陸續(xù)測定出了阿伏伽德羅常數(shù)的近似值。1971年國際計量大會決議“物質(zhì)的量”作為國際單位制中的一個基本物理量。自“摩爾”“物質(zhì)的量”提出以后，科學家們通過物質(zhì)的量間接地測量物質(zhì)的微觀粒子數(shù)目，將宏觀世界與微觀世界緊密地聯(lián)系起來。

3? 教學目標

（1） 通過閱讀化學史實資料，了解科學家在認識微觀世界過程中遭遇的困境，感受科學發(fā)展進步的曲折與艱辛。

（2） 通過閱讀分子、摩爾、阿伏伽德羅常數(shù)、物質(zhì)的量等概念的相關(guān)化學史實，建構(gòu)化學宏觀與化學微觀間的關(guān)聯(lián)，形成嚴謹求實的科學態(tài)度，勇于追求真理的科學精神。

（3） 通過宏觀質(zhì)量與微觀粒子質(zhì)量間關(guān)系的計算，確立物質(zhì)的量作為宏觀質(zhì)量與微觀粒子數(shù)之間定量聯(lián)系的橋梁功能。

4? 教學思路

教學思路如圖1所示。根據(jù)所提供的學習資料，通過小組合作進行交流討論，完成教學流程。

4.1? 遭遇困境

宏觀辨識與微觀探析是化學學科核心素養(yǎng)之一，宏觀、微觀是認識化學的視角。明確科學家在試圖將宏觀和微觀建立關(guān)聯(lián)時遇到的困境是理解知識本質(zhì)的基礎(chǔ)或前提。

4.1.1? 困境1：化學物質(zhì)是由什么構(gòu)成的？

問題1： 化學物質(zhì)構(gòu)成問題曾經(jīng)困擾了科學家多年，請閱讀學習資料1，看科學家遇到了什么問題？

學習資料1： 1803年，英國科學家道爾頓提出化學意義上的原子概念，認為原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。1811年，意大利物理學家阿伏伽德羅提出分子假說，認為分子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子，并且推導出了一些元素原子量和化合物分子式。這導致在后面半個世紀的時間里，科學家一方面都運用原子理論解決問題，而另一方面又不信任它，甚至懷疑原子本身的存在。另外，分子假說由于與“電化二元論”相矛盾而未獲承認。

問題2： 道爾頓的原子論、阿伏伽德羅的分子論是否解決了科學家長期關(guān)心的化學物質(zhì)構(gòu)成問題？原因是什么？

設(shè)計意圖： 通過閱讀學習資料1了解化學物質(zhì)構(gòu)成的歷史爭論，激發(fā)學生對化學微觀認識的興趣。啟發(fā)學生解決化學微觀世界的構(gòu)成層次問題，能夠有效地解決宏觀物質(zhì)與微觀粒子間的對接問題。問題1引導學生進行資料閱讀，體會對化學微觀認識不足導致在解決實際問題時遇到的困難；問題2引領(lǐng)學生對學習資料1的內(nèi)容進行深層理解，明確原子論和分子假說在研究物質(zhì)構(gòu)成問題時是存在缺陷的。由于化學微觀世界構(gòu)成層次不清晰，給科學家們帶來困惑，因此在將化學宏觀和微觀建立關(guān)聯(lián)時找不到“對接物質(zhì)”。培養(yǎng)學生的閱讀能力和分析能力。

4.1.2? 困境2：如何在宏觀與微觀之間建立定量關(guān)聯(lián)？

問題3： 科學家在將宏觀與微觀建立關(guān)聯(lián)的研究中實驗起到了至關(guān)重要的作用，請閱讀學習資料2，科學家發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律？

學習資料2： 1805年，法國物理學家蓋·呂薩克發(fā)現(xiàn)將氫氣和氧氣的混合氣體通過電火花點燃后生成水，100體積的氧氣總是和200體積的氫氣相化合。隨后蓋·呂薩克進一步研究了其他氣體物質(zhì)間的相互反應，也存在這一反應規(guī)律。

問題4： 蓋·呂薩克發(fā)現(xiàn)的比例關(guān)系與化學方程式中的哪些數(shù)值存在對應關(guān)系？

問題5： 這與初中用質(zhì)量進行化學反應計算存在著怎樣的關(guān)聯(lián)？

設(shè)計意圖： 學習資料2通過蓋·呂薩克發(fā)現(xiàn)的實驗規(guī)律，啟發(fā)學生在實驗規(guī)律、化學計量系數(shù)、質(zhì)量之間的建立對應關(guān)系。問題3引導學生閱讀學習資料2，提示學生閱讀資料關(guān)注點是什么；問題4引領(lǐng)學生思考，將資料中的信息與已學知識建立關(guān)聯(lián)，基于微觀粒子數(shù)視角認識化學反應物質(zhì)間的對應關(guān)系；問題5進一步引領(lǐng)學生思考，分子個數(shù)比與分子質(zhì)量比之間的關(guān)系，為后面突破困境做鋪墊。培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)規(guī)律和新舊知識關(guān)聯(lián)能力。

4.2? 突破困境

4.2.1? 突破1：探尋宏觀與微觀的對接物質(zhì)——分子

問題1： 從尺度視角看，宏觀物質(zhì)摸得著、看得見，微觀物質(zhì)摸不著、看不見。道爾頓和阿伏伽德羅分別提出原子、分子是構(gòu)成化學物質(zhì)的基本粒子，那么宏觀與微觀的對接物質(zhì)到底是原子還是分子呢？即哪個微觀粒子能夠反映宏觀物質(zhì)的性質(zhì)？請閱讀學習資料3。

學習資料3： 阿伏伽德羅分子假說在很長一段時間內(nèi)未受到化學界和物理學界的重視?；瘜W家們混淆使用當量、原子量和分子量等概念，而且化學式的表達也處于混亂狀態(tài)。1860年，德國卡爾斯魯厄舉行了第一次化學家國際會議，意大利科學家康尼查羅通過印刷小冊子的形式，指出測定原子量時，可以取氫分子的一半重量為一個單位，或規(guī)定氫分子的密度為2，這樣所有的分子量都可以用某一單位重量來表示。并進一步提出近年來化學之進步，已經(jīng)證實等體積的氣體中無論是單質(zhì)還是化合物，都含有相同數(shù)目的分子，但不一定含有相同數(shù)目的原子?？茖W家邁爾看到小冊子后興奮地說，“眼前的陰翳消失了，懷疑沒有了，使我有一種安定的明確的感覺”［8］。

問題2： 邁爾為什么有了安定的明確的感覺？

設(shè)計意圖： 學習資料3通過康尼查羅思想的重現(xiàn)，啟發(fā)學生明確分子和原子之間的關(guān)系，確定分子是保持物質(zhì)化學性質(zhì)的基本粒子，為建立宏微關(guān)聯(lián)找到了對接物質(zhì)。問題1是在困境1的基礎(chǔ)上提出，引導學生閱讀學習資料3，找出宏觀和微觀的對接物質(zhì)；問題2是借助邁爾的感慨，進一步思考、明確原子和分子之間的區(qū)別與聯(lián)系。培養(yǎng)學生的閱讀能力以及關(guān)鍵證據(jù)的提取能力。

4.2.2? 突破2：探尋宏觀與微觀的對接概念——阿伏伽德羅常數(shù)、物質(zhì)的量

問題3： 分子是保持物質(zhì)化學性質(zhì)的微觀粒子。宏觀上，可以用“質(zhì)量”“體積”等概念對物質(zhì)的數(shù)量進行描述；微觀上，分子的質(zhì)量、體積很小，而且數(shù)目龐大，如何利用質(zhì)量、體積間接計算微觀粒子數(shù)目呢？請閱讀學習資料4。

學習資料4： 1811年，阿伏伽德羅發(fā)表論文提出“對于相等體積的任何氣體，其中所含的分子數(shù)目是相等的，或者總是與它的體積成比例的”［9］。1865年，奧地利物理學家洛施密特根據(jù)分子運動論測得標準狀態(tài)時1m3任何氣體都含有2.6876×1025個分子，這為分子假說從定量角度提供了支持［10］。1900年，奧斯瓦爾德提出“摩爾”概念，在正常情況下，22414毫升任何氣體分子數(shù)量為1摩爾［11］。1908～1909年，法國物理學家佩蘭通過實驗證實了分子的存在，并測得這個數(shù)值為7.5×1023，于1908年將1克分子量（在19世紀上半葉，克分子量、克原子量等概念都用來表達物質(zhì)質(zhì)量）體積中的分子數(shù)規(guī)定為1阿伏伽德羅常數(shù)（為紀念分子假說的提出者——阿伏伽德羅），1981年舍夫利德等人在對X射線做了改進之后測定出其近似值為6.02×1023，用符號NA表示，單位是mol-1［12］。

問題4： 通過閱讀學習資料5，請同學們分析“物質(zhì)的量”概念提出的價值是什么？

學習資料5： 1961年，國際純粹和應用物理聯(lián)合會（International Union of Pure and Applied Physics）確認用“物質(zhì)的量”表示一個不同于“質(zhì)量”的新物理量，單位是摩爾。1965年，國際純粹和應用化學聯(lián)合會（International Union of Pure and Applied Chemistry）接受了這一概念。1971年，第14屆國際計量大會確認“物質(zhì)的量”作為國際單位制中的一個基本物理量，單位是摩爾。

設(shè)計意圖： 學習資料4為明確摩爾、阿伏伽德羅常數(shù)兩個概念的物理意義是表征“微觀粒子集合體”，學習資料5為確定“物質(zhì)的量”“質(zhì)量”均是表征物質(zhì)宏觀數(shù)量的概念。問題3引導學生建立“微觀粒子集合體”概念及其之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即阿伏伽德羅常數(shù)（NA）與微觀粒子數(shù)（N）之間的關(guān)聯(lián)。問題4引領(lǐng)學生認識“物質(zhì)的量”是一個有別于“質(zhì)量”來表征物質(zhì)宏觀數(shù)量的概念，促進對概念本質(zhì)的理解，感受科學家們追求真理的科學精神和嚴謹求實的科學態(tài)度。

4.3? 解決問題

4.3.1? 解決1：質(zhì)量與阿伏伽德羅常數(shù)的關(guān)聯(lián)——摩爾質(zhì)量

問題1： 宏觀上定量描述物質(zhì)通常用質(zhì)量、濃度、體積等物理量。摩爾質(zhì)量與微觀粒子數(shù)之間是什么關(guān)系？

例： 1mol CO2中含有阿伏伽德羅常數(shù)，約為6.02×1023個CO2分子，每個CO2分子的質(zhì)量約為7.31×10－23g，計算1mol CO2的質(zhì)量。

設(shè)計意圖： 例題是為引入“摩爾質(zhì)量”概念。通過例題計算，學生可以得出1mol CO2分子的質(zhì)量與其相對分子質(zhì)量在數(shù)值上相等，解決了阿伏伽德羅常數(shù)與物質(zhì)的質(zhì)量之間建立定量關(guān)聯(lián)的問題。培養(yǎng)學生的計算能力和知識關(guān)聯(lián)能力。

4.3.2? 解決2：宏觀質(zhì)量與微觀粒子數(shù)的定量橋梁——物質(zhì)的量

問題2： 通過觀察表1中的數(shù)據(jù)，認識質(zhì)量、物質(zhì)的量、微粒間是什么對應關(guān)系？

C與O2反應生成CO2，其質(zhì)量、物質(zhì)的量、微粒個數(shù)對應關(guān)系如表1所示。

設(shè)計意圖：表1呈現(xiàn)了物質(zhì)的宏觀質(zhì)量、物質(zhì)的量及微粒個數(shù)之間的對應關(guān)系。問題2引導學生發(fā)現(xiàn)表1中的數(shù)據(jù)規(guī)律，并進行宏觀與微觀間的計算轉(zhuǎn)換，逐步感受物質(zhì)的量的橋梁功能。培養(yǎng)閱讀數(shù)據(jù)獲得證據(jù)進行推理、關(guān)聯(lián)的能力。

5? 教學反思與啟示

5.1? 追隨科學家思想變遷有助于化學概念本質(zhì)理解

追隨科學家的思想變遷以深入了解化學概念提出時的歷史背景、過程及其意義，才能深刻感悟其內(nèi)涵、本質(zhì)與價值。明確科學家遭遇的困境是科學前進的方向和動力。宏觀、微觀是認識化學的兩個視角，宏觀用質(zhì)量、體積等物理量進行表征，微觀用原子、分子進行表征，那么“原子和分子間存在著怎樣的聯(lián)系和區(qū)別、宏觀和微觀之間如何建立起關(guān)聯(lián)”，這在當時已成為困擾科學家們的難題?？茖W家們突破困境是科學思想方法創(chuàng)新的過程?？的岵榱_運用歷史和邏輯相統(tǒng)一的觀點解決了原子和分子的聯(lián)系以及區(qū)別的問題?！澳枴薄鞍⒎さ铝_常數(shù)”概念表征“多個分子構(gòu)成的集合體”，通過“集合體”把質(zhì)量小、看不見、摸不著的微觀分子進行表征，解決了宏觀與微觀之間難以定量關(guān)聯(lián)的難題。

5.2? 化學史實是化學課堂教學的重要資源

歷史是由一個一個的事件構(gòu)成的，但歷史是前人智慧的結(jié)晶，其思想、方法給后人以啟迪。通過化學史實作為課堂教學資源，提供相關(guān)化學史實資料給學生，有利于學生進行意義建構(gòu)，從“根”上理解知識發(fā)展的來龍去脈，體現(xiàn)學科特質(zhì)，反映學科思想［13］。如通過呈現(xiàn)1860年的卡爾斯魯厄化學家國際會議，明確會議前大家對化學物質(zhì)構(gòu)成認識的混沌狀態(tài)，康尼查羅通過散發(fā)小冊子的形式統(tǒng)一了國際認識，明確了原子和分子的區(qū)別與聯(lián)系，這為化學宏觀與微觀間建立關(guān)聯(lián)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

5.3? 交流研討是學生間思維碰撞的重要途徑

思維的碰撞產(chǎn)生有效的交流，有效的課堂交流需要教師引導學生在問題中交流，在交流中反饋，在反饋中碰撞，在碰撞中生成新的精彩［14］。本節(jié)課以學生為主體，教師為主導的教學方式貫穿教學始終。設(shè)立學習小組、創(chuàng)設(shè)問題情境并結(jié)合學習資料的運用，為學生提供了一個在探討交流中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的環(huán)境和機會，不僅能最大程度地讓學生融入課堂，還能激發(fā)其學習欲望、滿足其學習成就感。在教師有效的引導下，師與生、生與生之間對問題的交流與探討活動也最大限度地激發(fā)了學生之間思維的碰撞，對其創(chuàng)造性思維的培育有重要的意義。

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