基于项目式学习培养化学宏微素养的实践研究——以“气体摩尔体积”为例

龚翠萍 上海市川沙中学

新课程改革背景下，教学活动的设计更加注重化学学科核心素养的培养。在此阶段应用项目式学习方法，通过创设情境，设置目标，提出问题，以制定项目任务的方式，让学生主动参与探究和解决问题的活动，提交项目成果，并进行学习效果的检测和项目活动的评价与改进，可以有效提升学生的学习兴趣，培养学生的化学学科核心素养。

化学学科核心素养中的“宏观辨识与微观探析”，是化学研究物质及其变化的独特视角。在化学学习中，学生应尽可能地将宏观和微观结合起来，从微观本质上理解和思考宏观现象和变化。新课程新教材强调教学过程是师生交往、共同发展的互动过程。在教学过程中以问带学，通过问题链，处理好传授知识与培养能力的关系，注重学生的独立性和自主性的培养。引导学生观察、质疑、探究，在实践中学习，使学习成为在教师指导下主动的、富有个性的过程。

一、教学背景分析

（一）教材分析

在中学阶段的基本概念和基础理论知识中，《气体摩尔体积》这一专篇占有重要地位，对学好化学计算、掌握气体性质起着十分关键的作用，也是中学化学教学的重点和难点之一。中学化学许多反应都会涉及到气体，若要进行定量分析，运用气体摩尔体积不仅能简化计算，给化学研究带来方便，同时也能为以后学习有关气态反应物和生成物的化学方程式计算、化学反应速率、化学平衡提供必备的基础知识。

（二）学情分析

气体摩尔体积是一个抽象的概念，需要学生从以前的“以质量为核心”向现在的“以物质的量为核心”及时转变。实际上，大部分学生对固体、液体、气体只有感性上的认识，却很少关注物质的三态在微观上的异同。好在高一学生具备了一定的探究意识和观察能力、分析能力、数据处理能力，这些都为更好地学习气体摩尔体积做好了铺垫。

二、教学设计

图1

三、基于项目式学习的教学实施

（一）创设问境，渗透宏微结合的双向培养（见表1）

表1

（二）直观展示，强化微观探析素养的培养

【环节1】1 mol气体的体积〉〉1 mol固、液体的体积

图2 物质聚集状态的示意图

设计意图：借助物质聚集状态的示意图，我们可以知道，气体微粒间的距离远大于固、液体微粒间的距离，所以当微粒数目都为1 mol 时，气体的体积一定远大于固、液体的体积。引导学生从固、液、气体的微观结构角度去解释。

【环节2】有气体摩尔体积，而没有固、液体摩尔体积

图3

设计意图：引导学生从图示进一步体会固、液体微粒间距小，摩尔体积受微粒的大小影响，没有定值，故没有固、液体摩尔体积。气体的摩尔体积受分子间距离的影响，因为分子间距在同温同压下是定值，故有气体摩尔体积。

【环节3】阿伏加德罗定律中应用对象的说明

图4

设计意图：由图可知，气体分子间的距离远远大于分子直径，故分子本身的大小可以忽略不计。所以这里的“任何气体”，可以是单一气体或混合气体。通过直观展示，更利于学生理解微观结构影响宏观现象。

（三）证据推理，巩固宏观辨识素养的培养

【环节1】建立阿伏加德罗定律

【教师】1 mol的气体，微粒数相等，体积主要和微粒间距有关。同温同压下，由于不同的气体分子间的距离相等，因此1 mol的气体其体积相同。反过来，同温同压下，若两种气体的体积相同，则它们的分子数是什么关系？

【学生】它们的分子数一定相等。

【教师】引出阿伏加德罗定律。关注到“同”这一词，前面的“三同”是条件，最后的“一同”是结论。

设计意图：气体运动规律是气体所占体积的内因，外界条件是气体所占体积的外因。外因通过内因起作用，内因是事物变化的根据。通过分析，使学生理解内因和外因的辩证关系。进一步帮助学生通过宏观认识进行微观探析，培养化学学科核心素养。

【环节2】建立气体摩尔体积

【教师】通过概念辨析，明确1 mol的气体，在同温同压下的体积是相等的。从而引出气体摩尔体积的概念：一定温度和压强下，每摩尔气体所具有的体积。

【教师】在标准状况下，Vm=22.4 L·mol-1。那么只有在标准状况下，气体摩尔体积才等于22.4 L·mol-1吗？

【学生】标准状况只是定了气体分子间距，气体摩尔体积数值可以有很多，在确定的温度和压强下是定值。所以在非标准状况下，气体摩尔体积也可以是22.4 L·mol-1。

设计意图：从标准状况推广到任一温度和压强，再次强调宏观上一定的温度和压强决定了微观上的微粒间距，即当温度和压强确定后，分子间的平均距离就是定值，只要粒子数确定，即体积确定。

（四）项目式学习，发展宏微结合素养的培养

1.项目介绍

1 mol 任何气体的体积在同温同压下是相等的，在273 K和101 kPa时约为22.4 L。

布置任务：请你设计实验测定一定条件下1 mol 氢气的体积。

2.活动目标

（1）明确测定一定温度和压强下气体摩尔体积的方法。

（2）学会测定1 mol气体体积的实验操作

（3）知道实验误差的形成和实验相对偏差的计算

3.自主研究

活动1：学生小组讨论，确定反应原理

问题1：制备氢气的原理是什么？

问题2：反应物的选择，相较于初中使用锌粒与酸反应制备氢气，为什么选择镁带？

问题3：实验时对硫酸的浓度有没有要求？将硫酸换成盐酸你认为是否合理？

小结：确定通过镁和稀硫酸反应生成氢气。

活动2：学生查阅资料，选择反应装置

问题1：实验时一般不会直接用1 mol 的气体进行测量，原因主要是什么？

问题2：通过反应物和生成物物质的量之间的关系，可以借由称量固体物质的质量，等效替代氢气的物质的量吗？

问题3：生成的氢气可用排水法收集在什么容器中？

问题4：测定气体的体积，为什么要标明温度和压强？

小结：选择电子天平称量镁带质量，Y 形管、量气管和水准管组合来测定反应中产生的氢气的体积。

活动3：学生小组交流，设计反应路径

问题1：化学定量实验对实验数据有何要求？为了达到这样的要求，在实验的设计上需要充分考虑哪些问题？

问题2：实验时，称取的镁带质量为何控制在0.015 0 g～0.025 0 g？

问题3：装配好化学反应气体体积测定装置后，怎样进行气密性检查？

问题4：读量气管刻度数据时，为何每次都需要先调节两边液面相平？

问题5：氢气的体积怎么算？

小结：根据实验装置的设计，各小组交流实验步骤，完善实验方案。

活动4：学生实施项目，记录实验数据

学生小组实验，测定并记录常温常压下产生的氢气的体积，进行数据处理，换算出1 mol 氢气的体积，并能通过教师提供的实验温度下1 mol 氢气体积的参考值，计算相对偏差。

教师尽可能多地收集全班同学的实验数据，对这些数据进行对比，了解所有学生实验数据的一致性情况及与参考值的偏差情况。

4.项目评价

（1）装置的选择

教师通过分析直接测量气体体积的装置（图5）和排水法测量气体体积的装置（图6）的利弊，引发学生讨论自己的设计中有什么问题，尝试进一步完善各小组设计方案，最后引出测定1 mol氢气体积的正确装置（图7）。

图5

图6

图7

（2）实验误差分析

实验偏差有的来自仪器装置自身或试剂的品质，有的来自操作的不当。定量测定的偏差允许在一个范围内存在。通过收集全班同学的实验数据后，对测定结果与参考值偏差很大的情况，引导学生回顾自己的实验过程，分析产生误差的可能原因。

四、教学反思

开展项目式学习培养化学宏微素养的实践研究表明：

1.有助于学生化学学科核心素养“宏观辨识与微观探析”的培养。教学中不断设“障”立“疑”，显性地为学生提供微观与宏观之间的双向思维路径，有助于培养学生的微观想象能力，用微粒的观念去学习的习惯。只有合理地建构了微粒观，才能使学生用科学的观点理解宏观事物及其变化，做出正确的判断，也就相应地提升了学生的素质。

2.项目式学习能够促进学生学习态度的转变，激发学生学习兴趣。能提高学生综合能力和实验认知能力，培养学生实验操作能力，促进学生实验态度的转变，提升实验思维。在小组合作时，学生能亲身体验成功，让学生的自我效能感倍增，不仅能增强学生的学习自信心，更为学生化学学科核心素养的发展创设了重要的条件。

3.有助于把教学活动的重心从“教”转移到“学”上，把教师的职能重心从“授”转移到“导”上，把教学目标的重心从单纯的知识传授转移到能力培养、智力开发上，这才与新课程中教与学要求相吻合。当教师从知识的传递者变成学生学习的促进者、组织者和指导者，就会极大地调动起学生学习的积极性和主动性，培养学生的问题解决意识，这与新课改目标和谐统一。