压强原理在化学实验中的应用复习策略

钱明安 韩万中

摘    要：气体压强问题在高考实验题目中频现。高三复习时传统的“罗列+归类”的模式类似“炒冷饭”，效果较差。教师引导学生在围绕气体压强梳理教材的基础上，植入学生实验环节，促进感性认识与理性认识的连接和沟通，帮助学生建构分析问题的思维模型，以实现深度学习和提升解题能力的目的。

关键词：气体压强;复习策略;深度学习

由于解答纸质实验考题与在实验室亲自动手操作的感官活动和思维方向均不相同，所以，气体压强往往被学生所忽视，但它又像一只无形的大手控制实验的进程和结果。气体及其与生俱来的压强问题备受命题人青睐，这在近几年高考化学实验考题中体现得比较突出，它不仅考查了学生实验操作技能，而且考查学生实验设计能力和运用压强原理解决实际问题的能力，体现乐于科学探究和赞赏化学应用的素养水平。

因此，在复习中，教师应充分发挥主导作用，不仅要帮助学生围绕气体压强梳理教材，同时通过实验探究让学生获得感性认识，更关键的是要建构思维模型进行深度学习和提升解题能力[1]。

一、归纳碎片化的气压类问题，优化学生认知结构

1.装置气密性检验

图1是中学化学实验中常见的5种装置，装置的结构不同，检验气密性的方法可能不同，但它们都运用了气体压强原理。A和B装置相似度很大，但B装置导管上具有止水夹，这个微小的差异决定了B运用滴水法与A的微热法相异。在止水夹处于关闭状态时，C中通过长颈漏斗加水和B中通过分液漏斗滴水效果不同，B装置利用漏斗液体滴落的难度判断气密性优劣，C装置则利用加入液体直到淹没漏斗下口出现液面差判断。“有意思”的是D装置，先加水“堵”住漏斗下口，如果向外拉动注射器的活塞，装置内产生负压，漏斗下口出现气泡也表明装置气密性良好，如果向里推动活塞，则装置内产生正压漏斗颈中液面上升表明装置气密性良好，两种方式异曲同工。装置E是C的变形，同样利用液面差原理。上述的对比分析，启迪了学生的求异思维，发现和揭示事物的内在本质和规律，突破前概念的障碍，引导认知深化和结构化，减轻记忆负荷，深受学生的喜爱。

2.防倒吸

（1）防倒吸装置

图2是中学实验用于处理溶解性较大的尾气如NH3、HCl等，具有防止由于气压骤降而发生溶液倒吸的作用。通过发动学生讨论，这些装置可分为三种类型：肚容式（发散源及A、B、C、D），接受式（E），隔离式（F），这种讨论的结果不仅深化了学生对气体压强原理应用的认识，形成和发展了学科思维方法，而且还促进了证据推理和模型认知素养的形成[2]。

实验设计中，不仅装置末端尾气处理时考虑防倒吸，有时还设置安全瓶跟在加热装置后，防止后续装置中的水溶液倒吸到加热装置中引起炸裂，如2013年四川卷第9题的实验装置如图3所示，实验目的是探究AgNO3的热稳定性，对于B的位置以及它能起到的作用，可启发学生联系实验过程中气体压强可能发生的变化进行分析，培养学生的自主探究能力。

（2）防倒吸措施

表1例举了两个制备实验，在实验结束时为防止熄灭酒精灯后发生倒吸的“恶果”，它们采取了不同的操作方法，在对比分析中学生会感知到气体压强好像是一种神秘的力量，关系着实验安全或成败，促进了化学实验思维能力的提升。

（3）平衡压强

气体通过液相时会受到液体产生的压力，使相对密闭的系统气压增大，在适当的位点设立如图4中的装置能起到一定的缓解压力的作用，或可提示操作者采取有效措施谨防安全事故，这种有“人情味”的设计肯定会引发学生的兴致，他们收获的不仅仅是思维方向的改变，而且还感受到了实验与技术珠联璧合的魅力。

量气体体积通常使用量气瓶、量气管等，如图5所示，准确读取体积、减少测量误差是定量实验的关键，但在复习时教师发现很多学生对于读数时的压强问题认知模糊或者“压根就没有想过”，教师可引领学生运用理想气体状态方程进行误差分析，发展学生的证据推理素养和系统思维能力。在教师启发引导下，学生会认识到读取体积数据前必须做到两点：第一，需要装置冷却到室温才能读数，这是因为发生气体的反应多为放热反应，“热”气体积较大，冷却后会使排出的液体回流，这时很多学生惊叹这种倒吸的“美好”，使气体体积数据测量准确，一改过去对倒吸形成的“丑恶”印象，认知辩证化，情感升华，体现出学生深度学习的良好效果;第二，调整量气瓶或量气管的左右两端液面持平，在装置内外压强相等的状态下读数。

（4）有关气压问题的典型实验

图6～图9中例举了四个典型实验，实验中出现的明显现象透视出压强精灵般的操纵。以“空气中O2体积分数的测定”实验为例，教师可围绕压强设置问题链步步紧逼问题的实质，激发学生探究潜能，提升学生变化观念的素養水平，提高复习效果：玻璃钟罩中现象有哪些？实验结果偏低或偏高的原因有哪些？实验中所用的红磷能否用镁条、铁丝、木炭、硫磺来代替？

通过上述的梳理归类可知，气体和压强形影不离，因此，树立起“哪里有气体哪里就有压强”的观念是第一位的;同时，从气体的理化性质、反应前后气体分子数的改变出发，结合实验设计中的装置特点把握气体压强的变化，是突破涉气实验问题的核心。

多数老师在实验复习中，虽然开设压强专题，但由于问题的灵活性、综合性以及不同实验情境的特殊性，学生仍感解题效果欠佳。究其原因，是学生习惯陈述性知识的死记硬背和肤浅理解，习惯相似题目的复述和浅表提取，缺乏透过现象看本质的思维深加工和精准输出。基于此，在高三复习时，还要注重以下两个环节予以推进。

二、提供真实实验情境，促进认知飞跃

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。实验具有刷题所没有的直观感知、外显知识的功能，实验是通过学生的动手、观察和思维等亲身体验而建构知识的有效手段，高三复习不能缺少这个给力“助手”。教师需要精选一些典型实验（见表2），让学生在实验室中动手操作，通过仪器识别、仪器组装、药品加入、步骤操作、现象观察和结果分析等环节，直观感受气压在实验中的存在和作用。

表2   以气体压强为核心的典型实验

[实验名称 学生动手操作和观察 学生动脑思考 使用启普发生器制取CO2 ①打开导气管上的旋塞，球形漏斗中的液体进入容器与固体反应，产生气体。

②关闭旋塞，液体回流到球形漏斗，容器中液体与固体脱离，反应停止。 ①打开导气管上的旋塞，为什么球形漏斗中的液体进入容器与固体反应呢？

②关闭旋塞，为什么液体能流回球形漏斗呢？ 萃取分液实验中分液漏斗的使用 ①把分液漏斗倒转过来振荡，使两种液体充分接触，振荡后打开活塞，使漏斗内气体放出。

②分液时，先将分液漏斗颈上的玻璃塞打开或使塞上的凹槽（或小孔）对准漏斗上的小孔。 ①“气体”是怎样产生的？为什么要将“气体”放出来呢？

②分液漏斗颈上的玻璃塞打开或使塞上的凹槽（或小孔）对准漏斗上的小孔，这样做的作用是什么？ NH3的喷泉实验 组装NH3的喷泉实验装置 怎样使烧杯中的水喷到圆底烧瓶中？ ]

实验时除了学生兴致勃勃之外，更多了理性的动手、细致的观察和积极的思考，并且发现了一些只有实践才能知道的细节，解决了一些纸面做题难以解决的问题，弥补了认知缺陷和误区。

认知1：启普发生器在2017年全国Ⅰ卷第10题亮相，很多学生不能理解它的工作原理。实际操作时，学生通过加入固、液体反应物认识了启普发生器的构造，亲眼看到了液体的流动路径，体会到它具有“随开随用、随关随停”的魅力特点，同时还悟出仪器的“半自动化”表面好像是活塞的开闭所致，实质却是压强差的操纵。

认知2：在萃取时，大多数学生对混合液振荡后放气的“小动作”没有印象。通过实验，学生能够理解有机溶剂的挥发而使漏斗内气压增大而产生的隐患，如果没有这样的实际操作，仅仅依靠老师黑板上讲述难以保证学生的长久记忆。

认知3：很多学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）。有的同学发现漏斗中的液体不能顺利滴落下来，百思不得其解，通过不断尝试和观察思考最终发现了其中的秘密。同时，很多同学还联想到2012年浙江理综化学试卷中出现的恒压滴液漏斗，发现它比分液漏斗设计得更周到、更先进：由于装置内与漏斗内气压的平衡，使液体受重力作用能够顺利滴下，加快了实验进程，在一些合成实验中能避免有机反应物挥发所造成的污染。通过实验点燃出思维的火花，很接地气，使学生认识到技术手段创新的价值。

认知4：有的同学实验失败，有的同学喷泉“无力”，认识到烧瓶充满干燥NH3、烧瓶干燥和装置气密性良好是实验成功的关键。还有很多学生对喷泉实验的实现产生了定势思维，认为教材介绍的“使滴管中的水进入烧瓶”是产生喷泉的唯一途径。能否通过其他方式形成喷泉呢？学生思考喷泉的压强原理，发现可以从温度出发形成内外压强差实现喷泉，他们通过实验尝试得出用冷毛巾捂住烧瓶和用热毛巾捂住烧瓶都能达到预期的实验效果。

有了实验的经历，对气体压强原理的认识是否达到了理解的层次呢？布鲁姆教育目标分类学理论认为，对于原理性的知识，评价其理解的达成，可以通过评价学生能否解释、比较、推演这些内容而实现。而这一过程，要从实验的具体情况出发，寻求证据和实验目的之间的关系，以帮助学生构建思维模型。

三、基于压强原理的应用，加工整合，建构思维模型

思维模型是学习者对当前学习的理解过程形成某种框架或网络，体现主体能动地反映客体的一种符号性能力以及主体改造客体的某种规则，促进学生对一类问题的深层理解和灵活运用。思维模型会给自己提供一种视角或架构，决定观察事物和處理问题的途径。高三复习中的学生迫切需要建构思维模型，使思维有序且富有逻辑，便于迁移应用，从而提高复习效率。

依据上文梳理的压强原理在不同实验情境下的应用，教师可引导学生进行思维模型建构。

首先，检查和完善气体压强知识的储备：以pV=nRT为抓手，明确气体压强（p）在其他条件相同时与温度（T）或容器体积或气体物质的量（n）之间的关系。

第二，结合实验目的，把握气体在案例实验装置中的表现：①明确气体在实验装置中的行走方向，以及某活塞关闭等条件控制导致气流方向的改变;②明确因气体参与反应或溶解等使n变化导致气压的变化，明确因酒精灯熄燃、反应热效应等使T变化导致气压的变化;③明确压强变化的类型及其给系统带来的影响，正压的力量往往将液体排出或气体从液体中逸出;负压则使装置中的液体逆向流动。

第三，审视典型案例，运用实验、分类、比较、推理、抽取等方法，将分析和解决气体压强问题的关键思维按照一定的流程进行结构化、可视化表达，形成模型。

第四，随着问题的灵活多变，原有的思维模型可随时修补或优化，使简略的模型逐渐趋向完整。

化学实验中压强原理的应用思维模型如图10所示。

思维模型的建构是将一类化学问题中次要的、非本质的信息舍去，提炼出一种解决问题的逻辑思维结构。建构过程中，从个性到共性归纳，从现象到本质升华，揭示了系统的关联性、层次性和自组织性，促进了学生的分析、推理和设计等高阶思维能力的发展，是学生深度学习的过程，更是一种高三高效复习的方法。

思维模型具有迁移学习的功能，应用到相似问题上并高效地解决它们。因此，教师还应培养学生通过类比、联想等方法，将原有的思维模型桥接到新的情境中，化陌生为熟悉，化一般为具体，达到灵活应对、触类旁通的目的。[□][◢]

参考文献：

[1]徐婷婷，王萍，谢宁，王丽丽.利用实验重构气体压强知识的复习课[J].化学教学，2019（1）：76-78.

[2]许美莲.基于模型认知的高三化学复习[J].化学教学，2019（2）：75-79.