促進“物質的量”概念本質理解的教學設計研究

姜顯光 王明月

摘要： “物質的量”是高中化學的重要概念，是宏觀與微觀聯系的重要橋梁?；诨瘜W史實，追尋科學家的思維方式和方法，促進概念本質理解。以概念的歷史動態演變過程為線索，追隨化學家的腳步去探尋知識發展的歷史脈絡，了解概念提出的背景和意義，深刻體會概念的內涵和價值，感受科學家嚴謹求實的科學態度以及追求真理的科學精神，發展學生的化學學科核心素養。

關鍵詞： 高中化學； 物質的量； 化學史； 概念本質； 教學設計

文章編號： 1005-6629（2023）09-0051-05???中圖分類號： G633.8???文獻標識碼： B

“物質的量”是高中化學核心概念之一，是化學宏觀與微觀“定量”聯結的橋梁?；瘜W科學的發展歷史證明，只有深入到微觀領域，化學才走上了科學的發展道路。然而人類無法直接用肉眼或儀器觀察微觀世界［1］，“物質的量”概念的引入，把化學宏觀與微觀聯結在一起。但“物質的量”概念一般難以理解，相關知識內容錯綜復雜，因此成為高中化學的教學難點。

促進概念本質理解是落實新一輪基礎教育課程改革的目標，是發展化學學科核心素養的重要途徑。諸多一線教師開展了“物質的量”概念的教學研究，構建了多種課堂教學案例。例如，基于認知發展理論教學、基于問題驅動的項目式教學、基于具身認知理論的教學等。以化學史為情境素材促進概念本質理解是核心素養導向化學課堂教學的重要策略。學生通過化學史實進行知識學習、概念建構，才能真正懂得“學什么”“為什么學”。本文旨在通過化學史實教學促進“物質的量”概念本質理解，促使學生感悟化學學科思想，體會化學學科思維方式和方法。

1? 教學主題內容及教學現狀分析

本節課的內容位于人民教育出版社《普通高中教科書·化學（必修·第一冊）》［2］第二章“海水中的重要元素——鈉和氯”中第三節“物質的量”。本節課內容主要包括“物質的量”“摩爾”“阿伏伽德羅常數”“摩爾質量”及各物理量之間的相互轉換計算。

在初中階段，學生已經學習了原子、分子等微觀粒子的基本知識，對道爾頓原子學說、阿伏伽德羅分子學說有一定的了解。在高中階段，學生已經學習了離子反應、氧化還原反應，因此對微觀粒子并不陌生?！拔镔|的量”是學習氣體摩爾體積、物質的量濃度等內容的基礎，并貫穿于高中化學學習全過程，尤其在化學計算中處于重要的位置［3］。同時，“物質的量”將微觀粒子與可觀測、可稱量的宏觀物質聯系起來，被稱為化學宏微世界聯系的橋梁。

在教學實踐中，“物質的量”教學中存在如下幾方面問題：（1）灌輸式教學。在實際教學中，“灌輸式”教學較為常見，學生往往是被動地、機械地記憶概念以及公式轉換［4］。由于學生單純地記憶大量概念，不理解引入“物質的量”“摩爾”等概念的必要性，因此無法理解概念本質。加上本單元概念頗多，很容易混淆。（2）機械地引入科學概念。部分教師直接以國際單位制中的七個基本物理量引入“物質的量”概念。雖然學生知道長度、質量等宏觀物理量，但是學生對其微觀內涵并不理解。（3）缺乏相關史實資料的閱讀和學習，造成對概念本質理解的缺失。從19世紀至今，科學家們先后提出了原子學說、分子學說、摩爾、阿伏伽德羅常數等假說或概念，最后才提出“物質的量”概念。但是現實課堂教學卻是逆向進行的，大多數教師從“物質的量”概念講起，再引出摩爾、阿伏伽德羅常數等概念，導致學生認為摩爾等概念是“物質的量”概念的衍生品。解決上述問題的有效方法之一是將歷史進行梳理，只有明晰當時概念變化的歷史情境，才能真正明白情境中化學科學的理論、實踐、決策的價值［5］。

2? 教學思想

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出的主旨理念是化學學科核心素養［6］，“真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，也為學生化學學科核心素養提供了真實的表現機會”［10］。在素養導向的化學教學設計時，教師要“關注化學理論的歷史演進過程，結合理論模型發展中的重要事實和科學家的推理論證過程，引導學生認識化學理論的建立過程和思想方法”［7］。

追尋科學家的“腳步”，探尋科學家的思想方法，才能明確知識本質，解決實際問題。概念的產生有其特定的社會歷史背景，學生了解概念的產生背景才能理解概念背后的價值。物質的量、摩爾、阿伏伽德羅常數等概念的產生及演變貫穿著整個近代化學發展歷史，凝結著無數科學家的思想和方法，蘊含著豐富的科學價值。1803年，道爾頓提出化學意義上的原子概念，1811年，阿伏伽德羅提出分子假說。原子、分子概念的提出標志著化學家對化學微觀世界的認識取得了突破。1860年，第一次化學家國際會議在德國卡爾斯魯厄舉行，康尼查羅運用歷史與邏輯相一致的思想和方法，論證了原子和分子間的區別與聯系。1865年，洛施密特以阿伏伽德羅的猜想為基礎，測定出一定容積的氣體所含的分子數。1900年奧斯特瓦爾德提出“摩爾”概念。1908年，佩蘭等人陸續測定出了阿伏伽德羅常數的近似值。1971年國際計量大會決議“物質的量”作為國際單位制中的一個基本物理量。自“摩爾”“物質的量”提出以后，科學家們通過物質的量間接地測量物質的微觀粒子數目，將宏觀世界與微觀世界緊密地聯系起來。

3? 教學目標

（1） 通過閱讀化學史實資料，了解科學家在認識微觀世界過程中遭遇的困境，感受科學發展進步的曲折與艱辛。

（2） 通過閱讀分子、摩爾、阿伏伽德羅常數、物質的量等概念的相關化學史實，建構化學宏觀與化學微觀間的關聯，形成嚴謹求實的科學態度，勇于追求真理的科學精神。

（3） 通過宏觀質量與微觀粒子質量間關系的計算，確立物質的量作為宏觀質量與微觀粒子數之間定量聯系的橋梁功能。

4? 教學思路

教學思路如圖1所示。根據所提供的學習資料，通過小組合作進行交流討論，完成教學流程。

4.1? 遭遇困境

宏觀辨識與微觀探析是化學學科核心素養之一，宏觀、微觀是認識化學的視角。明確科學家在試圖將宏觀和微觀建立關聯時遇到的困境是理解知識本質的基礎或前提。

4.1.1? 困境1：化學物質是由什么構成的？

問題1： 化學物質構成問題曾經困擾了科學家多年，請閱讀學習資料1，看科學家遇到了什么問題？

學習資料1： 1803年，英國科學家道爾頓提出化學意義上的原子概念，認為原子是構成物質的基本粒子。1811年，意大利物理學家阿伏伽德羅提出分子假說，認為分子是構成物質的基本粒子，并且推導出了一些元素原子量和化合物分子式。這導致在后面半個世紀的時間里，科學家一方面都運用原子理論解決問題，而另一方面又不信任它，甚至懷疑原子本身的存在。另外，分子假說由于與“電化二元論”相矛盾而未獲承認。

問題2： 道爾頓的原子論、阿伏伽德羅的分子論是否解決了科學家長期關心的化學物質構成問題？原因是什么？

設計意圖： 通過閱讀學習資料1了解化學物質構成的歷史爭論，激發學生對化學微觀認識的興趣。啟發學生解決化學微觀世界的構成層次問題，能夠有效地解決宏觀物質與微觀粒子間的對接問題。問題1引導學生進行資料閱讀，體會對化學微觀認識不足導致在解決實際問題時遇到的困難；問題2引領學生對學習資料1的內容進行深層理解，明確原子論和分子假說在研究物質構成問題時是存在缺陷的。由于化學微觀世界構成層次不清晰，給科學家們帶來困惑，因此在將化學宏觀和微觀建立關聯時找不到“對接物質”。培養學生的閱讀能力和分析能力。

4.1.2? 困境2：如何在宏觀與微觀之間建立定量關聯？

問題3： 科學家在將宏觀與微觀建立關聯的研究中實驗起到了至關重要的作用，請閱讀學習資料2，科學家發現了什么規律？

學習資料2： 1805年，法國物理學家蓋·呂薩克發現將氫氣和氧氣的混合氣體通過電火花點燃后生成水，100體積的氧氣總是和200體積的氫氣相化合。隨后蓋·呂薩克進一步研究了其他氣體物質間的相互反應，也存在這一反應規律。

問題4： 蓋·呂薩克發現的比例關系與化學方程式中的哪些數值存在對應關系？

問題5： 這與初中用質量進行化學反應計算存在著怎樣的關聯？

設計意圖： 學習資料2通過蓋·呂薩克發現的實驗規律，啟發學生在實驗規律、化學計量系數、質量之間的建立對應關系。問題3引導學生閱讀學習資料2，提示學生閱讀資料關注點是什么；問題4引領學生思考，將資料中的信息與已學知識建立關聯，基于微觀粒子數視角認識化學反應物質間的對應關系；問題5進一步引領學生思考，分子個數比與分子質量比之間的關系，為后面突破困境做鋪墊。培養學生發現規律和新舊知識關聯能力。

4.2? 突破困境

4.2.1? 突破1：探尋宏觀與微觀的對接物質——分子

問題1： 從尺度視角看，宏觀物質摸得著、看得見，微觀物質摸不著、看不見。道爾頓和阿伏伽德羅分別提出原子、分子是構成化學物質的基本粒子，那么宏觀與微觀的對接物質到底是原子還是分子呢？即哪個微觀粒子能夠反映宏觀物質的性質？請閱讀學習資料3。

學習資料3： 阿伏伽德羅分子假說在很長一段時間內未受到化學界和物理學界的重視?；瘜W家們混淆使用當量、原子量和分子量等概念，而且化學式的表達也處于混亂狀態。1860年，德國卡爾斯魯厄舉行了第一次化學家國際會議，意大利科學家康尼查羅通過印刷小冊子的形式，指出測定原子量時，可以取氫分子的一半重量為一個單位，或規定氫分子的密度為2，這樣所有的分子量都可以用某一單位重量來表示。并進一步提出近年來化學之進步，已經證實等體積的氣體中無論是單質還是化合物，都含有相同數目的分子，但不一定含有相同數目的原子?？茖W家邁爾看到小冊子后興奮地說，“眼前的陰翳消失了，懷疑沒有了，使我有一種安定的明確的感覺”［8］。

問題2： 邁爾為什么有了安定的明確的感覺？

設計意圖： 學習資料3通過康尼查羅思想的重現，啟發學生明確分子和原子之間的關系，確定分子是保持物質化學性質的基本粒子，為建立宏微關聯找到了對接物質。問題1是在困境1的基礎上提出，引導學生閱讀學習資料3，找出宏觀和微觀的對接物質；問題2是借助邁爾的感慨，進一步思考、明確原子和分子之間的區別與聯系。培養學生的閱讀能力以及關鍵證據的提取能力。

4.2.2? 突破2：探尋宏觀與微觀的對接概念——阿伏伽德羅常數、物質的量

問題3： 分子是保持物質化學性質的微觀粒子。宏觀上，可以用“質量”“體積”等概念對物質的數量進行描述；微觀上，分子的質量、體積很小，而且數目龐大，如何利用質量、體積間接計算微觀粒子數目呢？請閱讀學習資料4。

學習資料4： 1811年，阿伏伽德羅發表論文提出“對于相等體積的任何氣體，其中所含的分子數目是相等的，或者總是與它的體積成比例的”［9］。1865年，奧地利物理學家洛施密特根據分子運動論測得標準狀態時1m3任何氣體都含有2.6876×1025個分子，這為分子假說從定量角度提供了支持［10］。1900年，奧斯瓦爾德提出“摩爾”概念，在正常情況下，22414毫升任何氣體分子數量為1摩爾［11］。1908～1909年，法國物理學家佩蘭通過實驗證實了分子的存在，并測得這個數值為7.5×1023，于1908年將1克分子量（在19世紀上半葉，克分子量、克原子量等概念都用來表達物質質量）體積中的分子數規定為1阿伏伽德羅常數（為紀念分子假說的提出者——阿伏伽德羅），1981年舍夫利德等人在對X射線做了改進之后測定出其近似值為6.02×1023，用符號NA表示，單位是mol-1［12］。

問題4： 通過閱讀學習資料5，請同學們分析“物質的量”概念提出的價值是什么？

學習資料5： 1961年，國際純粹和應用物理聯合會（International Union of Pure and Applied Physics）確認用“物質的量”表示一個不同于“質量”的新物理量，單位是摩爾。1965年，國際純粹和應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry）接受了這一概念。1971年，第14屆國際計量大會確認“物質的量”作為國際單位制中的一個基本物理量，單位是摩爾。

設計意圖： 學習資料4為明確摩爾、阿伏伽德羅常數兩個概念的物理意義是表征“微觀粒子集合體”，學習資料5為確定“物質的量”“質量”均是表征物質宏觀數量的概念。問題3引導學生建立“微觀粒子集合體”概念及其之間的轉換關系，即阿伏伽德羅常數（NA）與微觀粒子數（N）之間的關聯。問題4引領學生認識“物質的量”是一個有別于“質量”來表征物質宏觀數量的概念，促進對概念本質的理解，感受科學家們追求真理的科學精神和嚴謹求實的科學態度。

4.3? 解決問題

4.3.1? 解決1：質量與阿伏伽德羅常數的關聯——摩爾質量

問題1： 宏觀上定量描述物質通常用質量、濃度、體積等物理量。摩爾質量與微觀粒子數之間是什么關系？

例： 1mol CO2中含有阿伏伽德羅常數，約為6.02×1023個CO2分子，每個CO2分子的質量約為7.31×10－23g，計算1mol CO2的質量。

設計意圖： 例題是為引入“摩爾質量”概念。通過例題計算，學生可以得出1mol CO2分子的質量與其相對分子質量在數值上相等，解決了阿伏伽德羅常數與物質的質量之間建立定量關聯的問題。培養學生的計算能力和知識關聯能力。

4.3.2? 解決2：宏觀質量與微觀粒子數的定量橋梁——物質的量

問題2： 通過觀察表1中的數據，認識質量、物質的量、微粒間是什么對應關系？

C與O2反應生成CO2，其質量、物質的量、微粒個數對應關系如表1所示。

設計意圖：表1呈現了物質的宏觀質量、物質的量及微粒個數之間的對應關系。問題2引導學生發現表1中的數據規律，并進行宏觀與微觀間的計算轉換，逐步感受物質的量的橋梁功能。培養閱讀數據獲得證據進行推理、關聯的能力。

5? 教學反思與啟示

5.1? 追隨科學家思想變遷有助于化學概念本質理解

追隨科學家的思想變遷以深入了解化學概念提出時的歷史背景、過程及其意義，才能深刻感悟其內涵、本質與價值。明確科學家遭遇的困境是科學前進的方向和動力。宏觀、微觀是認識化學的兩個視角，宏觀用質量、體積等物理量進行表征，微觀用原子、分子進行表征，那么“原子和分子間存在著怎樣的聯系和區別、宏觀和微觀之間如何建立起關聯”，這在當時已成為困擾科學家們的難題?？茖W家們突破困境是科學思想方法創新的過程?？的岵榱_運用歷史和邏輯相統一的觀點解決了原子和分子的聯系以及區別的問題?！澳枴薄鞍⒎さ铝_常數”概念表征“多個分子構成的集合體”，通過“集合體”把質量小、看不見、摸不著的微觀分子進行表征，解決了宏觀與微觀之間難以定量關聯的難題。

5.2? 化學史實是化學課堂教學的重要資源

歷史是由一個一個的事件構成的，但歷史是前人智慧的結晶，其思想、方法給后人以啟迪。通過化學史實作為課堂教學資源，提供相關化學史實資料給學生，有利于學生進行意義建構，從“根”上理解知識發展的來龍去脈，體現學科特質，反映學科思想［13］。如通過呈現1860年的卡爾斯魯厄化學家國際會議，明確會議前大家對化學物質構成認識的混沌狀態，康尼查羅通過散發小冊子的形式統一了國際認識，明確了原子和分子的區別與聯系，這為化學宏觀與微觀間建立關聯奠定了物質基礎。

5.3? 交流研討是學生間思維碰撞的重要途徑

思維的碰撞產生有效的交流，有效的課堂交流需要教師引導學生在問題中交流，在交流中反饋，在反饋中碰撞，在碰撞中生成新的精彩［14］。本節課以學生為主體，教師為主導的教學方式貫穿教學始終。設立學習小組、創設問題情境并結合學習資料的運用，為學生提供了一個在探討交流中發現問題、解決問題的環境和機會，不僅能最大程度地讓學生融入課堂，還能激發其學習欲望、滿足其學習成就感。在教師有效的引導下，師與生、生與生之間對問題的交流與探討活動也最大限度地激發了學生之間思維的碰撞，對其創造性思維的培育有重要的意義。

參考文獻：

［1］鐘志健. “物質的量”教學難度成因剖析［J］. 化學教學， 2014，（10）： 8～12.

［2］王晶， 鄭長龍. 普通高中教科書·化學第一冊（必修）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 53.

［3］季海東. 基于“活動-建構”的“物質的量”教學設計與實踐研究［D］. 濟南： 山東師范大學碩士學位論文， 2011.

［4］楊夢， 董美婷. 化學學科核心素養理念下的課堂教學重構——以“物質的量單位——摩爾”為例［J］. 新課程教學（電子版）， 2021，（9）： 127～129.

［5］［11］王偉， 王后雄， 孫妍. 摩爾概念的歷史變遷及其科學價值［J］. 化學教育（中英文）， 2020， 41（11）： 101～106.

［6］姜顯光， 劉東方. 學科素養導向化學教學設計模式研究——基于《普通高中化學課程標準》教學與評價案例［J］. 化學教學， 2022，（8）： 36～41.

［7］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 1，73，63.

［8］［9］《化學思想史》編寫組編著. 化學思想史［M］. 長沙： 湖南教育出版社， 1986： 153，126.

［10］郭玲， 李華. 阿伏伽德羅NA的潛科學分析［J］. 首都師范大學學報（自然科學版）， 2012， 33（1）：25～28.

［12］包赫茹. 旨在促進“物質的量”概念形成的教學設計研究［D］. 天津： 天津師范大學碩士學位論文， 2016：49.

［13］姜顯光， 鄭長龍. “學科素養為本”的課堂教學特征、挑戰及策略［J］. 教育理論與實踐， 2017， 37（17）： 10～12.

［14］侯帥， 王后雄. 中學化學課堂“低效”交流的問題診斷與改進策略［J］. 化學教學， 2016，（4）： 40～44.