“二氧化碳的實驗室制取和性質(zhì)”實驗活動設計

摘要：比較分析3個版本教科書中“二氧化碳的實驗室制取和性質(zhì)”實驗內(nèi)容特點，結(jié)合教學現(xiàn)狀，基于融合創(chuàng)新思想和教科書的差異分析，通過確立實驗主題、優(yōu)化實驗方案、開展研究性學習和創(chuàng)新實驗設計等活動，使實驗活動富有實效性、典型性、啟發(fā)性，讓實驗探究名副其實。

關鍵詞：基礎實驗；二氧化碳；融合創(chuàng)新；教科書

文章編號：1005–6629（2017）12–0029–04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

“二氧化碳的實驗室制取和性質(zhì)”是課程標準規(guī)定的8個基礎學生實驗之一[1]。3個版本教科書[2～4]分別在單元（章）后的[實驗活動]、[基礎實驗]和[到實驗室去]中安排該“基礎實驗”，旨在提高和鞏固學生動手能力和實驗技能，對實驗室制取二氧化碳有一個完整、系統(tǒng)的認識。由于課程標準對課程內(nèi)容的彈性處理，使得3個版本教科書在章節(jié)安排、實驗類型、探究性、編寫體例等方面都存在差異。為了確定該實驗教學的生長點，本文對3個版本教科書中該實驗的內(nèi)容設計進行比較分析，并基于融合創(chuàng)新的思路探討相應的教學組織方式。

1 融合創(chuàng)新，讓實驗探究名副其實

融合創(chuàng)新強調(diào)從整體出發(fā)，深入研究和分析創(chuàng)新系統(tǒng)各層次間的互動關系，創(chuàng)造性地融合各創(chuàng)新要素，使各創(chuàng)新要素互補、匹配，使創(chuàng)新系統(tǒng)的整體功能發(fā)生質(zhì)的飛躍[5]。該思想也適合于實驗教學中，對于本實驗活動的融合創(chuàng)新是指在學習、研究課程標準對該實驗具體要求的基礎上，針對3個版本教科書在實驗設計內(nèi)容、思路等方面的相同、相似、相近和互補進行整合和改造。融合創(chuàng)新的基本方式是對3個版本教科書實驗內(nèi)容、設計方法和理念的理解、選擇與開發(fā)利用。

2 3個版本教科書中“基礎實驗”內(nèi)容差異分析

為了避免與正文重復，人教版教科書將制取實驗安排在[實驗活動]中，對部分實驗進行了再設計，鼓勵學生進行其他性質(zhì)（如溶解性）實驗。[問題與交流]關注實驗中發(fā)現(xiàn)的問題及解決的方法：怎樣用實驗證明碳酸型飲料（如汽水）中含有二氧化碳？滬教版教科書將制法融合于性質(zhì)中，[活動與探究]提供兩套發(fā)生裝置制備氣體，未對裝置進行深入的探究；[基礎實驗]則按教科書[活動與探究]所述的實驗方法進行實驗，關注氣密性檢查和添加藥品的順序，探究內(nèi)容與正文相似。魯教版教科書正文沒有“探究”，將實驗室制備和性質(zhì)安排在[走進實驗室]中；[反思交流]關注反應物的選擇、氣體發(fā)生裝置、收集裝置、檢驗和驗滿的依據(jù)等，總結(jié)實驗室制取氣體的一般思路和方法。

可以看出，3個版本教科書“基礎實驗”主要圍繞培養(yǎng)學生的操作技能、驗證其化學性質(zhì)和觀察能力而設計，缺乏探究性，思維容量較小，易導致“照方抓藥”式的“驗證”，20分鐘即可完成，學生“玩”了，但效果并不理想。

3 基于教科書差異性分析的“二氧化碳的實驗室制取和性質(zhì)”實驗活動設計

創(chuàng)新實驗活動設計，需要教師有開闊的視野，能從課程的功能定位、學生的已有情況以及能力提升點等多方面、多角度地綜合考慮，能從大處、遠處著手，突破節(jié)與節(jié)、節(jié)與單元、單元與單元間的界限，設計的任務、問題、探究活動都應定位在培養(yǎng)學生實驗的思路方法、學科能力、學科核心素養(yǎng)的高水平層次上。為使得每個任務、問題都能落到實處，教師還應從小處著手，通過分解任務，設置問題鏈不斷追問，引導學生思考知識的關系，形成解決問題的能力。

筆者基于教科書差異性的分析，在學習與創(chuàng)新、繼承與發(fā)展的基礎上，通過創(chuàng)新實驗主題、優(yōu)化實驗方案、開展研究性學習、實驗創(chuàng)新等形式，充分挖掘?qū)嶒炈休d的教育功能和價值，設計出能提升研究性學習效果、符合綠色化學理念、著力提升學生核心素養(yǎng)的學生實驗活動新思路（圖1）。

3.1 創(chuàng)新實驗主題，讓實驗探究具有實效性

學生實驗活動，不能只強調(diào)操作，應注重問、思和法，探究主題的確立是學生實驗教學的核心，也是培養(yǎng)學生探究意識和提高探究能力的重要途徑[6]。為使實驗探究更具有實效性，本研究采用實驗資源重組、流程再造和形式創(chuàng)新等方式，以“自然界中二氧化碳循環(huán)”為突破口確定主題，圍繞主題聯(lián)系二氧化碳的化學性質(zhì)、綠色植物的光合作用、生物的呼吸作用、溶洞的形成等內(nèi)容，并具體形成系列實驗活動，幫助學生分析、理解自然界中的碳循環(huán)，掌握二氧化碳的性質(zhì)和相關實驗技能，從多角度提升學生的能力和化學學科素養(yǎng)。

3.2 設計實驗作業(yè)單，優(yōu)化實驗方案

實驗作業(yè)單分為課前、課中和課后三個環(huán)節(jié)（表1），學生提前完成環(huán)節(jié)一、二，經(jīng)審核合格后再實驗。環(huán)節(jié)一讓學生精心做好實驗準備，充分理解實驗原理、裝置和操作方法。環(huán)節(jié)二注重幫助學生認識實驗目的，如何提供和控制實驗條件，依據(jù)實驗現(xiàn)象作出合理的分析、推理。筆者復印另2個版本教科書的相關實驗內(nèi)容給學生，以幫助其設計研究性學習的思路和內(nèi)容。環(huán)節(jié)三以“小論文”形式落實最基本的知識體系，反思實驗過程中存在的問題，習得方法和思路。教師結(jié)合學生現(xiàn)場的各方面表現(xiàn)和作業(yè)單中的每項內(nèi)容完成情況給出評語并評定等級，評定結(jié)果納入中考實驗考查成績中。

通過氧氣的學習，學生有了一定實驗操作技能和實驗設計能力。因此，從實驗設計到儀器選擇適當?shù)胤攀纸o學生。鼓勵學生選擇給定的儀器，設計制取二氧化碳的裝置，也可以另選或自制儀器、代用品并展示；在學生設計多組裝置的基礎上，從不同角度對裝置進行評價，分析各自設計裝置的優(yōu)缺點；選擇一套最佳的裝置，為實驗室制取其他氣體做好思路和方法上的引導。

3.3 開展研究性學習，讓實驗探究具有典型性

筆者通過查閱資料、整合若干版本教科書的實驗設計思路、已有研究成果，多層次、多維度地對實驗對象的物質(zhì)體系、儀器裝置、實驗手段的改良和實驗步驟、操作技術的規(guī)范等方面開展研究性學習，旨在引發(fā)、促進、支持、指導學生的研究性學習活動，以拓展學生探究問題的廣度和深度，實現(xiàn)從注重培養(yǎng)學生的操作技能向提升學生的智力技能，從單線索的簡單教學向多線索和觀念建構(gòu)相融合的轉(zhuǎn)變。具體涉及二氧化碳的收集、二氧化碳滅火、二氧化碳與水的反應等實驗活動。endprint

人教版教科書在“對人體吸入的空氣和呼出的氣體的探究”中，用排水法收集呼出的氣體。滬教版教科書指出“二氧化碳能溶于水，一般不用排水集氣法收集”，對其收集方法留有余地。魯教版教科書強調(diào)“由于二氧化碳能溶于水且能與水反應，用向上排空氣法收集”。王欣磊等[7]利用傳感技術證明：通常情況下，二氧化碳氣體在水中的溶解速率很慢，遠遠小于二氧化碳的制取速率；二氧化碳濃度只要超過30%（體積分數(shù)），點燃的木條就會熄滅，用這樣的方法來判斷二氧化碳已收集滿是不妥的。日本教科書就采用兩種集氣法（圖2）。

為了比較、檢驗兩種集氣法的效果，將學生分成四組，1、2組用排溫水法，以降低二氧化碳在水中的溶解性，當然也可采用排稀酸法；3、4組用排空氣法，各收集5瓶氣體并計時。實驗發(fā)現(xiàn)：排溫水集氣法，不僅氣體損失很少，還能觀察到氣體的流速和集滿的時機，免去了不斷用燃著的木條驗滿的麻煩，不僅省時，還提高了純度，室內(nèi)的空氣也更好了。遺憾的是，由于教科書沒有正面認可用排水法收集，筆者還是強調(diào)考試時，得選用排空氣法！

二氧化碳滅火實驗，人教版教科書30多年來一直在正文中用圖3設計，[實驗活動]則用圖4的設計，筆者認為：該設計更簡潔，只是缺少了趣味性，但趣味性應該服從于科學性！滬教版教科書采用玻璃片阻隔傾倒氣體（圖5），魯教版教科書采用慢慢往塑料瓶中倒入二氧化碳氣體的方法（未提供裝置），科粵版教科書借助喇叭形紙筒傾倒氣體（圖6）[8]。

為比較實驗效果，安排1、2組分別采用滬教版和科粵版教科書的方案，3、4組用人教版教科書的方案進行實驗。發(fā)現(xiàn)3、4組的實驗，有的無法熄滅（蠟燭燃燒釋放的熱量燙手而放棄，有的學生手上的汗毛被燒掉，叫苦不迭）；有的一起熄滅；有的高的先熄滅，實驗的成功率很低，1、2組的實驗效果則有所提高。

二氧化碳與水的反應實驗，人教版教科書正文設計了向四只干燥的紫色石蕊紙花分別噴稀醋酸、噴水、直接放入二氧化碳中、噴水后放入二氧化碳中的對比實驗；[實驗活動]則設計了與滬教版教科書[基礎實驗]相同的方案：將二氧化碳氣體通入紫色石蕊試液的試管中，片刻后再加熱，觀察現(xiàn)象，以消除學生產(chǎn)生二氧化碳使紫色石蕊變紅的迷思概念。魯教版教科書則采用向裝有二氧化碳水溶液的塑料瓶中滴入1～2滴紫色石蕊試液，擰緊瓶蓋，振蕩。筆者認為：該設計易讓學生產(chǎn)生上述迷思概念。

實驗發(fā)現(xiàn)，若通入二氧化碳時間過長，則加熱的時間也應加長，有學生認為紫色石蕊試液出了問題。最后將導氣管伸入盛有澄清石灰水的試管中，待產(chǎn)生大量沉淀停止，再持續(xù)通入二氧化碳，分析原因，并結(jié)合資料，了解溶洞的形成。

3.4 實驗創(chuàng)新，使實驗探究更具啟發(fā)性

融合創(chuàng)新并非否定教科書的實驗設計，而是根據(jù)實驗現(xiàn)實對其進行批判地繼承和創(chuàng)新。實驗創(chuàng)新，要求教師能帶領、幫助、支持學生利用已有知識與經(jīng)驗，在觀察、實驗、調(diào)查的基礎上對觀察到的現(xiàn)象、事物及產(chǎn)生的原因做出分析、歸納、解釋、判斷，以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)和提出問題的能力。研究實驗創(chuàng)新，也可以提高教師對教學內(nèi)容的理解和教學理念、方法的提升。

通過一系列的實驗活動，學生認為所用二氧化碳的量多，一定程度上造成藥品浪費和環(huán)境污染，部分實驗成功率較低，這些體驗是“演示實驗”和“視頻實驗”所無法達成的！為了解決上述問題，筆者將二氧化碳的相關實驗加以組合，設計出集安全、簡便、現(xiàn)象明顯于一體，變“靜態(tài)”的蠟燭為“動態(tài)”，變“動態(tài)”的二氧化碳為“靜態(tài)”的創(chuàng)新實驗（圖7）。

實驗儀器及藥品：大燒杯、小型打孔器、廢棄燃燒匙的金屬柄、大號集氣瓶各1個，2支高低不同的蠟燭、澄清石灰水、濕潤和干燥的紫色石蕊試紙各1張、火柴、雙面膠。

組裝：加熱2支蠟燭的底端至熔化，固定在打孔器的兩邊，再分別將濕潤和干燥的紫色石蕊試紙分別貼于打孔器的底面，將廢棄燃燒匙的金屬柄穿過打孔器圓孔，用金屬柄提起整個裝置。

操作：（1）點燃2支蠟燭，將裝置伸入正放的大燒杯中，無明顯現(xiàn)象；（2）熄滅蠟燭，向大燒杯中加入幾滴澄清石灰水，均勻分布在燒杯底部，將事先收集好的一大瓶二氧化碳氣體倒入大燒杯中；（3）點燃2支蠟燭，將裝置伸入大燒杯中，觀察現(xiàn)象。該設計解決了以上實驗中的諸多難題，取得很好的實驗效果。

4 結(jié)語

教學即研究、即創(chuàng)造，教師應增強對實驗教學的認同、實施和創(chuàng)造。本設計基于融合創(chuàng)新思想，改變過于強調(diào)與氧氣的制取進行類比的教學模式，得益于“碳循環(huán)”這一生動活潑的學習情景，將二氧化碳的制取和性質(zhì)貫穿于問題情境中，驅(qū)動學生利用已有知識搜集證據(jù)、提出方案并實施實驗。通過對問題的梳理、研究性學習的實施和創(chuàng)新設計，使學生形成對二氧化碳從物理性質(zhì)到化學性質(zhì)的全面認識；從掌握制備、性質(zhì)實驗的基本操作到對實驗方法的理解，從具體物質(zhì)的學習到以元素為核心的物質(zhì)轉(zhuǎn)化觀的建立和發(fā)展，并應用元素觀、轉(zhuǎn)化觀看待自然界中的有關現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準[S].北京：北京師范大學出版社，2011：12.

[2]王晶，鄭長龍.全日制義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012：113～126.

[3]王祖浩，王磊.全日制義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：131～138.

[4]畢華林，盧巍.全日制義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].濟南：山東教育出版社，2013：39～46，57～58.

[5]章文光等.融合創(chuàng)新及其對中國創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的意義[J].管理世界，2016，（6）：1～9.

[6]胡巢生.基于觀念建構(gòu)的“學生實驗活動”新嘗試——以蠟燭為例探究“物質(zhì)燃燒的條件”教學實踐與反思[J].化學教與學，2017，（1）：19～21.

[7]王欣磊，沈甸.氣體壓強傳感技術在中學化學實驗教學中的應用[J].化學教學，2015，（9）：58～61.

[8]江琳才.全日制義務教育教科書·化學（九年級上冊）[M].廣州：科學出版社，廣東教育出版社，2013：136.endprint