壓強原理在化學實驗中的應用復習策略

錢明安 韓萬中

摘? ? 要：氣體壓強問題在高考實驗題目中頻現(xiàn)。高三復習時傳統(tǒng)的“羅列+歸類”的模式類似“炒冷飯”，效果較差。教師引導學生在圍繞氣體壓強梳理教材的基礎(chǔ)上，植入學生實驗環(huán)節(jié)，促進感性認識與理性認識的連接和溝通，幫助學生建構(gòu)分析問題的思維模型，以實現(xiàn)深度學習和提升解題能力的目的。

關(guān)鍵詞：氣體壓強;復習策略;深度學習

由于解答紙質(zhì)實驗考題與在實驗室親自動手操作的感官活動和思維方向均不相同，所以，氣體壓強往往被學生所忽視，但它又像一只無形的大手控制實驗的進程和結(jié)果。氣體及其與生俱來的壓強問題備受命題人青睞，這在近幾年高考化學實驗考題中體現(xiàn)得比較突出，它不僅考查了學生實驗操作技能，而且考查學生實驗設(shè)計能力和運用壓強原理解決實際問題的能力，體現(xiàn)樂于科學探究和贊賞化學應用的素養(yǎng)水平。

因此，在復習中，教師應充分發(fā)揮主導作用，不僅要幫助學生圍繞氣體壓強梳理教材，同時通過實驗探究讓學生獲得感性認識，更關(guān)鍵的是要建構(gòu)思維模型進行深度學習和提升解題能力[1]。

一、歸納碎片化的氣壓類問題，優(yōu)化學生認知結(jié)構(gòu)

1.裝置氣密性檢驗

圖1是中學化學實驗中常見的5種裝置，裝置的結(jié)構(gòu)不同，檢驗氣密性的方法可能不同，但它們都運用了氣體壓強原理。A和B裝置相似度很大，但B裝置導管上具有止水夾，這個微小的差異決定了B運用滴水法與A的微熱法相異。在止水夾處于關(guān)閉狀態(tài)時，C中通過長頸漏斗加水和B中通過分液漏斗滴水效果不同，B裝置利用漏斗液體滴落的難度判斷氣密性優(yōu)劣，C裝置則利用加入液體直到淹沒漏斗下口出現(xiàn)液面差判斷。“有意思”的是D裝置，先加水“堵”住漏斗下口，如果向外拉動注射器的活塞，裝置內(nèi)產(chǎn)生負壓，漏斗下口出現(xiàn)氣泡也表明裝置氣密性良好，如果向里推動活塞，則裝置內(nèi)產(chǎn)生正壓漏斗頸中液面上升表明裝置氣密性良好，兩種方式異曲同工。裝置E是C的變形，同樣利用液面差原理。上述的對比分析，啟迪了學生的求異思維，發(fā)現(xiàn)和揭示事物的內(nèi)在本質(zhì)和規(guī)律，突破前概念的障礙，引導認知深化和結(jié)構(gòu)化，減輕記憶負荷，深受學生的喜愛。

2.防倒吸

（1）防倒吸裝置

圖2是中學實驗用于處理溶解性較大的尾氣如NH3、HCl等，具有防止由于氣壓驟降而發(fā)生溶液倒吸的作用。通過發(fā)動學生討論，這些裝置可分為三種類型：肚容式（發(fā)散源及A、B、C、D），接受式（E），隔離式（F），這種討論的結(jié)果不僅深化了學生對氣體壓強原理應用的認識，形成和發(fā)展了學科思維方法，而且還促進了證據(jù)推理和模型認知素養(yǎng)的形成[2]。

實驗設(shè)計中，不僅裝置末端尾氣處理時考慮防倒吸，有時還設(shè)置安全瓶跟在加熱裝置后，防止后續(xù)裝置中的水溶液倒吸到加熱裝置中引起炸裂，如2013年四川卷第9題的實驗裝置如圖3所示，實驗目的是探究AgNO3的熱穩(wěn)定性，對于B的位置以及它能起到的作用，可啟發(fā)學生聯(lián)系實驗過程中氣體壓強可能發(fā)生的變化進行分析，培養(yǎng)學生的自主探究能力。

（2）防倒吸措施

表1例舉了兩個制備實驗，在實驗結(jié)束時為防止熄滅酒精燈后發(fā)生倒吸的“惡果”，它們采取了不同的操作方法，在對比分析中學生會感知到氣體壓強好像是一種神秘的力量，關(guān)系著實驗安全或成敗，促進了化學實驗思維能力的提升。

（3）平衡壓強

氣體通過液相時會受到液體產(chǎn)生的壓力，使相對密閉的系統(tǒng)氣壓增大，在適當?shù)奈稽c設(shè)立如圖4中的裝置能起到一定的緩解壓力的作用，或可提示操作者采取有效措施謹防安全事故，這種有“人情味”的設(shè)計肯定會引發(fā)學生的興致，他們收獲的不僅僅是思維方向的改變，而且還感受到了實驗與技術(shù)珠聯(lián)璧合的魅力。

量氣體體積通常使用量氣瓶、量氣管等，如圖5所示，準確讀取體積、減少測量誤差是定量實驗的關(guān)鍵，但在復習時教師發(fā)現(xiàn)很多學生對于讀數(shù)時的壓強問題認知模糊或者“壓根就沒有想過”，教師可引領(lǐng)學生運用理想氣體狀態(tài)方程進行誤差分析，發(fā)展學生的證據(jù)推理素養(yǎng)和系統(tǒng)思維能力。在教師啟發(fā)引導下，學生會認識到讀取體積數(shù)據(jù)前必須做到兩點：第一，需要裝置冷卻到室溫才能讀數(shù)，這是因為發(fā)生氣體的反應多為放熱反應，“熱”氣體積較大，冷卻后會使排出的液體回流，這時很多學生驚嘆這種倒吸的“美好”，使氣體體積數(shù)據(jù)測量準確，一改過去對倒吸形成的“丑惡”印象，認知辯證化，情感升華，體現(xiàn)出學生深度學習的良好效果;第二，調(diào)整量氣瓶或量氣管的左右兩端液面持平，在裝置內(nèi)外壓強相等的狀態(tài)下讀數(shù)。

（4）有關(guān)氣壓問題的典型實驗

圖6～圖9中例舉了四個典型實驗，實驗中出現(xiàn)的明顯現(xiàn)象透視出壓強精靈般的操縱。以“空氣中O2體積分數(shù)的測定”實驗為例，教師可圍繞壓強設(shè)置問題鏈步步緊逼問題的實質(zhì)，激發(fā)學生探究潛能，提升學生變化觀念的素養(yǎng)水平，提高復習效果：玻璃鐘罩中現(xiàn)象有哪些？實驗結(jié)果偏低或偏高的原因有哪些？實驗中所用的紅磷能否用鎂條、鐵絲、木炭、硫磺來代替？

通過上述的梳理歸類可知，氣體和壓強形影不離，因此，樹立起“哪里有氣體哪里就有壓強”的觀念是第一位的;同時，從氣體的理化性質(zhì)、反應前后氣體分子數(shù)的改變出發(fā)，結(jié)合實驗設(shè)計中的裝置特點把握氣體壓強的變化，是突破涉氣實驗問題的核心。

多數(shù)老師在實驗復習中，雖然開設(shè)壓強專題，但由于問題的靈活性、綜合性以及不同實驗情境的特殊性，學生仍感解題效果欠佳。究其原因，是學生習慣陳述性知識的死記硬背和膚淺理解，習慣相似題目的復述和淺表提取，缺乏透過現(xiàn)象看本質(zhì)的思維深加工和精準輸出。基于此，在高三復習時，還要注重以下兩個環(huán)節(jié)予以推進。

二、提供真實實驗情境，促進認知飛躍

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。實驗具有刷題所沒有的直觀感知、外顯知識的功能，實驗是通過學生的動手、觀察和思維等親身體驗而建構(gòu)知識的有效手段，高三復習不能缺少這個給力“助手”。教師需要精選一些典型實驗（見表2），讓學生在實驗室中動手操作，通過儀器識別、儀器組裝、藥品加入、步驟操作、現(xiàn)象觀察和結(jié)果分析等環(huán)節(jié)，直觀感受氣壓在實驗中的存在和作用。

表2? ?以氣體壓強為核心的典型實驗

[實驗名稱 學生動手操作和觀察 學生動腦思考 使用啟普發(fā)生器制取CO2 ①打開導氣管上的旋塞，球形漏斗中的液體進入容器與固體反應，產(chǎn)生氣體。

②關(guān)閉旋塞，液體回流到球形漏斗，容器中液體與固體脫離，反應停止。 ①打開導氣管上的旋塞，為什么球形漏斗中的液體進入容器與固體反應呢？

②關(guān)閉旋塞，為什么液體能流回球形漏斗呢？ 萃取分液實驗中分液漏斗的使用 ①把分液漏斗倒轉(zhuǎn)過來振蕩，使兩種液體充分接觸，振蕩后打開活塞，使漏斗內(nèi)氣體放出。

②分液時，先將分液漏斗頸上的玻璃塞打開或使塞上的凹槽（或小孔）對準漏斗上的小孔。 ①“氣體”是怎樣產(chǎn)生的？為什么要將“氣體”放出來呢？

②分液漏斗頸上的玻璃塞打開或使塞上的凹槽（或小孔）對準漏斗上的小孔，這樣做的作用是什么？ NH3的噴泉實驗 組裝NH3的噴泉實驗裝置 怎樣使燒杯中的水噴到圓底燒瓶中？ ]

實驗時除了學生興致勃勃之外，更多了理性的動手、細致的觀察和積極的思考，并且發(fā)現(xiàn)了一些只有實踐才能知道的細節(jié)，解決了一些紙面做題難以解決的問題，彌補了認知缺陷和誤區(qū)。

認知1：啟普發(fā)生器在2017年全國Ⅰ卷第10題亮相，很多學生不能理解它的工作原理。實際操作時，學生通過加入固、液體反應物認識了啟普發(fā)生器的構(gòu)造，親眼看到了液體的流動路徑，體會到它具有“隨開隨用、隨關(guān)隨停”的魅力特點，同時還悟出儀器的“半自動化”表面好像是活塞的開閉所致，實質(zhì)卻是壓強差的操縱。

認知2：在萃取時，大多數(shù)學生對混合液振蕩后放氣的“小動作”沒有印象。通過實驗，學生能夠理解有機溶劑的揮發(fā)而使漏斗內(nèi)氣壓增大而產(chǎn)生的隱患，如果沒有這樣的實際操作，僅僅依靠老師黑板上講述難以保證學生的長久記憶。

認知3：很多學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）。有的同學發(fā)現(xiàn)漏斗中的液體不能順利滴落下來，百思不得其解，通過不斷嘗試和觀察思考最終發(fā)現(xiàn)了其中的秘密。同時，很多同學還聯(lián)想到2012年浙江理綜化學試卷中出現(xiàn)的恒壓滴液漏斗，發(fā)現(xiàn)它比分液漏斗設(shè)計得更周到、更先進：由于裝置內(nèi)與漏斗內(nèi)氣壓的平衡，使液體受重力作用能夠順利滴下，加快了實驗進程，在一些合成實驗中能避免有機反應物揮發(fā)所造成的污染。通過實驗點燃出思維的火花，很接地氣，使學生認識到技術(shù)手段創(chuàng)新的價值。

認知4：有的同學實驗失敗，有的同學噴泉“無力”，認識到燒瓶充滿干燥NH3、燒瓶干燥和裝置氣密性良好是實驗成功的關(guān)鍵。還有很多學生對噴泉實驗的實現(xiàn)產(chǎn)生了定勢思維，認為教材介紹的“使滴管中的水進入燒瓶”是產(chǎn)生噴泉的唯一途徑。能否通過其他方式形成噴泉呢？學生思考噴泉的壓強原理，發(fā)現(xiàn)可以從溫度出發(fā)形成內(nèi)外壓強差實現(xiàn)噴泉，他們通過實驗嘗試得出用冷毛巾捂住燒瓶和用熱毛巾捂住燒瓶都能達到預期的實驗效果。

有了實驗的經(jīng)歷，對氣體壓強原理的認識是否達到了理解的層次呢？布魯姆教育目標分類學理論認為，對于原理性的知識，評價其理解的達成，可以通過評價學生能否解釋、比較、推演這些內(nèi)容而實現(xiàn)。而這一過程，要從實驗的具體情況出發(fā)，尋求證據(jù)和實驗目的之間的關(guān)系，以幫助學生構(gòu)建思維模型。

三、基于壓強原理的應用，加工整合，建構(gòu)思維模型

思維模型是學習者對當前學習的理解過程形成某種框架或網(wǎng)絡(luò)，體現(xiàn)主體能動地反映客體的一種符號性能力以及主體改造客體的某種規(guī)則，促進學生對一類問題的深層理解和靈活運用。思維模型會給自己提供一種視角或架構(gòu)，決定觀察事物和處理問題的途徑。高三復習中的學生迫切需要建構(gòu)思維模型，使思維有序且富有邏輯，便于遷移應用，從而提高復習效率。

依據(jù)上文梳理的壓強原理在不同實驗情境下的應用，教師可引導學生進行思維模型建構(gòu)。

首先，檢查和完善氣體壓強知識的儲備：以pV=nRT為抓手，明確氣體壓強（p）在其他條件相同時與溫度（T）或容器體積或氣體物質(zhì)的量（n）之間的關(guān)系。

第二，結(jié)合實驗目的，把握氣體在案例實驗裝置中的表現(xiàn)：①明確氣體在實驗裝置中的行走方向，以及某活塞關(guān)閉等條件控制導致氣流方向的改變;②明確因氣體參與反應或溶解等使n變化導致氣壓的變化，明確因酒精燈熄燃、反應熱效應等使T變化導致氣壓的變化;③明確壓強變化的類型及其給系統(tǒng)帶來的影響，正壓的力量往往將液體排出或氣體從液體中逸出;負壓則使裝置中的液體逆向流動。

第三，審視典型案例，運用實驗、分類、比較、推理、抽取等方法，將分析和解決氣體壓強問題的關(guān)鍵思維按照一定的流程進行結(jié)構(gòu)化、可視化表達，形成模型。

第四，隨著問題的靈活多變，原有的思維模型可隨時修補或優(yōu)化，使簡略的模型逐漸趨向完整。

化學實驗中壓強原理的應用思維模型如圖10所示。

思維模型的建構(gòu)是將一類化學問題中次要的、非本質(zhì)的信息舍去，提煉出一種解決問題的邏輯思維結(jié)構(gòu)。建構(gòu)過程中，從個性到共性歸納，從現(xiàn)象到本質(zhì)升華，揭示了系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性、層次性和自組織性，促進了學生的分析、推理和設(shè)計等高階思維能力的發(fā)展，是學生深度學習的過程，更是一種高三高效復習的方法。

思維模型具有遷移學習的功能，應用到相似問題上并高效地解決它們。因此，教師還應培養(yǎng)學生通過類比、聯(lián)想等方法，將原有的思維模型橋接到新的情境中，化陌生為熟悉，化一般為具體，達到靈活應對、觸類旁通的目的。[□][◢]

參考文獻：

[1]徐婷婷，王萍，謝寧，王麗麗.利用實驗重構(gòu)氣體壓強知識的復習課[J].化學教學，2019（1）：76-78.

[2]許美蓮.基于模型認知的高三化學復習[J].化學教學，2019（2）：75-79.