创设真实问题情境在跨学科实践中突破难点——以“气体压强在化学实验中的应用”为例
时间：2023-03-23 12:55:04 来源：千叶帆 本文已影响人
高 伟
（南京市扬子第一中学 江苏 南京 210048）
学科知识是学科核心素养形成的主要载体。［1］在人教版教材中，第一单元实验1-7“装置气密性的检查”，第二单元实验2-1“测定空气里氧气的含量”，第五单元图5-2“红磷燃烧前后质量的测定”，第六单元实验6-2“用木炭还原氧化铜”，实验6-4“二氧化碳的溶解性实验”，第七单元图7-9“灭火器原理”，实验7-2“粉尘爆炸实验”都涉及到了气体压强在化学实验中的应用。而在教学实践中我们发现，一旦涉及气体压强的变化及其应用，学生总是感到无所适从，不知该从什么方向去理解。有些理解和描述甚至是错误的，如“温度升高，气体体积增大，压强增大”等。正是基于此，我们以CO2这一核心物质的制取、性质为主线，通过三个基于解决真实问题的学习任务，创设真实问题情境，开展“做中学”“用中学”“创中学”的实践活动，［2］设计了“气体压强在化学实验中的应用”的专题复习课。希望通过在真实问题情境中利用跨物理化学学科实践活动来突破这一难点。
1.任务一：“做中学”——建立影响气体压强变化因素的模型。
【活动一】感受压强的变化。
实验一：将学生分成四组，按图1分步进行实验，并注意观察记录实验现象。
图1 感受压强的变化
指导学生按要求进行第一步操作。〖问题1〗问按1-1、1-2操作的学生：“你觉得试管中的压强有变化吗？”（激疑，并产生认知冲突）。〖问题2〗如何证明自己的猜想是否正确？（引导学生根据已有知识和经验，设计相关实验方案）。
指导学生按要求进行第二步、第三步操作。〖问题3〗为什么第二步操作中，按2-2操作无现象，而第三步操作中3-2导管口有气泡？〖问题4〗为什么按2-1操作没有气泡？（引导学生通过对比操作中的差异，并结合实验现象的分析，得出结论：“在密闭容器中，温度升高气体压强增大。”）。
指导学生按要求进行第四步操作。〖问题5〗为什么按4-1进行操作，在导管内会形成一段水柱？（引导学生对比、分析2-1、3-1、4-1、3-2操作的现象差异得出结论：“在密闭容器中，气体的分子数越多，容器内压强越大。”）
实验二：按图2所示进行实验（考虑到安全性，该实验可预先摄制成视频在课堂上播放。）
图2 同时加热两个三颈烧瓶
如图2所示，对两个三颈瓶同时进行加热，并通过压强传感器记录加热过程中两个三颈瓶内的压强变化，得如图3所示曲线，并注意观察气球的变化。
图3 实验过程中三颈烧瓶内压强的变化
【问题6】AB段为什么两个三颈瓶内的气压都没有明显变化？
【问题7】BC段绑气球的三颈瓶内气压为什么没有明显变化？
〖问题8〗为什么实验只能稍稍加热，要控制温度不能过高？
通过三个问题，引导学生结合观察到的实验现象（宏观），通过分析图3中传感器获取的数据信息（认知冲突，数据分析），得出：“在刚性（形状不易发生变化）的密闭容器中，温度越高，气体的压强越大，反之亦然。”（获得结论）
通过实验一和实验二在学生获取大量直接经验的基础上，比较，分析实验操作中的差异及其与现象和数据差异的联系，从而归纳出气体压强变化的一般模型：“在刚性的密闭容器中，温度越高或气体粒子数越多，容器内的压强越大。”
2.任务二：“用中学”——学生在动手实验中检验利用模型解决问题的可靠性与可行性。
【活动二】建立检查装置气密性的模型。
【问题9】回忆图4所示装置如何检查气密性？
图4 石灰石与盐酸反应
【问题10】如此检查装置气密性的原理是什么？
通过问题9和10初步建立检查装置的气密性的一般模型：“形成稳定压强差，产生相应现象。”
【活动三】检验检查装置气密模型的可靠性与可行性。
设计实验检查图5所示装置的气密性。并展示操作方法和讲解设计原理。
图5 实验室里制取二氧化碳的一种装置
通过学生的交流讨论与展示，主要采用了如图6所示的方法。并在展示、交流中归纳出气体压强改变的第二种模型：“在刚性的密闭容器中，当气体被压缩时，容器内的压强增大，反之亦然。”
图6 检查装置气密性的两种方法
并通过三个活动的现象归纳得出“气体或液体会从高压强一端向低压强的一端移动。”的结论
【活动四】利用气体压强变化的模型进行实验装置的改进。
实验三：用图7所示装置进行制取CO2的实验。
图7 制取二氧化碳的一种装置
【问题11】打开止水夹和关闭止水夹，观察到什么现象？（感受宏观现象）
【问题12】请从压强变化的角度分析产生上述现象的原因？（从化学的视角，微观角度对简单的跨学科问题进行探讨。）
【问题13】装置这样改进的优点是什么？
【问题14】图8所示装置中也能达到同样目的的有哪些？（从跨学科角度初步分析和解决简单的开放性问题。）
图8 可用于制取二氧化碳的装置
3.任务三：“创中学”——从跨学科角度初步分析和解决CO2能否与NaOH溶液反应。
【活动五】从定性、定量两个角度设计实验证明CO2能与NaOH溶液反应。
【问题15】回顾教材实验6-4，回答实验现象，并从气体压强变化的角度进行分析。（会用新建的“气体压强变化”的模型解释已有的知识，并为建立新模型做必要铺垫和准备。）
实验四：如图9所示，分别将10mL的氢氧化钠溶液和澄清石灰水倒入充满CO2的软塑料瓶中，迅速拧上盖子，观察现象；
用力振荡，再观察现象。
图9 二氧化碳与碱溶液的反应
【问题16】倒入澄清石灰水后变浑浊是什么原因？书写相关化学反应方程式。用力振荡后，塑料瓶变瘪且液体又变澄清是什么原因？书写相关化学反应。（从宏观、微观、符号相结合的视角探究物质及其变化规律。从定性和定量的视角认识反应物的量不同，可能导致生成物的不同，并能用符号进行表征。）
【问题17】两个塑料瓶都变瘪，是什么原因？NaOH溶液的塑料瓶瘪得更厉害说明什么？（基于实验现象，利用“气体压强变化”的模型通过对比，分析，归纳得出NaOH溶液能与CO2反应的结论。以及为什么通常情况下，检验CO2用澄清石灰水，而吸收大量CO2会选用NaOH溶液。）
【问题18】倒入NaOH溶液的塑料瓶振荡后，手感觉到塑料瓶发热说明什么？（基于实验现象，感受化学反应过程中的能量变化。）
【问题19】如果是刚性容器，我们如何设计实验证明CO2能与NaOH溶液反应呢？（综合运用化学、物理学科知识和方法，通过数字化实验技术手段，运用相关模型，解决真实情况问题。）
实验五：如图10向收集满CO2的三颈瓶内注入氢氧化钠溶液。观察三颈瓶内气体压强的变化；
再向三颈瓶内注入稀盐酸，观察现象及三颈瓶内气体压强的变化。
图10 验证二氧化碳是否与氢氧化钠溶液反应
【问题20】结合图11回答下面的问题：
图11 实验过程中三颈烧瓶内压强的变化
（1）AB段压强没有明显变化的原因是什么？
（2）CD段压强变化明显加速的原因是什么？
（3）EF段压强为什么会增大？
（4）最后压强为什么比起始压强要大？
（运用比较、分析、归纳的方法认识物质的变化，形成一定的证据推理能力。从变化和联系的视角分析常见的化学现象。用科学语言和信息技术手段合理表述探究的过程和结果。）
核心素养取向的化学教学，应紧紧围绕本事的建构与迁移来进行设计与实施。本事的建构，即“学本事”；
本事的迁移，即“用本事”。［3］本节课的设计就是选用了CO2这一核心物质的制取、性质的化学学科知识为载体，通过三个基于解决真实问题的学习任务，践行了2022版义务教育化学课程标准中倡导的创设真实问题情境，进行“做中学”“用中学”“创中学”的实践活动。学生在完成这三个任务的过程中，充分运用了跨学科的知识，在动手实验过程中，基于实验事实，建立了气体压强变化的一般模型“在刚性密闭容器中，温度越高或气体粒子数越多，气体的压强越大”。并在“装置气密性的检查”“制取气体发生装置的改进”，以及“设计实验证明物质间能否发生反应”的应用中检验模型的准确性和可靠性。从而有效突破压强在化学实验中应用的这一教学难点。
整节课渗透着从定性和定量的视角研究物质组成及变化的思想，通过实例认识物质的性质与应用的关系，形成合理利用物质的意识，关注了学生化学观念的形成；
从宏观、微观、符号相结合的方式认识和表征化学变化，运用比较、分析、归纳等科学方法解决化学问题，基于实验事实进行证据推理、建构模型，关注了学生化学思维的培养；
综合运用化学等学科的知识和方法，通过一定的技术手段，解决真实问题，从跨学科角度初步分析和解决简单的开放性问题，关注了学生科学探究与实践能力的提升。
