“二氧化碳的实验室制取和性质”实验活动设计

摘要：比较分析3个版本教科书中“二氧化碳的实验室制取和性质”实验内容特点，结合教学现状，基于融合创新思想和教科书的差异分析，通过确立实验主题、优化实验方案、开展研究性学习和创新实验设计等活动，使实验活动富有实效性、典型性、启发性，让实验探究名副其实。

关键词：基础实验；二氧化碳；融合创新；教科书

文章编号：1005–6629（2017）12–0029–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

“二氧化碳的实验室制取和性质”是课程标准规定的8个基础学生实验之一[1]。3个版本教科书[2～4]分别在单元（章）后的[实验活动]、[基础实验]和[到实验室去]中安排该“基础实验”，旨在提高和巩固学生动手能力和实验技能，对实验室制取二氧化碳有一个完整、系统的认识。由于课程标准对课程内容的弹性处理，使得3个版本教科书在章节安排、实验类型、探究性、编写体例等方面都存在差异。为了确定该实验教学的生长点，本文对3个版本教科书中该实验的内容设计进行比较分析，并基于融合创新的思路探讨相应的教学组织方式。

1 融合创新，让实验探究名副其实

融合创新强调从整体出发，深入研究和分析创新系统各层次间的互动关系，创造性地融合各创新要素，使各创新要素互补、匹配，使创新系统的整体功能发生质的飞跃[5]。该思想也适合于实验教学中，对于本实验活动的融合创新是指在学习、研究课程标准对该实验具体要求的基础上，针对3个版本教科书在实验设计内容、思路等方面的相同、相似、相近和互补进行整合和改造。融合创新的基本方式是对3个版本教科书实验内容、设计方法和理念的理解、选择与开发利用。

2 3个版本教科书中“基础实验”内容差异分析

为了避免与正文重复，人教版教科书将制取实验安排在[实验活动]中，对部分实验进行了再设计，鼓励学生进行其他性質（如溶解性）实验。[问题与交流]关注实验中发现的问题及解决的方法：怎样用实验证明碳酸型饮料（如汽水）中含有二氧化碳？沪教版教科书将制法融合于性质中，[活动与探究]提供两套发生装置制备气体，未对装置进行深入的探究；[基础实验]则按教科书[活动与探究]所述的实验方法进行实验，关注气密性检查和添加药品的顺序，探究内容与正文相似。鲁教版教科书正文没有“探究”，将实验室制备和性质安排在[走进实验室]中；[反思交流]关注反应物的选择、气体发生装置、收集装置、检验和验满的依据等，总结实验室制取气体的一般思路和方法。

可以看出，3个版本教科书“基础实验”主要围绕培养学生的操作技能、验证其化学性质和观察能力而设计，缺乏探究性，思维容量较小，易导致“照方抓药”式的“验证”，20分钟即可完成，学生“玩”了，但效果并不理想。

3 基于教科书差异性分析的“二氧化碳的实验室制取和性质”实验活动设计

创新实验活动设计，需要教师有开阔的视野，能从课程的功能定位、学生的已有情况以及能力提升点等多方面、多角度地综合考虑，能从大处、远处着手，突破节与节、节与单元、单元与单元间的界限，设计的任务、问题、探究活动都应定位在培养学生实验的思路方法、学科能力、学科核心素养的高水平层次上。为使得每个任务、问题都能落到实处，教师还应从小处着手，通过分解任务，设置问题链不断追问，引导学生思考知识的关系，形成解决问题的能力。

笔者基于教科书差异性的分析，在学习与创新、继承与发展的基础上，通过创新实验主题、优化实验方案、开展研究性学习、实验创新等形式，充分挖掘实验所承载的教育功能和价值，设计出能提升研究性学习效果、符合绿色化学理念、着力提升学生核心素养的学生实验活动新思路（图1）。

3.1 创新实验主题，让实验探究具有实效性

学生实验活动，不能只强调操作，应注重问、思和法，探究主题的确立是学生实验教学的核心，也是培养学生探究意识和提高探究能力的重要途径[6]。为使实验探究更具有实效性，本研究采用实验资源重组、流程再造和形式创新等方式，以“自然界中二氧化碳循环”为突破口确定主题，围绕主题联系二氧化碳的化学性质、绿色植物的光合作用、生物的呼吸作用、溶洞的形成等内容，并具体形成系列实验活动，帮助学生分析、理解自然界中的碳循环，掌握二氧化碳的性质和相关实验技能，从多角度提升学生的能力和化学学科素养。

3.2 设计实验作业单，优化实验方案

实验作业单分为课前、课中和课后三个环节（表1），学生提前完成环节一、二，经审核合格后再实验。环节一让学生精心做好实验准备，充分理解实验原理、装置和操作方法。环节二注重帮助学生认识实验目的，如何提供和控制实验条件，依据实验现象作出合理的分析、推理。笔者复印另2个版本教科书的相关实验内容给学生，以帮助其设计研究性学习的思路和内容。环节三以“小论文”形式落实最基本的知识体系，反思实验过程中存在的问题，习得方法和思路。教师结合学生现场的各方面表现和作业单中的每项内容完成情况给出评语并评定等级，评定结果纳入中考实验考查成绩中。

通过氧气的学习，学生有了一定实验操作技能和实验设计能力。因此，从实验设计到仪器选择适当地放手给学生。鼓励学生选择给定的仪器，设计制取二氧化碳的装置，也可以另选或自制仪器、代用品并展示；在学生设计多组装置的基础上，从不同角度对装置进行评价，分析各自设计装置的优缺点；选择一套最佳的装置，为实验室制取其他气体做好思路和方法上的引导。

3.3 开展研究性学习，让实验探究具有典型性

笔者通过查阅资料、整合若干版本教科书的实验设计思路、已有研究成果，多层次、多维度地对实验对象的物质体系、仪器装置、实验手段的改良和实验步骤、操作技术的规范等方面开展研究性学习，旨在引发、促进、支持、指导学生的研究性学习活动，以拓展学生探究问题的广度和深度，实现从注重培养学生的操作技能向提升学生的智力技能，从单线索的简单教学向多线索和观念建构相融合的转变。具体涉及二氧化碳的收集、二氧化碳灭火、二氧化碳与水的反应等实验活动。endprint

人教版教科书在“对人体吸入的空气和呼出的气体的探究”中，用排水法收集呼出的气体。沪教版教科书指出“二氧化碳能溶于水，一般不用排水集气法收集”，对其收集方法留有余地。鲁教版教科书强调“由于二氧化碳能溶于水且能与水反应，用向上排空气法收集”。王欣磊等[7]利用传感技术证明：通常情况下，二氧化碳气体在水中的溶解速率很慢，远远小于二氧化碳的制取速率；二氧化碳浓度只要超过30%（体积分数），点燃的木条就会熄灭，用这样的方法来判断二氧化碳已收集满是不妥的。日本教科书就采用两种集气法（图2）。

为了比较、检验两种集气法的效果，将学生分成四组，1、2组用排温水法，以降低二氧化碳在水中的溶解性，当然也可采用排稀酸法；3、4组用排空气法，各收集5瓶气体并计时。实验发现：排温水集气法，不仅气体损失很少，还能观察到气体的流速和集满的时机，免去了不断用燃着的木条验满的麻烦，不仅省时，还提高了纯度，室内的空气也更好了。遗憾的是，由于教科书没有正面认可用排水法收集，笔者还是强调考试时，得选用排空气法！

二氧化碳灭火实验，人教版教科书30多年来一直在正文中用图3设计，[实验活动]则用图4的设计，笔者认为：该设计更简洁，只是缺少了趣味性，但趣味性应该服从于科学性！沪教版教科书采用玻璃片阻隔倾倒气体（图5），鲁教版教科书采用慢慢往塑料瓶中倒入二氧化碳气体的方法（未提供装置），科粤版教科书借助喇叭形纸筒倾倒气体（图6）[8]。

为比较实验效果，安排1、2组分别采用沪教版和科粤版教科书的方案，3、4组用人教版教科书的方案进行实验。发现3、4组的实验，有的无法熄灭（蜡烛燃烧释放的热量烫手而放弃，有的学生手上的汗毛被烧掉，叫苦不迭）；有的一起熄灭；有的高的先熄灭，实验的成功率很低，1、2组的实验效果则有所提高。

二氧化碳与水的反应实验，人教版教科书正文设计了向四只干燥的紫色石蕊纸花分别喷稀醋酸、喷水、直接放入二氧化碳中、喷水后放入二氧化碳中的对比实验；[实验活动]则设计了与沪教版教科书[基础实验]相同的方案：将二氧化碳气体通入紫色石蕊试液的试管中，片刻后再加热，观察现象，以消除学生产生二氧化碳使紫色石蕊变红的迷思概念。鲁教版教科书则采用向装有二氧化碳水溶液的塑料瓶中滴入1～2滴紫色石蕊试液，拧紧瓶盖，振荡。笔者认为：该设计易让学生产生上述迷思概念。

实验发现，若通入二氧化碳时间过长，则加热的时间也应加长，有学生认为紫色石蕊试液出了问题。最后将导气管伸入盛有澄清石灰水的试管中，待产生大量沉淀停止，再持续通入二氧化碳，分析原因，并结合资料，了解溶洞的形成。

3.4 实验创新，使实验探究更具启发性

融合创新并非否定教科书的实验设计，而是根据实验现实对其进行批判地继承和创新。实验创新，要求教师能带领、帮助、支持学生利用已有知识与经验，在观察、实验、调查的基础上对观察到的现象、事物及产生的原因做出分析、归纳、解释、判断，以培养学生发现和提出问题的能力。研究实验创新，也可以提高教师对教学内容的理解和教学理念、方法的提升。

通过一系列的实验活动，学生认为所用二氧化碳的量多，一定程度上造成药品浪费和环境污染，部分实验成功率较低，这些体验是“演示实验”和“视频实验”所无法达成的！为了解决上述问题，笔者将二氧化碳的相关实验加以组合，设计出集安全、简便、现象明显于一体，变“静态”的蜡烛为“动态”，变“动态”的二氧化碳为“静态”的创新实验（图7）。

实验仪器及药品：大烧杯、小型打孔器、废弃燃烧匙的金属柄、大号集气瓶各1个，2支高低不同的蜡烛、澄清石灰水、湿润和干燥的紫色石蕊试纸各1张、火柴、双面胶。

组装：加热2支蜡烛的底端至熔化，固定在打孔器的两边，再分别将湿润和干燥的紫色石蕊试纸分别贴于打孔器的底面，将废弃燃烧匙的金属柄穿过打孔器圆孔，用金属柄提起整个装置。

操作：（1）点燃2支蜡烛，将装置伸入正放的大烧杯中，无明显现象；（2）熄灭蜡烛，向大烧杯中加入几滴澄清石灰水，均匀分布在烧杯底部，将事先收集好的一大瓶二氧化碳气体倒入大烧杯中；（3）点燃2支蜡烛，将装置伸入大烧杯中，观察现象。该设计解决了以上实验中的诸多难题，取得很好的实验效果。

4 结语

教学即研究、即创造，教师应增强对实验教学的认同、实施和创造。本设计基于融合创新思想，改变过于强调与氧气的制取进行类比的教学模式，得益于“碳循环”这一生动活泼的学习情景，将二氧化碳的制取和性质贯穿于问题情境中，驱动学生利用已有知识搜集证据、提出方案并实施实验。通过对问题的梳理、研究性学习的实施和创新设计，使学生形成对二氧化碳从物理性质到化学性质的全面认识；从掌握制备、性质实验的基本操作到对实验方法的理解，从具体物质的学习到以元素为核心的物质转化观的建立和发展，并应用元素观、转化观看待自然界中的有关现象。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2011：12.

[2]王晶，郑长龙.全日制义务教育教科书·化学（九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012：113～126.

[3]王祖浩，王磊.全日制义务教育教科书·化学（九年级上册）[M].上海：上海教育出版社，2012：131～138.

[4]毕华林，卢巍.全日制义务教育教科书·化学（九年级上册）[M].济南：山东教育出版社，2013：39～46，57～58.

[5]章文光等.融合创新及其对中国创新驱动发展的意义[J].管理世界，2016，（6）：1～9.

[6]胡巢生.基于观念建构的“学生实验活动”新尝试——以蜡烛为例探究“物质燃烧的条件”教学實践与反思[J].化学教与学，2017，（1）：19～21.

[7]王欣磊，沈甸.气体压强传感技术在中学化学实验教学中的应用[J].化学教学，2015，（9）：58～61.

[8]江琳才.全日制义务教育教科书·化学（九年级上册）[M].广州：科学出版社，广东教育出版社，2013：136.endprint