創(chuàng)設真實問題情境在跨學科實踐中突破難點
——以“氣體壓強在化學實驗中的應用”為例

高 偉

（南京市揚子第一中學 江蘇 南京 210048）

一、問題提出的背景

學科知識是學科核心素養(yǎng)形成的主要載體。［1］在人教版教材中，第一單元實驗1-7“裝置氣密性的檢查”，第二單元實驗2-1“測定空氣里氧氣的含量”，第五單元圖5-2“紅磷燃燒前后質量的測定”，第六單元實驗6-2“用木炭還原氧化銅”，實驗6-4“二氧化碳的溶解性實驗”，第七單元圖7-9“滅火器原理”，實驗7-2“粉塵爆炸實驗”都涉及到了氣體壓強在化學實驗中的應用。而在教學實踐中我們發(fā)現(xiàn)，一旦涉及氣體壓強的變化及其應用，學生總是感到無所適從，不知該從什么方向去理解。有些理解和描述甚至是錯誤的，如“溫度升高，氣體體積增大，壓強增大”等。正是基于此，我們以CO2這一核心物質的制取、性質為主線，通過三個基于解決真實問題的學習任務，創(chuàng)設真實問題情境，開展“做中學”“用中學”“創(chuàng)中學”的實踐活動，［2］設計了“氣體壓強在化學實驗中的應用”的專題復習課。希望通過在真實問題情境中利用跨物理化學學科實踐活動來突破這一難點。

二、教學過程

1.任務一：“做中學”——建立影響氣體壓強變化因素的模型。

【活動一】感受壓強的變化。

實驗一：將學生分成四組，按圖1分步進行實驗，并注意觀察記錄實驗現(xiàn)象。

圖1 感受壓強的變化

指導學生按要求進行第一步操作。〖問題1〗問按1-1、1-2操作的學生：“你覺得試管中的壓強有變化嗎？”（激疑，并產生認知沖突）。〖問題2〗如何證明自己的猜想是否正確？（引導學生根據(jù)已有知識和經驗，設計相關實驗方案）。

指導學生按要求進行第二步、第三步操作。〖問題3〗為什么第二步操作中，按2-2操作無現(xiàn)象，而第三步操作中3-2導管口有氣泡？〖問題4〗為什么按2-1操作沒有氣泡？（引導學生通過對比操作中的差異，并結合實驗現(xiàn)象的分析，得出結論：“在密閉容器中，溫度升高氣體壓強增大。”）。

指導學生按要求進行第四步操作。〖問題5〗為什么按4-1進行操作，在導管內會形成一段水柱？（引導學生對比、分析2-1、3-1、4-1、3-2操作的現(xiàn)象差異得出結論：“在密閉容器中，氣體的分子數(shù)越多，容器內壓強越大。”）

實驗二：按圖2所示進行實驗（考慮到安全性，該實驗可預先攝制成視頻在課堂上播放。）

圖2 同時加熱兩個三頸燒瓶

如圖2所示，對兩個三頸瓶同時進行加熱，并通過壓強傳感器記錄加熱過程中兩個三頸瓶內的壓強變化，得如圖3所示曲線，并注意觀察氣球的變化。

圖3 實驗過程中三頸燒瓶內壓強的變化

【問題6】AB段為什么兩個三頸瓶內的氣壓都沒有明顯變化？

【問題7】BC段綁氣球的三頸瓶內氣壓為什么沒有明顯變化？

〖問題8〗為什么實驗只能稍稍加熱，要控制溫度不能過高？

通過三個問題，引導學生結合觀察到的實驗現(xiàn)象（宏觀），通過分析圖3中傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息（認知沖突，數(shù)據(jù)分析），得出：“在剛性（形狀不易發(fā)生變化）的密閉容器中，溫度越高，氣體的壓強越大，反之亦然。”（獲得結論）

通過實驗一和實驗二在學生獲取大量直接經驗的基礎上，比較，分析實驗操作中的差異及其與現(xiàn)象和數(shù)據(jù)差異的聯(lián)系，從而歸納出氣體壓強變化的一般模型：“在剛性的密閉容器中，溫度越高或氣體粒子數(shù)越多，容器內的壓強越大。”

2.任務二：“用中學”——學生在動手實驗中檢驗利用模型解決問題的可靠性與可行性。

【活動二】建立檢查裝置氣密性的模型。

【問題9】回憶圖4所示裝置如何檢查氣密性？

圖4 石灰石與鹽酸反應

【問題10】如此檢查裝置氣密性的原理是什么？

通過問題9和10初步建立檢查裝置的氣密性的一般模型：“形成穩(wěn)定壓強差，產生相應現(xiàn)象。”

【活動三】檢驗檢查裝置氣密模型的可靠性與可行性。

設計實驗檢查圖5所示裝置的氣密性。并展示操作方法和講解設計原理。

圖5 實驗室里制取二氧化碳的一種裝置

通過學生的交流討論與展示，主要采用了如圖6所示的方法。并在展示、交流中歸納出氣體壓強改變的第二種模型：“在剛性的密閉容器中，當氣體被壓縮時，容器內的壓強增大，反之亦然。”

圖6 檢查裝置氣密性的兩種方法

并通過三個活動的現(xiàn)象歸納得出“氣體或液體會從高壓強一端向低壓強的一端移動。”的結論

【活動四】利用氣體壓強變化的模型進行實驗裝置的改進。

實驗三：用圖7所示裝置進行制取CO2的實驗。

圖7 制取二氧化碳的一種裝置

【問題11】打開止水夾和關閉止水夾，觀察到什么現(xiàn)象？（感受宏觀現(xiàn)象）

【問題12】請從壓強變化的角度分析產生上述現(xiàn)象的原因？（從化學的視角，微觀角度對簡單的跨學科問題進行探討。）

【問題13】裝置這樣改進的優(yōu)點是什么？

【問題14】圖8所示裝置中也能達到同樣目的的有哪些？（從跨學科角度初步分析和解決簡單的開放性問題。）

圖8 可用于制取二氧化碳的裝置

3.任務三：“創(chuàng)中學”——從跨學科角度初步分析和解決CO2能否與NaOH溶液反應。

【活動五】從定性、定量兩個角度設計實驗證明CO2能與NaOH溶液反應。

【問題15】回顧教材實驗6-4，回答實驗現(xiàn)象，并從氣體壓強變化的角度進行分析。（會用新建的“氣體壓強變化”的模型解釋已有的知識，并為建立新模型做必要鋪墊和準備。）

實驗四：如圖9所示，分別將10mL的氫氧化鈉溶液和澄清石灰水倒入充滿CO2的軟塑料瓶中，迅速擰上蓋子，觀察現(xiàn)象；用力振蕩，再觀察現(xiàn)象。

圖9 二氧化碳與堿溶液的反應

【問題16】倒入澄清石灰水后變渾濁是什么原因？書寫相關化學反應方程式。用力振蕩后，塑料瓶變癟且液體又變澄清是什么原因？書寫相關化學反應。（從宏觀、微觀、符號相結合的視角探究物質及其變化規(guī)律。從定性和定量的視角認識反應物的量不同，可能導致生成物的不同，并能用符號進行表征。）

【問題17】兩個塑料瓶都變癟，是什么原因？NaOH溶液的塑料瓶癟得更厲害說明什么？（基于實驗現(xiàn)象，利用“氣體壓強變化”的模型通過對比，分析，歸納得出NaOH溶液能與CO2反應的結論。以及為什么通常情況下，檢驗CO2用澄清石灰水，而吸收大量CO2會選用NaOH溶液。）

【問題18】倒入NaOH溶液的塑料瓶振蕩后，手感覺到塑料瓶發(fā)熱說明什么？（基于實驗現(xiàn)象，感受化學反應過程中的能量變化。）

【問題19】如果是剛性容器，我們如何設計實驗證明CO2能與NaOH溶液反應呢？（綜合運用化學、物理學科知識和方法，通過數(shù)字化實驗技術手段，運用相關模型，解決真實情況問題。）

實驗五：如圖10向收集滿CO2的三頸瓶內注入氫氧化鈉溶液。觀察三頸瓶內氣體壓強的變化；再向三頸瓶內注入稀鹽酸，觀察現(xiàn)象及三頸瓶內氣體壓強的變化。

圖10 驗證二氧化碳是否與氫氧化鈉溶液反應

【問題20】結合圖11回答下面的問題：

圖11 實驗過程中三頸燒瓶內壓強的變化

（1）AB段壓強沒有明顯變化的原因是什么？

（2）CD段壓強變化明顯加速的原因是什么？

（3）EF段壓強為什么會增大？

（4）最后壓強為什么比起始壓強要大？

（運用比較、分析、歸納的方法認識物質的變化，形成一定的證據(jù)推理能力。從變化和聯(lián)系的視角分析常見的化學現(xiàn)象。用科學語言和信息技術手段合理表述探究的過程和結果。）

三、反思

核心素養(yǎng)取向的化學教學，應緊緊圍繞本事的建構與遷移來進行設計與實施。本事的建構，即“學本事”；本事的遷移，即“用本事”。［3］本節(jié)課的設計就是選用了CO2這一核心物質的制取、性質的化學學科知識為載體，通過三個基于解決真實問題的學習任務，踐行了2022版義務教育化學課程標準中倡導的創(chuàng)設真實問題情境，進行“做中學”“用中學”“創(chuàng)中學”的實踐活動。學生在完成這三個任務的過程中，充分運用了跨學科的知識，在動手實驗過程中，基于實驗事實，建立了氣體壓強變化的一般模型“在剛性密閉容器中，溫度越高或氣體粒子數(shù)越多，氣體的壓強越大”。并在“裝置氣密性的檢查”“制取氣體發(fā)生裝置的改進”，以及“設計實驗證明物質間能否發(fā)生反應”的應用中檢驗模型的準確性和可靠性。從而有效突破壓強在化學實驗中應用的這一教學難點。

整節(jié)課滲透著從定性和定量的視角研究物質組成及變化的思想，通過實例認識物質的性質與應用的關系，形成合理利用物質的意識，關注了學生化學觀念的形成；從宏觀、微觀、符號相結合的方式認識和表征化學變化，運用比較、分析、歸納等科學方法解決化學問題，基于實驗事實進行證據(jù)推理、建構模型，關注了學生化學思維的培養(yǎng)；綜合運用化學等學科的知識和方法，通過一定的技術手段，解決真實問題，從跨學科角度初步分析和解決簡單的開放性問題，關注了學生科學探究與實踐能力的提升。