融入科学史和实验探究的“气体摩尔体积”教学

徐宇峰 彭小平

摘要：分析了与“气体摩尔体积”相关的文本内容和以往的研究，针对学生在学习“气体摩尔体积”时所遇到的困难，在教学中以科学史为线索梳理概念的产生和发展，在实验探究中明确概念的内涵和外延，促进学生对科学本质的进一步认识。

关键词：科学史；实验探究；气体摩尔体积；学习困难；化学教学

文章编号：1005–6629（2016）6–0052–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

“气体摩尔体积”是中学化学中的基本概念，是“物质的量”概念群中一个重要的换算工具。它体现了气态物质的物理特性，是对气体分子存在和运动的微观特征的抽象概况。与“气体摩尔体积”相关的科学史非常丰富，将科学史和实验探究融入到教学中能促进学生对科学概念的深刻理解，也有助于学生形成正确的科学本质观。

1 课程标准、教材等文本分析

《普通高中化学课程标准》中对“气体摩尔体积”没有提出具体要求，但是在第三部分“内容标准”的“主题1认识化学科学”中提出：“认识摩尔是物质的量的基本单位，能用于进行简单的化学计算，体会定量研究的方法对研究和学习化学的重要作用。认识实验、假说、模型、比较、分类等科学方法对化学研究的作用。”《浙江省普通高中学科指导意见（2014版）》对“气体摩尔体积”提出了明确要求，其基本要求是：“知道不同聚集状态物质的一些特性，了解影响气体体积的主要因素，初步学会用气体摩尔体积进行简单计算”；发展要求是：“初步了解阿伏伽德罗定律及其推论”。

人教版、鲁科版和苏教版三本教材有关“气体摩尔体积”的内容相似。均通过计算1mol不同的固体、液体和气体的体积，比较数据后得出结论： 1mol不同的固体、液体的体积是不同的，在一定温度、压强下1mol不同气体的体积近似相同；利用图示，指出“微粒大小和微粒间距”对具有相同微粒数的物质体积的影响；引出“气体摩尔体积”概念和阿伏伽德罗定律。三本教材都遵循“宏观现象-数据探究-微观解释-获得概念”的编排逻辑，符合学生的一般认知规律，体现了数据分析、逻辑推理的理性思维和对气体分子微观状态的想象力，将气体体积和物质的量之间建立桥梁，简化了通过质量、密度计算体积的过程，突出了“气体摩尔体积”的实用价值。

三本教材在具体内容编排上各具特点。人教版利用实验和方程式计算分析电解水中氢气和氧气的体积比和物质的量之比，该过程中已经隐含了阿伏伽德罗定律的内容，为后续学习打下基础。特别强调了气体摩尔体积的数值并非一成不变，拓宽了学生对概念的认识。鲁科版以“摩尔质量和气体摩尔体积”为标题，点出这两个概念具有共同的“桥梁”的作用和价值；在数据呈现中增加了不同温度、压强下气体的体积，隐含了气体体积和压强、温度之间的比例关系，更丰富的数据使结论更具有说服力；在“资料在线”栏目中简单介绍了阿伏伽德罗和阿伏伽德罗定律。苏教版是在“物质的聚集状态”标题中介绍“气体摩尔体积”的，先从微观角度分析了固体、液体和气体在“可压缩性”上的差异性，充分联系了学生已有的知识和经验，并拓展到“液晶”的物质状态，展示了更加广阔的视野。

2 “气体摩尔体积”相关的教学研究

“气体摩尔体积”并非是教学研究的热点内容，以“气体摩尔体积”为主题，从中国知网查阅近十年文献，主要是关于试题归类、解题技巧方面，其次是关于测定气体摩尔体积的实验设计及改进，聚焦在课堂教学方面的文献不到10篇。张晓银充分发掘教材内容，探讨如何根据数据讨论获得概念[1]；陆余平、徐星玛、张林萍等在“科学探究五阶段”、“教育时机理论”、“翻转课堂”等理论指导下进行教学设计和实践[2～4]；陈玉荣通过多个创新实验，将抽象的微观的问题转化为宏观可视的实验现象[5]；历晶等以化学课堂结构的CPCP模型为基本工具，讨论了“气体摩尔体积”教学中的教学逻辑，指出该教学体现了典型的“归纳提升”的科学概念形成方式[6]；江敏老师根据固体、液体和气体的摩尔体积差异性，引导学生“拆分”不同状态物质的体积，从微观角度“看到”了原子和分子相对大小、原子排列方式和分子中原子的连接方式差异性以及气体分子周围巨大的空间，帮助学生形成气体摩尔体积的概念[7]。上述研究均注重数据，从微观角度建立“分析模型”，锻炼了学生的数据分析、归纳能力和想象力，提高了学生抽象思维水平。笔者认为，科学概念是科学知识体系的根基，学生不仅要关注概念“是什么”和“怎么用”，也要关注“为什么”，即概念产生的原因以及这个概念和其他知识的联系。这对学生掌握概念和理解科学本质都有很大的意义。

3 学生学习困难分析

笔者对高中不同层次学校和不同年级学生学习和运用“气体摩尔体积”进行调查和访谈后，发现学生主要存在三方面的学习困难：

一是学生对“Vm”、“22.4L/mol”和外界条件之间的关系认识过于僵化。常常将“在标准状况下，1mol任何气体的体积约为22.4L”推演到“1mol任何气体的体积为22.4L时，一定在标准状况”，或者“不在标准状况下，1mol任何气体的体积就不为22.4L”。从调查情况看，高一高二学生普遍存在这个相异构想，高三学生在通过大量训练后已经有正确结论，但是在进一步要求分析原因时，他们往往只能停留在宏观层面（温度和压强），并不能主动从微观角度进行解释。

二是学生从应用角度出发简单地将“摩尔质量”和“气体摩尔体积”的概念意义视为相同。实际上，“摩尔质量”与物质种类有关，与外界条件（温度、压强）无关，所以不同物质的摩尔质量一般不相同，而“气体摩尔体积”随着外界条件（温度、压强）的改变而改变，与气体种类基本无关，即对纯净气体还是混合气体均大体适用。

三是学生已有的知识和生活经验对“气体摩尔体积”的正确理解和运用造成很多困难。学生对气体的物理性质理解主要是建立在宏观现象和符号计算的基础上，并“没有真正构建起合理的气体微观认识”[8]。特别是将液体的物理性质（酒精与水混合时的体积变化）错误地迁移到气体的性质上。

笔者认为，让学生在一个合适的情境中了解“气体摩尔体积”以及相关概念形成的历史过程，既有利于克服上述学习困难，又能有助于学生对科学本质形成更加深刻的认识。

4 与“气体摩尔体积”有关的科学史

与“气体摩尔体积”有关的科学史非常丰富，具体内容如表1所示[9]：

在上述科学史中，还需要特别说明的是：

1807年英国化学家道尔顿正式发表科学原子论，该理论能完美地解释当时的许多科学事实（如质量守恒定律、倍比定律等），所以很快就被广泛接受。1808年法国化学家盖·吕萨克提出气体化合体积实验定律后，结合原子论观点提出了一个新的假说：在同温同压下，相同体积的不同气体含有相同数目的原子。

然而，道尔顿认为不同元素的原子大小不会一样，其质量也不一样，因而相同体积的不同气体不可能含有相同数目的原子。如果相同体积中不同气体的原子数相等，那么既然1体积氮和1体积氧化合生成2体积的氧化氮，则每个氧化氮原子中就应只含有半个氧原子和半个氮原子。原子不能分，半个原子是不存在的，这是当时原子论的一个基本点。于是双方展开了激烈的学术争论。

意大利物理学家阿伏伽德罗仔细地考察了盖·吕萨克和道尔顿的争执，发现了矛盾的焦点。1811年他根据盖·吕萨克的气体实验事实，提出了分子的概念，进而修正了盖·吕萨克的假说：“在同温同压下，相同体积的不同气体具有相同数目的分子。”“原子”改为“分子”的一字之改，正是阿伏伽德罗假说的奇妙之处。对化合物而言，分子即相当于道尔顿所谓的“复杂原子”，对单质来说，同样也包含这样一个层次，只不过是由几个相同原子结合成分子，从而使道尔顿的原子论和气体化合体积实验定律统一起来。

由于当时已知的气体物质和容易气化的物质数量有限，阿伏伽德罗缺乏充分的实验论证，而且当时瑞典化学家贝采尼乌斯的“电化二元论”获得人们的广泛认可，根据“电化二元论”的理论，两个同样原子结合在一起构成分子，是难以想象的。因此直到1856年阿伏伽德罗逝世，分子假说仍然没有被大多数化学家所承认。

因为不承认分子的存在，化合物的原子组成难以确定，原子量的测定和数据呈现一片混乱，难以统一，在有机化学领域中同样产生极大的混乱。为解决这种混乱的局面，1860年9月在德国卡尔斯鲁厄召开了国际化学会议。在意大利化学家康尼查罗（Stanislao Cannizzaro）的努力下，化学家们终于承认阿伏伽德罗的分子假说的确是扭转这一混乱局面的唯一钥匙。阿伏伽德罗的分子论终于被确认，分子假说成为了分子学说，人们对物质微观世界的认识也由此前进了一大步。原子-分子论是化学符号表达的基础，也是原子量测定工作的基础，而原子量的测定是构建周期律周期表的重要依据。

从上述科学史，我们可以发现两个结论：（1）阿伏伽德罗定律与“原子分子论”是紧密联系的，科学理论是科学家根据大量实验事实，经过了严谨而又充满想象力的推理形成的，其中经历了非常曲折的过程。（2）理想气态方程是综合了多个科学定律的结晶，反过来，“气体摩尔体积”和“阿伏伽德罗定律”也可以从理想气态方程推导获得。

5 基于科学史的“气体摩尔体积”教学

根据上述关于教材等文本的解读、学生学习困难分析和有关的科学史资料，本节课的教学目标确定为：

①通过讨论和实验探究认识气体摩尔体积与压强、温度之间的定性和定量关系。

②能从微观角度解释影响固体、液体和气体体积的因素。

③通过阅读、讨论科学史，了解“气体摩尔体积”及相关概念的产生背景和历程，加深对科学本质的认识。

本节课分三个环节，每一个环节均按照图1结构展开，以科学史为主线，以实验探究为手段，遵循从感性认识到理性认识，从宏观现象到微观解释，从定性到定量的认知规律，在回顾科学史和实验探究中，引导学生对知识的理解和科学本质的认识不断深入。

具体教学环节：

环节一 验证波义耳定律

问题：在温度不变的条件下，对一定量的气体加压或减压，气体的体积会如何变化？

引导：投影科学史资料，展示波义耳实验图片，简述其过程。明确指出科学要基于经验证据，让学生了解“观察”与“推论”之间的关系。

实验：如图2所示，缓缓推进带刻度的玻璃注射器，每隔1cm记录一次压强数值，可以获得气体体积与压强之间的反比例函数关系：V∝1/P。

讨论：从微粒角度分析实验数据可知，压强改变，使气体分子的间距改变，导致体积改变。

设计意图：学生根据已有的生活经验和知识，已经粗略了解到“气体的压强越大体积越小”，讨论的目的是让学生的认识从感性发展到理性，从定性发展到定量。回顾历史，感悟科学发展中实验的价值，利用数据化实验更加精确、直观地显示出气体压强与体积之间的关系。

环节二 验证盖·吕萨克定律和阿伏伽德罗定律

问题：在压强不变的条件下，对一定量的气体升温或降温，气体的体积会如何变化？

引导：投影科学史资料，介绍热力学温度。明确提出科学概念、理论是在实验基础上通过科学想象和推理形成的，它能解释、预测一些现象，但往往不是“一锤定音”，在更多的事实面前需要不断地修正甚至推翻原有的理论，形成新的理论。

实验：如图3所示，用毛巾将针筒“热敷和冷敷”一段时间，记录温度和气体体积变化，获得气体体积与热力学温度之间的正比例函数：V∝T。

讨论：从微粒角度分析实验数据可知，温度改变，使气体分子的间距改变，导致体积改变。

设计意图：从调查情况看，高一的学生普遍知道“热胀冷缩”，能举例说明“踩扁的乒乓球放在热水中能复原”，并能指出其原因是“微粒间的距离发生改变”。实验和讨论的目的是让学生的认识从感性发展到理性，从定性发展到定量。利用数据化实验更加精确、直观地显示出气体温度与体积之间的关系。回顾历史，感受化学史的丰富内涵，有效激发学生兴趣。

环节三 探究气体混合时的体积变化，形成概念

问题：我们知道，酒精和水混合时，总体积会略微变小，这是因为微粒间存在间距。气体分子之间的间距比液体分子的间距更大，当气体混合时，体积会怎样变化呢？

实验：如图4所示，两个针筒分别装有一定量的空气和氯气，用带开关的玻璃管连接，记录气体刻度后，打开开关，可以看到黄绿色气体逐渐扩散到另一个针筒，两边针筒的体积读数没有改变。

讨论：从微观角度分析实验可知，恒温恒压下，任何气体分子的间距是相等的，因此不反应的气体混合时体积具有加合性。即：气体体积与物质的量成正比例关系：V∝n。结合前面的实验，可以获得：V∝nT/P的关系式。

引导：展示不同温度和压强下，1mol不同气体的体积数据。将这些数据代入到V∝nT/P，获得一个常数R。投影科学史（理想气态方程）资料。

讨论：从上述信息中，引出“气体摩尔体积”的概念，并发现该概念的实用价值。根据273K，101kPa，1mol代入计算获得V约为22.4L。

讨论：1.理想气态方程和“22.4L/mol”的适用范围和条件。2.结合数据和微观分析，你认为需不需要引入“固体摩尔体积”和“液体摩尔体积”的概念？为什么？3.试比较“摩尔质量”和“气体摩尔体积”两个概念之间的差异性。

设计意图：将学生的相异构想暴露出来，产生认知冲突，利用实验明确：气体分子间距由温度和压强决定，与气体种类无关。当投影出“理想气态方程”的科学史，学生发现这个结论居然与历史上一模一样时，不由地激动起来。他们体验到探究的乐趣，充满了成就感，再引出“气体摩尔体积”概念时便水到渠成了。结合科学史、实验和有关数据，获得概念，在横向（“固体摩尔体积”和“液体摩尔体积”）、纵向（“摩尔质量”和“气体摩尔体积”）比较中明确了有关概念的内涵和外延。

6 教学反思

学生的学习困难是课堂教学设计的出发点和突破口。在学习本节课的核心内容之前，高一学生已经了解了：固体、液体、气体三态的本质差异、“热胀冷缩”现象及微观解释、酒精和水的混合时体积变化及微观解释等知识，这些知识是在实验的基础上，是经过逻辑推理，借助想象力获得的。当研究对象转移到气体时，原有的知识经验并不能顺利解决问题，需要重新考察原有知识的合理性，再次通过实验、推理和想象等方式建立气体分子存在和运动的模型。这个演变过程并非是一帆风顺的，而是“充满着挫折、失败、谬误、猜想和顿悟的不断探索的过程”[10]。已有研究表明，学生的相异构想往往也是在科学史上真实存在并长期困扰科学家的问题。因此，在教学中教师要充分联系学生已有知识经验，找到知识的生长点，又要有意识地暴露出学生的相异构想，引发学生的认知冲突，这样可以激发学生学习兴趣，有利于学生自主构建知识结构。

将科学史融入到教学中在科学教育中已经成为一种范式，它有助于学生对科学概念、原理的理解和认识。化学教育工作者需要广泛地考察化学史，精心选取适于学生的理解水平又切合教学内容的科学史，有意识地将有关史实融入到教学中。龙琪在分析了阿伏伽德罗常数与物质的量概念的发展史后，建议“将阿伏伽德罗常数与摩尔、物质的量分开教学”、“将阿伏伽德罗常数与阿伏伽德罗定律合并教学”[11]。与“气体摩尔体积”有关的科学史与“原子结构”、“原子分子论”和“阿伏伽德罗定律”联系密切，也是“元素周期律”的基础，如何将上述科学史与教学内容进行整合，促进学生正确科学本质观的形成等问题值得我们进一步思考。

参考文献：

[1]张晓银.学会数据处理提升学生分析问题的能力——新课程摩尔质量和气体摩尔体积的教学[J].中学化学教学参考，2005，（1-2）：35～36.

[2]陆余平.以化学建模方法设计“气体摩尔体积”教学过程[J].化学教学，2007，（7）：43～44.

[3]徐星玛，胡志刚.教育时机理论视域下的“物质的聚集状态”教学设计分析[J].化学教学，2014，（8）：39～42.

[4]张林萍.基于“翻转”理念下的高中化学课堂教学变革尝试——以《化学1》“物质的聚集状态”教学为例[J].化学教与学，2015，（4）：33～36.

[5]陈玉荣.设计创新实验，突破教学难点[J].化学教学，2012，（4）：54～55.

[6]历晶，郑长龙，娄延果.“气体摩尔体积"教学逻辑评析[J].化学教育，2011，（10）：37～40.

[7]江敏.架起宏观与微观之间的桥梁——从“气体摩尔体积”到“火箭推进剂”（下）[J].中学化学教学参考，2013，（6）：1～8.

[8]徐宇峰.高中生对气体体积理解的调查研究[J].化学教育，2013，（12）：44～45.

[9]赵匡华著.化学通史[M].北京：高等教育出版社，1990：107～125.

[10]朱铁成，余霞莹.科学教育中体现科学本质之探讨[J].教育科学研究，2008，（8）：81～84.

[11]龙琪.关于“阿伏伽德罗常数”的教学思考[J].化学教学，2015，（8）：34～38.