初中化學氣體壓強實驗分析

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摘要:有效的實驗復習教學不是簡單的實驗再現與知識羅列，而是通過實驗的整合、改進和應用，幫助學生解決和分析實際問題，構建更加完整的知識網絡，并形成系統的認識思路。通過有機整合初中化學實驗中與氣體壓強有關的實驗，并針對學生的認識的障礙對相關實驗進行巧妙的改進和鋪墊，為學生創設由具體到抽象的學習情境，并依托實驗改進設計了與氣體壓強有關的復習教學，從拓展認識方式和優化認識思路兩個層面促進學生認識的發展。

關鍵詞:初中化學；實驗改進；氣體壓強；認識發展

一、問題的提出

復習課是一種重要的教學形式，傳統的復習課更多關注知識的再現與羅列，主要以“講-練-評”型的復習模式完成，這種模式的實際效果并不理想。如何根據學生實際情況，通過優化復習策略，提高復習課的有效性，是教師面臨的一個重要問題。比如，實驗復習課，不可能將原本已做過的實驗再重復一遍，但也不能完全脫離實驗而用口述替代，特別是化學實驗中涉及氣體壓強的問題時，由于氣體看不見摸不著，學生想象起來比較抽象。而體系或裝置內外的壓強差在化學實驗中又有廣泛應用，比如利用氣壓差檢查實驗裝置氣密性、利用氣壓差使反應物固體和液體接觸或分離實現氣體“隨時制取隨時停止”的控制、利用氣壓差產生“水往高處流”的化學噴泉等。在面對化學實驗中的具體壓強問題時，初三學生往往不能靈活運用壓強原理進行分析，其認識的障礙主要體現在：對密閉體系內引起壓強變化的因素理解不清楚，對實驗現象的描述不夠準確和全面。究其原因，是學生未能掌握氣壓變化時引起的氣體或者液體流向的變化規律。如果不整合相關實驗作一個系統的復習，孤立地分析每一個實驗，學生對氣體壓強問題的認識角度就比較單一，認識方式也更多停留在實驗表面的宏觀現象，認識思路零散。因此，有針對性地結合學情整合、改進和補充相關實驗，是促進學生認識發展的重要手段。針對以上情況，筆者嘗試將學生初中階段已學的與氣體壓強相關的教材實驗、課外的補充實驗和改進后的實驗巧妙地結合到專題復習教學中，把這些實驗作為學生探索化學世界的重要途徑，使學生能在科學探究的過程中更深刻地認識化學反應中氣體壓強變化的本質。通過精心設置“是什么”“為什么”“怎么用”三個問題情境，以實驗整合為依托，完成學科的具體知識的整合與歸類，豐富學生的認識角度；同時，以補充實驗為證據，幫助學生歸納知識的規律性，完成認識的一般性到普遍性的過渡，拓展學生的認識方式。最后，以改進實驗為延伸，引導學生應用所學知識解決實際問題，通過自己動手實驗、反思實驗的過程，自主地建構出知識網絡，提煉出學習的方法，優化學生的認識思路。

二、教學過程設計及分析

環節一：知識系統化（是什么？）——整合實驗，歸類分析［活動1］邀請學生演示玩具高壓水槍噴水。教師提出問題：如何操作使射程更遠？分析水槍噴水的原理，自然引入教材相關的氣壓實驗。［素材1］展示教材中有關氣體壓強的實驗裝置圖（如圖1-5），讓學生回顧學過的知識，教師提出：哪些實驗事實證明了密閉體系內的氣壓發生了改變？［活動2］讓學生將以上實驗進行分類，并討論分類的標準。［教學評析］從生活視角引入，通過玩水槍游戲，激發了學生的復習興趣，也引導學生從生活感性認識到化學理性視角認識物質變化。接著，再以問題情境的形式對知識進行梳理，雖然氣壓的變化非明顯可見的現象，但可以通過氣泡產生、液柱升降以及裝置形狀的改變等看得見的現象來佐證。通過復習密閉體系內氣壓改變的實驗現象，將零散的課本實驗整合，引導學生回顧原有的知識，從而引發學生新的思考，幫助學生從中尋找規律，構建新的知識網絡，進而得出結論，體現氣壓變化的宏觀現象，常體現在液體的流動（比如氣泡、液柱的倒吸等）和體積可變的裝置中形狀的改變等，引導學生從相似中找差別，從差別中看本質，不僅培養了學生深入分析問題的能力，也豐富了認識角度。環節二：知識深入化（為什么？）——宏觀辨識，微觀探析［活動3］學生分組討論并匯報上述實驗現象產生的原因。同時，引導學生從溫度的升降、氣體量的增減等角度來分析裝置中氣體壓強的變化。［活動4］學生觀看微課《氣壓那點事兒——微觀示意版》。教師提出問題：能從微觀角度分析引起氣壓變化的本質原因嗎？引導學生從微觀角度分析發現：氣壓增大是因為微粒的運動速率加快，微粒間間隔變大或者是微粒的數目增加；而氣壓減小是因為微粒的運動速率減慢，微粒間間隔變小或者是微粒的數目減少。［1］［教學評析］先從學生熟悉的裝置入手，通過對實驗宏觀現象的分析，推知實驗原理，再幫助學生理解裝置中氣體壓強變化是由于裝置中溫度、氣體的量的變化或者施加了外部壓強引起的。在此基礎上，進一步引導學生思考實驗裝置中溫度變化和氣體量增減的原因、這種變化和實驗中發生的化學變化的內在關聯以及外加壓強的改變對實驗的影響。借助視頻動畫引導學生對氣壓變化進行微觀探析，培養學生透過現象看本質，由表及里地分析問題。該設計從宏觀到微觀，進而理解現象和事物本質的內在聯系，并在分析實驗原理中滲透化學符號表征，既促進了學生宏微結合的學科思維也深化了學生對物質變化的認識發展。環節三：知識應用化（怎么用？）——實驗改進，拓展探究片段1.補充實驗，尋找規律［分組實驗1］要求學生根據桌面上提供的儀器和水，利用氣壓變化原理檢查“固液不加熱型”裝置的氣密性。［活動5］學生分析、討論并設計出如圖6和圖7實驗方案，利用氣壓變化原理，預測實驗現象，再實驗探究匯報。教師提出問題：根據實驗結果，分析壓強改變后氣體、液體的流動方向的規律。圖6拉注射器圖7推注射器［教學評析］此實驗設計為氣壓問題的辨析應用，學生發現推或拉注射器引起壓強變化時，所伴隨的實驗現象是不同的。當氣密性良好時，學生如圖6拉注射器，觀察到長頸漏斗下端有氣泡冒出；學生如圖7推注射器，觀察到長頸漏斗下端形成一段水柱。學生通過辨析現象產生的原因，發現現象雖不同，但氣體或者液體流動的方向相同，都遵循朝著氣壓變小的方向流動的規律。學生通過自主科學探究的過程，學會判斷壓強發生變化引發流體的流動方向，也突破了其認識的障礙點，能夠依據氣體壓強變化的規律，準確描述實驗現象。片段2.優化實驗，運用規律［活動6］學生分析、評價常見的“固液不加熱”的發生裝置存在的問題，思考實驗過程中，氣體或者液體的流動方向，并描述實驗現象。［分組實驗2］根據提供的實驗改進裝置（如圖8），以及大理石和稀鹽酸等藥品，討論、設計實驗方案實現二氧化碳氣體“隨時制取隨時停止”。圖8優化后的裝置示意圖［教學評析］該實驗是氣體壓強問題的遷移應用，目的是讓學生嘗試分析和評價實驗裝置，并能利用壓強變化的原理來控制反應的發生和停止。幫助學生理清氣壓改變和流體流動的因果關系，并能通過控制氣體或液體流動的方向，優化相關的實驗裝置。同時，也培養學生在理解物質變化實質過程中的抽象思維和調控實驗的能力。片段3.改進實驗，提煉方法［活動7］學生根據提供的裝置和用品設計噴泉實驗，教師演示改進后的熱水浴酒精增壓噴泉（裝置如圖9）和二氧化碳減壓噴泉實驗（裝置如圖10）。圖9圖10［教學評析］該片段是氣體壓強問題的趣味拓展，先由學生利用氣壓差的原理，設計出“水往高處流”的噴泉效果，再由教師演示改進后的熱水浴酒精增壓噴泉和二氧化碳減壓噴泉實驗，分析噴泉效果產生的原因，進而預測和驗證物質的性質。兩個改進實驗分別從實驗原理設計實驗方案，或是從實驗現象來分析實驗原理。利用改進后的實驗裝置，設置連續性問題，引發學生的認識沖突，啟發學生的逆向發散思維，不僅可以使學生更深刻理解實驗原理，提升了實驗評價能力，也經歷發現問題/解決問題的認識發展過程，同時激發學生改進實驗的創新意識。［活動8］反思總結：關于氣壓那些事，今天你有什么收獲？你能歸納出解決實驗中氣體壓強變化相關問題的基本思路嗎？圖11分析“有關氣壓實驗問題”的基本思路［教學評析］最后，由學生暢談收獲，關于氣壓的那些事，總結歸納出氣壓變化的實驗原理：由于氣體量增減或者溫度的升降引起，并常常伴隨著一些現象，比如形狀的改變，流體的流動，進而發現氣體或者液體的流動的規律，為準確描述實驗現象提供了依據，使學生既能通過實驗現象分析氣壓變化的原因，也能通過實驗原理預測實驗現象。此活動的設計目的是促進學生思考、歸納和總結，梳理知識的同時，提煉解題方法，反思學習過程，總結分析和解決氣壓變化問題的基本思路［2］（如圖11），以此為工具，幫助學生習得解決實際問題的方法和策略，優化學生認識思路。

三、教學的建議與反思

1.整合實驗，促進認識方式的拓展。顏色的變化、沉淀和氣泡的產生等，這些實驗現象是學生通過感官就能獲知的宏觀表象。而化學研究就是從看得見的宏觀世界到肉眼看不見的微觀世界，引導人們更深入地認識整個物質世界和本質。因此，“宏觀—微觀”的認識方式轉變更加依賴于化學實驗手段的介入。［3］所以，通過化學實驗實踐過程將學生所思所想的隱性發展顯現出來，是檢驗學生認識發展水平的一種重要途徑。比如，上文中筆者整合已學的關于氣壓變化的實驗，在教學中引導學生分析氣壓變化的實驗現象“是什么”，啟發學生從微觀角度分析“為什么”會發生氣壓變化，并嘗試解釋“為什么”。這就要求學生能夠透過現象看本質，從而實現從宏觀到微觀的認識方式拓展。2.改進實驗，促進認識思路的優化。知識網絡的建構過程正是學生優化認識思路的重要過程，設置階梯性的問題情境，啟發學生應用所學的知識來解決實際問題，經過動手實踐、反思評價、總結歸納的探索和思維過程，自主地建構出更加完整的知識網絡。只有學生理解自己所學的“是什么”“為什么”以及“怎么用”時，其在面對實際問題時才能迅速調取相關的信息以此類推、舉一反三來解決問題。如文中借助注射器的“推”“拉”來檢查裝置氣密性的實驗，探究流體流向的規律，學生就是通過辨析現象產生的原因，發現現象雖不同，但氣體或者液體的流向都遵循朝著氣壓變小的方向流動的規律。

參考文獻：

［1］金新華.基于發展核心素養的初中化學復習教學嘗試——以化學實驗與氣體壓強復習課為例［J］.化學教與學,2016(11).

［2］何彩霞,仇永紅.圍繞學科本質與思維方法展開復習——以“初中化學實驗中的壓強問題”為例［J］.教育與裝備研究,2016(7).

［3］張寒之.基于學生認識發展的化學實驗教學實踐研究［D］.南京：南京師范大學,2015.

作者:施秀美 單位:福州則徐中學