基于高中化学核心素养模式下的教学——“气体摩尔体积”教学设计

吉林

(作者单位：长春吉大附中实验学校)

一、气体摩尔体积教学背景分析

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》中对“气体摩尔体积”没有提出具体要求，但是在第四部分“课程内容”主题1化学科学与实验探究中提出：了解物质的量及其相关物理量的含义和应用，体会定量研究在化学学科中的重要作用。

在中国知网网站中以“气体摩尔体积”为关键词进行文献检索，发现相关的教学案例较少。同时发现近十年来，与气体摩尔体积有关的文献主要是关于气体摩尔体积测定的实验方案改进以及与气体摩尔体积相关的试题、解题技巧方面的内容。经过对文献的分析研究，并结合在实际教学中学生有关气体摩尔体积的学习情况，笔者发现学生们在学习过程中普遍存在如下问题：一、对于标准状况下气体摩尔体积的概念理解存在偏差，有学生认为只有在标准状况条件下，1 mol任何气体的体积才约为22.4 L，如果不在此条件下，1 mol任何气体的体积就不为22.4 L；二、学生将摩尔质量与摩尔体积两个概念等同处理，认为气体摩尔体积也是一个固定值，与气体种类有关，而忽略了外界条件对气体摩尔体积的影响；三、学生在对气体摩尔体积的理解仅仅停留在会用它进行计算，而并没有理解其本质。

他的身下，是一朵硕大的水莲花。那水莲花从江面生出，晶莹剔透，花瓣层叠，纹路清晰，道道水波在其中上下流转。他就站在水莲花正中的莲蓬上，周围的花瓣清晰地映出了他的影子。

因此，本文中的课程设计主题意在寻找气体摩尔体积的“本源”，结合气体摩尔体积相关的化学史，让学生亲自体会并参与理想气体状态方程的发现过程，并运用该方程自主推导出标准状况下气体摩尔体积的数值，加深学生对该问题的理解。

二、核心素养背景下的教学设计

1.教学目标

(1)通过对实验数据的计算处理，宏观层面上感受不同状态下物质的体积变化规律，并能从定性和定量的角度得出不同状态物质体积的变化规律，有利于提高学生运用证据解释相关现象的能力。

(2)通过将实物对比、微粒间距示意图、扫描隧道显微镜下固体形貌的照片以及气体模拟示意图相结合，建立宏观与微观相结合的思想，分析不同因素对物质体积的影响情况，有利于培养学生使用科学手段分析问题的能力。

2)以郑煤集团白坪煤业公司东翼风井主要通风机为试验对象，利用静压差法与动压法对主要通风机风量进行了实测，2种方法的现场实测风量结果的相对误差均小于6%，说明静压差法和动压法的实测风量结果的准确度均能满足现场工程需求；相同风机静压下，动压法测试结果整体小于静压差法，现场实测结果验证了前文中静压差法风量测试结果大于动压法的理论分析结果。

(3)结合“气体摩尔体积”相关的科学史实，模拟理想气体状态方程的推导历程，体会科学探究的一般方法与思路，培养学生的科学探究意识。

(4)结合理想气体状态方程，自主推导标准状况条件下气体摩尔体积的数值，加深学生对气体摩尔体积影响因素的理解，充分体现理论指导学习的重要性。

2.教学流程设计图

根据表2，计算出项目年平均收益308 863元，项目初始投资额为2 840 000元，按照式（2）计算得出项目的投资年收益率为10.8%，低于三甲医院平均基准收益率15%，说明该设备经济运行一般。

图1

3.教学流程

任务一：“摩尔体积”概念的引入

权力是一把双刃剑。一方面，社会财富在权力的支配下向少数人手里集中，造就了一批百万富翁、千万富翁、亿万富翁，而社会底层则日趋贫困甚至民不聊生，大大激化了社会矛盾。另一方面，掌权者由于可以不劳而获，日益骄奢淫逸、不思进取。这两方面因素共同作用的最后结果，就是当权者下台，政治权力发生更替。古今中外历史上这样的故事曾一再上演。20世纪90年代，苏共失权就是比较典型的案例。

【问题情境】经过之前的学习可以了解到，通过物质的量这个桥梁可以将宏观质量和微观粒子数联系起来，但在生活中并不是所有宏观物质均能用质量来衡量，例如家用天然气以立方米为单位计价，科学研究中测量气体中的微量物质也是以多少mg·L-1计价，市售的氧气也是以升为单位计价的，再例如淘宝上推荐的适合高原使用的氧气瓶，每瓶8.2 L。那么大家是否想过这8.2 L氧气中有多少氧气分子呢？联系宏观体积和微观个数的桥梁又是什么呢？

【学生活动】再次明确物质的量的桥梁作用，思考、类比、迁移说出体积与物质的量之间的桥梁——摩尔体积，并类比摩尔质量的定义，给出摩尔体积的定义。

自主论证这一活动的开展对学生学习能力的要求比较高，也是检验学生知识灵活运用能力的有效方式之一。所以，在核心素养下，为了锻炼学生的逻辑推理能力，我们要给学生搭建自主论证的平台，让学生自主去寻找知识点之间的联系，并通过一定的数学理论来对未知数学理论知识进行验证，这样不仅能够提高学生的自主论证能力，也能让学生在自主证明中形成一定的逻辑推理能力。

【设计意图】利用学生认知的局限性，根据生活中的实例，设置问题冲突，引导学生发现问题，并利用类比的学习方法，寻找解决问题的途径，在引入气体摩尔体积概念之前，先让学生了解摩尔体积这一新的名词，循序渐进，为后续学习活动的展开做好铺垫。

任务二：探究影响物质体积的因素

【学生活动】类比影响固、液体物质体积因素的讨论过程，思考、交流，讨论得出决定固体、液体体积大小的主要因素是粒子的大小，而决定气体体积大小的主要因素是粒子间的距离。

【问题引导】已知20℃、101 kPa下三种固体物质和三种液体物质的密度，请大家利用已知数据分别计算1 mol下列六种物质的摩尔体积。现在开始计算，将计算结果写在学案上。1 min后请小组派代表展示计算结果。

表1

【学生活动】小组合作，通过计算得出不同固体和液体的摩尔体积，并交流得出结论。

【成果展示】小组依次派代表汇报计算结果。

【问题引导】回顾刚刚的计算结果，1 mol固体和液体的体积相同吗？对于固体和液体来说他们的摩尔体积有什么特别规律吗？下面请分组讨论，从微观粒子的角度思考是哪些因素影响了上述物质的体积？

1.2.1常规检查 常规检查就是为患者进行体格检查、体征检查以及超声检查、轴移检查等，为疑似膝关节前交叉韧带损伤患者最先进行的检查手段。

【学生活动】结合计算数据，分组讨论，从微观粒子角度考虑决定固体和液体物质体积大小的因素，小组代表交流讨论结果，并互相改正、补充。

【设计意图】引导学生从感性、理性两方面认识事物客观规律，培养科学归纳的能力。

【学生活动】由小组代表阐述讨论结果。

【过渡】请同学们再看看刚刚的这组数据，在20℃、101 kPa 条件下，其摩尔体积数值是24，当压强扩大一倍后其数值缩小一倍，变成12，而当温度升高后，其数值也增加了，那气体体积与温度及压强有怎样的具体的数量关系呢？接下来跟着前人的足迹一起探究一下。

对于液体来说，虽然液体物质的体积可以发生改变，但其内部仍然是紧密堆积的模式。所以影响液体物质体积的因素和固体是一样的。

(a)

(b)

(c)

【问题引导】既然这两组数据成正比，那么结合数学中简单的正比例函数y=kx，再利用刚刚提供的实验数据，请同学们计算一下它们之间的正比例系数是多少？比例关系是什么样的？将计算结果填在表5中。

【设计意图】将微观问题宏观化，引导学生在脑海里建立理想模型，帮助学生理解决定物质体积大小的主要因素，形象地分析物质体积决定因素，对学生进行空间想象能力和逻辑推理能力的训练。

【问题引导】物有三态，那气体物质的摩尔体积又有什么样的规律呢？表2也列出了20℃、101 kPa下三种气体的密度，请大家计算一下它们的摩尔体积，并汇报计算结果。

常书铭强调，要深入贯彻落实习近平总书记“两山”理论，以新理念引领新时代水保工作。党的十九大就生态文明建设的发展理念、目标任务和战略举措作出了全面安排部署，提出了一系列新思想、新理念、新判断。我省水土保持工作也要顺应新时代发展要求，坚持科学理念引领，坚持问题导向，在工作思路、发展理念等方面作出调整和转变。要牢固树立人与自然和谐共生、绿水青山就是金山银山的发展理念。要牢固树立以人民为中心、三大效益兼顾的发展理念。要牢固树立转变政府职能、推进法治水保的发展理念。要牢固树立科技水保、智慧水保的发展理念。

表2

【过渡】根据计算结果，大家是否发现了特殊的规律呢？为什么三种组成结构完全不同的三种气体，其摩尔体积完全相同呢？

【过渡】当物质种类明确时，其摩尔质量是确定的，数值等于其相对原子或相对分子质量，那摩尔体积是不是也有这样的规律呢？

【原理展示】与固体、液体相比，气体分子的间距较大，从模拟图中能看出粒子的间距已经远远超过粒子本身的大小，因此可以归纳出影响气体物质体积的因素主要是粒子间的距离。

图3

桑：写作是将内心世界向外部世界推进的一种手段，是一种巨大的幸福，是一种奇妙的解脱和真正的生活。这当中，我拒绝一切陈规俗律的束缚，不顾一切，不惜任何代价地写作，你无法想象我有多么狂热地爱着《德克萨斯》，《德克萨斯》是我在最美的岁月中用灵魂创作的一部作品，倾注了我所有的情感与思想。它将是我一生的珍藏，我只将它献给我最爱的人。我希望我的痴心倾注，能赋予作品一种内在激情及真实性。

【问题引导】那么影响粒子间距的因素又有哪些呢？其实这个问题在初中就已经学习过，例如热胀冷缩的原理，乒乓球受热膨胀的原因即为温度升高，气体分子间距增大，导致体积膨胀。

为了进一步证明刚刚的分析，请同学再看一组数据，这组数据再次证明只要确定了温度和压强，其摩尔体积就是固定的。

表3

【设计意图】在明确主要影响因素的基础上研究气体，学生能够对气体的特点分析地更清晰，找到外界条件中的影响因素，明确讨论气体体积大小时必须规定温度和压强。既突破了从宏观到微观的难点，又培养了“透过现象，抓住本质”的辩证唯物主义认识观点。

【概念理解】固体和液体摩尔体积没有代表性，且规律性不强，而且这两类物质用质量衡量的情况占多数，无需引入摩尔体积，但气体不同，所以这里同学们要学习一个新的名词——气体摩尔体积。其定义为单位物质的量的气体所具有的体积称为气体摩尔体积，通常用符号Vm表示；单位为L·mol-1或m3·mol-1。类比摩尔质量，由此可以得出摩尔体积的表达式。

【学生活动】思考、交流、讨论引入气体摩尔体积的原因。

【问题引导】随着问题的研究深入，又出现了新的问题，通过前面分析请同学思考一下是否需要引入“固体摩尔体积”“液体摩尔体积”“气体摩尔体积”三个概念呢？

【设计意图】相对于直接给出气体摩尔体积的概念，让学生了解固、液、气三种物质状态的摩尔体积后，对比讨论得出气体摩尔体积的定义，更能进一步加深学生对该定义的理解，明确其重要性。

任务三：探究标准状况下气体摩尔体积

【原理展示】通过扫描隧道显微镜下固体形貌的照片可以看出，对于固体物质来说，粒子之间紧密排列，间距较小，相对于粒子本身的大小可以忽略不计，因此对于等物质的量的固体物质来说影响体积的因素主要是粒子本身的大小。如图2(a)所示，铅原子直径较大，所以在三种物质当中，其摩尔体积最大。因此可以总结出影响固体物质体积的因素：粒子自身大小。但若不限制等物质的量，则微粒个数也是主要影响因素。

【史实展示】回顾“气体摩尔体积”相关的科学史实，并将其转化为不同物理量间的数学关系。

表4

【设计意图】提供直观形象的感性材料，学生受到启发，轻松地得出粒子的大小、数目、粒子间距影响物质体积大小的结论，并进一步从微观的角度分析影响固体和液体物质体积的具体因素。

表5

【学生活动】对数据进行处理计算，得出V、T、p、n之间的比例关系：pV=8.31nT。

【设计意图】本环节以科学史为主线，以科学探究和数据处理为手段，遵循从感性认识到理性认识，从定性到定量的认知规律，在回顾科学史和数据处理的过程中，加深学生对知识的理解和科学本质的认识。

【归纳总结】其实这个规律早在1834年就已经发现了，并由此总结出了“理想气体状态方程——pV=nRT”，其中的R就是刚刚计算得到的系数，其数值经过科学家的严密计算约等于8.314。(此处需强调单位换算)

任务四：加深对标准状况下气体摩尔体积的理解

【过渡】下面请同学们利用理想气体状态方程计算0℃、101.35 kPa条件下的气体摩尔体积。

【学生活动】利用已知公式和数据推导出标况下气体摩尔体积Vm≈22.4 L·mol-1。

【归纳总结】因为0℃、101.35 kPa易于控制，且在科学计算中比较常用，因此可将其称为标准状况，简称标况，标况下的气体摩尔体积为22.4 L·mol-1，在使用标况下的气体摩尔体积进行计算的时候要注意(PPT展示注意事项)：

图4

【学生活动】完成配套的课堂练习

【学以致用】1.解释现象：为什么电解水实验得到的气体体积比为1∶2？

本工程根据工程规模、建设要求、茅洲河现场水域条件、自然与环境条件等影响因素进行选择清淤设备及输送方式。考虑到清淤范围内水域深度较浅，周围多为居民生活区，不适宜用清淤船舶和泥驳输送方式进行清淤，故采用水上挖掘机清淤技术。运输方面考虑到大型自卸车无法驶入河道，也不宜直接在截污箱涵顶面工作，建议在运输方式上采用浮桶+船+自卸汽车。施工操作思路为：由水上挖掘机将挖上来的底泥放置到船上的浮桶中，由船将浮桶运送到岸边的截污箱涵上，汽车吊将浮桶运到停放在堤顶路上的自卸汽车中，最后由自卸汽车统一运输到附近的临时处理场地进行处理。

2.解决实际问题：计算课堂开始前的8.2 L氧气瓶中有多少氧气分子？

【设计意图】巩固化学概念的建立过程，促进化学概念的应用。

三、教学反思

1.多线索、多角度联动教学，促进化学核心素养的发展

对于中国共产党站在新的历史起点上开展的此次群众路线教育实践活动对自身所产生的实际效果与影响，大部分国外媒体认为，其总体上达到了预期目标，效果令人满意。

本节课采用知识线、任务线、情境线、素养线和多线索联动教学，在教学过程中，由宏观现象引出相关问题，并从微观角度解释宏观现象；由实验数据发现问题，并用理论事实解决问题；由科学史实引出猜想，并用数据推导的手段验证猜想。

2.遵循认知规律，逐层递进加深对重难点的理解

运用类比思想，从摩尔质量类比摩尔体积，从摩尔质量的规律类比推测摩尔体积的规律，明确为什么学习摩尔体积；数据推演、实物对比、理论分析、证据验证，明确物质体积的影响因素，进而验证对摩尔体积规律的推测；通过将大问题分割成层层递进的小问题，降低探究难度，一步步加深对相关理论的理解。在这个过程中循序渐进，尊重学生认知规律，由易到难，由浅到深，从根本解决本节课的重难点。

3.史实重现，凸显理论指导学习的重要性

从知识层面来说，将化学史与高中化学课堂合理的相融合，可以追本溯源，加深学生对某些概念的理解；从人文层面来说，化学史的引入不仅可以提高学生学习化学的兴趣，调动学习的积极性，而且可以让学生感受化学家严谨的科学态度。从核心素养层面来说，化学史与教学相结合，可以实现“化学认识”“化学观念”“化学运用”等核心观念的培养，促进核心素养的发展。

1.1.2 气候环境 秦安县属陇中南部温和半湿润季风气候区，其特点是气候温和，日照充足，降水较少，干旱频繁，夏无酷暑，冬无严寒，夏湿冬干。

4.多学科融合，多种技术手段支持课堂教学

对比裸塔的分析结果，全桥模型的自振周期明显增加。虽然斜拉索张拉和主梁的施工增加了整个体系的刚度，但同时也增加了整个体系的质量。若整个斜拉桥体系或裸塔等效为一单自由度结构，则根据自振周期同质量、刚度之间的关系，可知，当质量与刚度之间的比例增加时，体系的自振周期增大。由于全桥模型的自振周期比裸塔自振周期大，可以看出质量与刚度之比在加大。

未进行技术改进以前，槽面喷水作业流程是先停电半小时至槽面环境得到较大改良，即现场砷化氢气体得到充分逸散之后，员工才能进入现场，将电解槽盖板逐一打开再进行喷水作业。整个流程，单人操作用时在40～50 min。由此计算出，每对电解槽喷一次水，大概停电时间在70～80 min之间，不利于生产持续进行。