如何突破初中化学气体压强的学习障碍
初中化学中涉及气体压强应用的重要实验是空气中氧气体积的测定。用红磷燃烧测空气中氧气的体积时,即使老师已经讲解分析过了,很多同学还是不能理解,为什么最后进入瓶子的水的体积就是空气中氧气所占的体积。此外,实验还涉及到很多现象的分析,比如点火后渗透太慢会导致进水量太多,未冷却到室温或装置气密性差会导致进水量太少。一些学生觉得很难理解,然而,能理解这个问题的学生比例仍然很高。
二,影响学生理解知识的障碍
(1)缺乏必要的知识背景
美国著名教育心理学家奥苏贝尔认为,影响学习的最重要因素是学生已经掌握的知识,教师应该根据学生原有的知识进行教学,因此对学生知识背景的研究最为重要。而某一学科的教师在分析学习情况时,往往只研究本学科的教材和课程目标,很少关注其他学科的教材和课程目标对本知识点的教学和学生学习的影响,以及对本学科的学习是否有帮助。
高二物理教材中关于气体压强的介绍,主要是对大气压强的描述:“大气对其中的物体有压强,这个压强叫做大气压强。”仅此而已,教材没有过多阐述气体压力产生的原因,影响因素也简单介绍了流量对流体压力的影响。初三化学课本在介绍物理性质的沸点时只提到了大气压:“实验证明,液体的沸点会随着大气压的变化而变化。比如大气稀薄,大气压就会降低,然后水的沸点就会降低。因为大气压不是固定的,所以人们把101KPa定义为标准大气压。”根据课程标准,在物理教学和实践中,我们更注重固体和液体压强的学习,对气体压强的要求很低。从教材的要求可以看出,学生对气体压强的理解是非常有限的,而造成学生理解障碍的主要原因是初中物理中气体压强的学习深度不符合初中化学的要求。
(2)教师教学观念陈旧,教学方法单一。
教初三的化学老师经常认为气体压强的学生在高二已经学过物理了,没必要再讲了。在教学中,往往只要求学生记住实验现象和结论。另外,由于反复练习和背诵,虽然有些因果学生只是生吞枣,但也可以用来解决大部分问题,这让化学老师更加确定学生是清楚的。
掌握了气体压力的知识。根据访谈,有同学认为自己已经理解了测量氧气体积实验的原理,但是分析问题的方法是老师给出的既定结论,不能用气体压强的变化来解释实验现象。可见,不恰当的教学方法也造成了学生的学习困惑。当一个实验有了改进的实验仪器或实验手段,学生很难通过自己的独立思考得出正确的结论。
(3)学生将错误的或不合理的经验转移到新知识的学习中。
通过与学生的交流,发现学生存在一些误区:(1)认为气体受热时体积膨胀是由于气体分子体积变大。对它们内部构造的解释是,金属等固体物质的体积热胀冷缩,所以气体体积的膨胀就是气体分子的膨胀。⑵认为容器内气体减少导致气体质量下降。根据公式G=mg推导出压力下降,再根据公式P=F/S得出压力下降的结论。⑶认为容器体积不变,温度升高时压力会增大的原因是容器内气体受热分子之间的间隔一定增大,所以需要膨胀,而容器体积不变,所以压力会增大。
可见学生在学习中对气体压力的产生原因和影响因素有很大的误解。从学生分析,有几个原因:(1)高二物理知识学习不对。2、气体压力等于固体或液体压力。(3)、不了解气体分子的微观运动从而不了解气体压力产生的微观原理。
建构主义知识观认为,知识不能准确概括世界的规律,不能随便使用,需要根据具体情况进行再创造。学习者用自己的经验理解和构建新知识,包括从学校接受的科学教育和生活中的日常经验。如果知识本身不科学,那么构建的新知识就会出现错误。学生在讲解中犯的明显错误是简单地把宏观压力的知识转移到微观压力的知识上。
循序渐进,运用多种教学方法帮助学生突破困难
(1)以本学科教材为基础,寻求学科间的互助。
教师不能盲目依赖其他学科的教学,想当然地认为学生有必要的知识储备,这就给本学科的教学造成困难。初三化学教师在教学设计过程中,要帮助学生建立科学的粒子概念。他们既要注意课本的编排结构和新课程的教学目标,又不能把课本当成圣经。他们可以大胆地在课本之外寻找新的教学资源,灵活地、创造性地组织教学。大多数初中化学教师缺乏先天知识和后天压力教学经验,需要与物理教师多交流,了解学生的学习背景,加强对气体压力知识的深度和广度。学生在二年级的物理中已经学习了分子的特性,即分子之间有间隙,分子处于无休止的随机运动中等。在此基础上,组织有效的教学也不会太难。
教师首先需要帮助学生理解气体分子的微观运动与气体压强的关系:气体分子的运动规律是混沌的,向各个方向运动,在封闭的容器内到达任意位置,复习方法,气体分子的运动是气体压强的来源。气体压力的微观本质是大量气体分子与壁面频繁碰撞的统计结果,气体压力的大小是单位时间内作用在单位面积上的碰撞力的大小。因此,在相同条件下,气体的分子密度越大或分子热运动的平均平移动能越大,单位时间单位面积的力越大,压力越大,反之亦然。
只有学生对气体压力有了基本的认识,教师才能进一步分析影响气体压力的各种因素。考虑到大三化学主要涉及的是封闭空间内气体压强的变化,基本上涉及的都是低沸点接近理想气体的气体,如氢气、氧气、氮气等。,教师在备课时可以借鉴理想气体状态方程中各状态参数之间的函数关系。比如在测量空气中氧气含量的实验中,燃烧前后容器的体积和温度没有变化,但是气体分子数量减少,导致密度降低,所以容器内的压力降低。当止水夹打开时,水压被压入,水的体积充满了氧气的体积。如果红磷点燃后进入太慢,瓶内大量空气会因放热燃烧而膨胀逸出。当容器被塞住后,瓶内的气体已经大大减少,不仅是消耗的氧气,还有一些空气。所以当温度冷却到室温时,进入的水的体积远大于氧气的体积。如果在冷却到室温之前打开止水夹,则温度高于实验的初始温度。由于温度是分子热运动平均平移动能的标志,温度越高,气体分子热运动越剧烈,动能越大,所以容器内外的压力差越小,进入的水的体积也就越小。在此解释时,必须提醒学生注意控制变量。温度是一个重要的变量,反应前后的温度必须相同。在这个前提下,回来吧。至于装置气密性差,很多同学理解为装置漏气,瓶子里的空气漏出来,最后进入瓶子的水体积太大。其实在降温过程中,瓶内压力小于外界大气压,瓶外空气会慢慢渗透进来,弥补氧气减少造成的分子减少,使瓶内外压力趋于一致。最后,当止水夹打开时,可能没有水进入,即使有,进入瓶内的水也必须小于容器内空气体积的五分之一。
为了增强学生对气体压力的理解,教师还可以引入更多的例子,如检查装置的气密性,有时通过推拉注射器来检测。实际上,在推拉过程中,封闭系统的体积增大或减小,导致气体分子密度增大或减小,进而导致压力的变化。
(2)创设有效情境,运用可视化手段。
气体分子无法用肉眼观察到。为了帮助学生扫清障碍,真正理解气体分子运动与压强的关系,教师可以利用多媒体工具、FLASH等工具进行生动演示,或者结合实际情况采取其他有效的方法。在解释来水的体积等于还原气体的体积时,我们可以借用一个空水杯,倒入一定体积的水,必然会排出同样体积的气体,反之,排出的气体体积等于来水的体积。教师在介绍气体分子产生压力的原理时,可以用拳头模拟气体分子对黑板墙的冲击。气体密度可以用单次或双次冲击的频率来表示,温度变化引起的分子动能变化可以用冲击强度来表示。甚至可以设计生动的游戏,邀请学生模拟分子的运动和对容器壁的冲击,把学生带入气体压力的“情景”,开发他们的创造力,使他们的知识内化,更有效地学习。
为了有效实现教学目标,教师在微观粒子教学中需要更多的情境化处理,将抽象的气体压强概念转化为具体生动的微观粒子运动,充分调动学生的想象力来构建新的知识。在学习过程中,师生通过分析、归纳、演绎形成概念,使学生对气体压力的认识从感性走向理性,从形象走向抽象,从而形成正确的科学概念。