核心素养导向下气体变质量问题的教学反思与重构

陕西 赵文浩 杨荣富

在核心素养导向下，本文对气体变质量问题教学过程中出现的物理概念逻辑线断裂、求解难度大的形成原因进行分析和反思，并运用学科知识，引入“物质的量守恒法”，对气体变质量问题进行教学重构，实现对气体变质量问题快速有效求解的同时，完成课堂教学过程中对学生物理守恒观念地渗透和培养。

在高中物理热学部分，教学大纲要求学生能够从宏观、微观两个不同维度去认识物质的性质，并且能够对物质的部分宏观性质给予定性的微观解释。在气体部分教学大纲要求学生能够从分子热运动的角度去定性解释气体压强P、体积V和温度T三个宏观状态参量的物理意义和性质，并且从宏观角度通过气体实验定律掌握压强P、体积V和温度T之间的定量关系。同时，物质宏观性质的微观解释也是学生建立“物质观念”，实现在物理学科视域下对物质世界理解的重要途径。

一、“气体实验定律”在教学中存在的困惑

气体实验定律是描述气体平衡状态的基本规律，是帮助学生理解气体压强P、体积V和温度T三个宏观量之间定量关系的一个有效依据。现行教材都是在气体质量一定的条件下，通过实验重点讲述玻意耳定律、查理定律和盖·吕萨克定律，并拓展介绍了理想气体状态方程，这有助于学生理解压强P、体积V和温度T三个状态参量之间的定量关系，并且能够运用气体实验定律解决定质量的气体问题。但是通过对部分教师的课堂实践和教学成果的研究发现，在教学实践过程中，教师处理气体变质量问题时，存在以下不足之处：

第二，缺乏学情分析，方法僵化，增加了问题的处理难度。在面对气体变质量问题时，教师基本都是按照气体实验定律，利用“等效法”把各部分气体等效为一个整体，转化成定质量问题进行处理。而“等效法”需要学生把整个物理情景深入理解后，才能对整个物理变化进行过程性等效，这对学生的模型建构能力有非常高的要求，进而增加了求解问题的难度。教师在运用“等效法”处理变质量问题时，没能关注到大多数学生的实际建模能力，使得气体变质量问题成为一个难点。

二、“气体实验定律”中变质量问题的教学反思与重构

通过对教师教学过程的反思和学生知识体系的实践研究发现，要想突破气体变质量问题，教师务必做好对教材内容的扩展，完善逻辑链条，使学生理解常数C的物理含义和性质。同时关注学生模型建构的能力，选择合适的方法降低问题求解难度。

三、例析“物质的量守恒法”对气体变质量问题的有效求解

1.充气问题

【例1】一个足球的体积为2.5 L，用打气筒给这个足球打气，每打一次都把体积为125 mL、压强为一个大气压的气体打进球内。如果在打气前足球就已经是球形，并且里面的压强与大气压相同，则在打气20次后，足球内部的气体压强是大气压强的多少倍?(假设整个过程中气体温度、足球体积均不变)

【解析】根据充气过程中气体物质的量守恒得

n始+n充=n总

设足球的容积为V，每次充气体积为V0，气体温度为T，根据理想气体状态方程PV=nRT得

则x=2，即充气后足球内部空气压强是大气压强的2倍。

2.气体混合

(ⅰ)两罐中气体的压强；

(ⅱ)甲罐中气体的质量与甲罐中原有气体的质量之比。

【解析】(ⅰ)根据气体调配过程中物质的量守恒得

n甲+n乙=n总

(ⅱ)甲罐中气体的物质的量与甲罐中原有气体的物质的量之比

3.抽(漏)气问题

【解析】设火罐内气体初始处于状态1，有

P1=P0T1=450 KV1=V0

火罐内温度降低后气体处于状态2，有

根据理想气体状态方程得

根据抽气过程中(温度不变)物质的量守恒得

n始-n抽=n剩

通过对气体变质量问题教学过程的反思与重构，引入“物质的量守恒法”实现对气体变质量问题的快速有效求解，不仅降低了运用“等效法”解决气体变质量问题过程中学生抽象概括和模型建构能力的要求，而且消除了学生在运用“等效法”求解气体混合问题时，对直接将气体压强与体积的乘积进行相加的物理本质的困惑，逻辑链条更加完整，思路更加清晰，极大程度降低了学生解决相关问题的思维难度，提高了学生问题处理的能力。

四、“物质的量守恒法”解决气体变质量问题的扩展应用

【扩展】一个足球的体积为2.5 L，用打气筒给这个足球打气，每打一次都把体积为125 mL、压强为一个大气压、温度和球内温度相等的气体打进球内。如果在打气前足球就已经是球形并且里面气体的压强与大气压相同，则在打气20次后，足球内部温度变为原先的2倍，求足球内气体压强是大气压强的多少倍?(假设整个过程中足球体积不变)

【解析】根据充气过程中气体物质的量守恒得

n始+n充=n总

设足球的体积为V，大气压强为P0，每次充气体积为V0，原先球内气体温度为T，根据理想气体状态方程PV=nRT得

则x=4，即足球内部空气压强是大气压强的4倍。

在利用“气体实验定律”解决气体变质量问题时，如果这个过程中伴随着气体温度的变化，运用“等效法”求解的难度会更大，与“等效法”相比，“物质的量守恒法”在此类问题中的优势将更加明显，即使这个过程中伴随体积变化也非常容易处理。因此笔者认为引入“物质的量守恒法”是突破气体变质量问题的必要措施。

五、结束语