模型建构视角下的化学实验教学设计

詹发云 江丽芸

摘    要：实验教学应创设真实性情景，在类比概括中逐步明晰实验的原理、装置选择和操作流程。坚持实证取向，在实验探究和探讨交流中逐步建构思维模型。

关键词：思维模型;二氧化碳;实验室制备

一、教材分析

对于学生来说，支持有意义学习有效的策略之一是对所学的知识进行模型建构。二氧化碳是继氧气之后学习的又一种重要气体，氧气的制备是学习二氧化碳的基础，二氧化碳制备是氧气学习的延伸。在教材中“二氧化碳的实验室制法”是直接给出了二氧化碳实验室制备的原理、装置图和检验方法，学生的学习更需要从药品与产物性质的角度来理解反应原理、设计实验装置、完成实际操作。本节课的教学内容是通过信息分析获得二氧化碳的反应原理，通过类比分析正确选择制取装置，通过概括归纳构建物质制备（特别是气体）的思维模型。

二、教学思想

本节课以学生的认知结构为基础，基于真实情境，着重学习过程的反思和评价;基于证据推理，理解和深化物质制备的思维范式，建构气体制备的一般模型;基于建模思想，聚焦化学实验教学主题，更好地进行深度学习。

三、教学目标

（1）通过探究活动了解实验室制取二氧化碳的反应原理和制取装置，实现由简单模仿到灵活选择的认识飞跃。

（2）通过运用设计装置、动手实验等方法，激发参与问题探究的积极性，坚持实证取向，在探究交流中培养实验综合能力。

（3）通过建立药品与产物性质、反应原理的关系，从化学实验教学的角度构建气体制备的模型。

四、教学流程

（一）自制汽水

利用便携式气泡水机（见图1）自制柠檬苏打汽水。将装有食品级液态二氧化碳的高压气瓶（见图2）插入盖中，顺时针旋转瓶盖，液态的二氧化碳被迅速释放到柠檬水中（事先水中放入柠檬和白糖），制得柠檬苏打汽水供学生现场品尝。

图1   便携式气泡水机

图2   二氧化碳气体高压小气瓶

生活中的食品級二氧化碳大部分来自酿酒厂的副产品，主要用于生产碳酸饮料。工业所需的二氧化碳主要是石灰石煅烧的副产品，一般用于油田开采等方面。那么，实验室需要的二氧化碳，又如何来制取呢？同时需要考虑哪些方面的问题？

【设计意图】创设真实性情景，体验学习价值。以自制碳酸饮料激发学生的学习兴趣、学习热情，从身边的化学出发，联想到工业生产，再聚焦到实验室的科学探究，了解获得二氧化碳的重要性，从而将知识学习与真实生活联系起来。

（二）原理探析

1.药品选择

（1）根据已学知识，有哪些方法可以得到二氧化碳？

学生回想，木炭燃烧、石蜡燃烧、NH4HCO3受热分解、Cu2（OH）2CO3（铜绿）受热分解、Cu2（OH）2CO3（铜绿）与稀盐酸反应、碳酸分解等。

（2）为何木炭、石蜡燃烧或碳酸氢铵分解都会产生二氧化碳？这些物质有什么共同的特点？

学生分析：因为这些物质都含有碳元素，只有含碳的物质才有可能制取二氧化碳。

（3）这些方法适合在实验室制取二氧化碳吗？为什么？

学生讨论，木炭燃烧、NH4HCO3受热分解收集到的气体不纯净，不利于收集;石蜡燃烧反应比较慢;Cu2（OH）2CO3（铜绿）受热分解有水生成，难以除去，可能价格也不便宜等。

（4）介绍三组都能产生二氧化碳的反应。取三支相同大小的试管，前两支分别放入1mol·L-1稀盐酸2mL，第三支放入0.5mol·L-1稀硫酸2mL。取相同质量的碳酸钠粉末、石灰石颗粒两份分别放入气球中，分别套进试管口（见图3）。在实验时同时开始三组反应，注意观察和对比三组反应中气泡产生的快慢（见表1）。

试管1                      试管2                     试管3

稀盐酸2mL（1mol·L-1）    稀盐酸2mL（1mol·L-1）    稀硫酸2mL（0.5mol·L-1）

碳酸钠粉末（1.5g）           块状石灰石（1.5g）             块状石灰石（1.5g）

图3   产生二氧化碳的三组实验

表1   产生二氧化碳的三组实验及现象

[试管编号 1 2 3 液体 稀盐酸2mL（1mol·L-1） 稀盐酸2mL（1mol·L-1） 稀硫酸2mL（0.5mol·L-1） 固体 碳酸钠粉末（1.5g） 块状石灰石（1.5g） 块状石灰石（1.5g） 实验

现象 气泡产生极快，气球迅速变大，甚至冲出试管 气泡的产生均匀连续，气球慢慢变大 产生几个小气泡后停止，气球无明显变化 ]

从实验现象可以看出，碳酸钠粉末与稀盐酸反应过于激烈，块状石灰石与稀硫酸反应太慢且一会儿近乎停止，块状石灰石和稀盐酸反应速率适中，气泡连续且平稳。

课堂展示利用二氧化碳浓度传感器测定三个反应装置中二氧化碳浓度的变化视频图像（见图4）。图5数字化曲线中①是碳酸钠粉末与稀盐酸反应，②是块状碳酸钙与稀盐酸反应，③是块状碳酸钙与稀硫酸反应。

图4   三组反应的数字化实验装置

图5   三组反应的数字化曲线图

从图5的数字化曲线来看，学生更加直观地发现碳酸钠粉末与稀盐酸反应曲线开始后立即快速上升至平行，说明开始反应快速但反应也很快结束;块状石灰石和稀盐酸反应曲线平缓上升，说明反应速率适中;块状石灰石与稀硫酸反应曲线是一条很低的平行线，说明反应产生的气泡量极少且速率也很慢。

2.条件需求

结合以上反应现象和资料信息（见表2），可以推测碱式碳酸铜粉末与盐酸反应很快，且粉末价格也较高，所以综合得出实验室制取二氧化碳的反应原理：石灰石（或大理石）和稀盐酸，即碳酸钙+盐酸 → 氯化钙+水+二氧化碳（CaCO3+HCl → CaCl2+H2O+CO2）。小组讨论，实验室制取气体需要具备的条件：不产生杂质气体、药品易得、操作简单、反应条件不复杂等。教师加以总结归纳：反应速率适中，反应条件可控，气体易于收集，药品廉价易得等。

表2   三种药品的价格和主要来源

[药品 价格 来源 碳酸钠（分析纯）500g 18元 氨碱法、联碱法、天然碱法 块状石灰石500g 7元 自然形成的物品、建筑工地 碱式碳酸铜粉末 500g 34元 铜盐与碳酸盐反应 ]

【设计意图】通过知识回顾的梳理、分组实验的探究以及数字化实验的探讨，结合文本资料，从观察（实验现象）视角、数据（数字化实验）视角、资料（来源和价格）视角，基于实证推理出适合制取二氧化碳的药品及反应原理，进一步扩展到一般气体制备对药品和原理的选择依据，形成气体制备的原理模型。

（三）装置选择

学生回忆实驗室制取氧气的实验装置，从图6给定的仪器中自由选择，组装一套实验室制取二氧化碳的装置，并试着画出装置图。

图6   可供选择的实验仪器

学生自画的部分装置图见图7，学生对课堂展示的自画装置图进行了精彩点评，部分见表3。

A            B             C               D             E         F

图7   学生手画装置图

表3   学生课堂上的相互精彩点评

[学生1 装置A可以制取二氧化碳，但不便于随时添加液体;装置C不可以制取二氧化碳，生成的气体会从长颈漏斗中跑掉 学生2 装置B可以制取二氧化碳，但是针筒中的稀盐酸可能较少，需要再次添加 学生3 装置F要用大试管，否则盐酸的用量不宜过多，制取的二氧化碳气体较少 学生4 D、E、F中收集二氧化碳的导管下端要伸到集气瓶底部 ]

最后师生总结，实验室制取气体选择发生装置需要考虑反应物的状态和反应发生的条件，收集装置需要考虑气体密度、溶解性、能否与水反应等。

【设计意图】从原理到装置，不是简单地给予，而是由学生通过已经学过的氧气的制取装置，结合自己的思考来自由选择、组合装置，这对学生的要求较高。小组互评调动大家的积极性，让学生在不断修正自己错误的过程中完善自己的“作品”，这是学生自我发展、自我学习的过程。从小组讨论到大组交流，发挥集体智慧，进一步完善装置，为实验操作做好基础铺垫作用，进一步建立从反应原理到装置设计的模型。

（四）流程操作

1.实验操作

学生通过对制取二氧化碳装置的认识，自由选择实验仪器，设计出富有个性的装置来制取一瓶二氧化碳气体，并进行验证和验满。为了使实验进行得规范有序，实验前明确实验的步骤：①按要求连接好仪器;②检查装置的气密性;③先加固体药品，后加液体药品;④收集并验满气体。

五组学生都选择了分液漏斗的装置，一组学生选择了长颈漏斗装置。实验过程中教师巡回指导，提醒注意实验的规范性和科学性，实验结束后对实验操作进行点评。实验过程中学生的问题很多，部分实验问题及解决方案见表4。

表4   学生实验中的问题及解决方案

[实验问题 可能原因 解决方案 1.旋开分液漏斗活塞后，液体还是下不来 分液漏斗上塞子未拔出，导致漏斗上部的气压小于大气压 拔出塞子即可 2.将导气管插入澄清的石灰水中，石灰水中无气泡，不变浑浊 未塞紧瓶口，装置可能漏气 进一步塞紧锥形瓶口的橡皮塞 ]