基于化学学科核心素养及微实验思想的教学设计

化学并非仅理论探索的自然学科，其中的实验教学更是如此。通过实验，学生可深入探究知识起源、发展及应用，但传统实验方法常大量使用试剂导致环境污染，且教学效果有限。因此，“微实验”应运而生，其融合课堂教学，使用少量试剂，依据教学需求组织操作，既能增强实验安全性，又能提升学生的动手能力，频繁实践更有助于培养学生的化学思维。作为中学化学教师，应深入研究并应用微实验于日常教学，在这里笔者以“碳的多样性”为例展开教学讨论。

一、教学内容

“碳的多样性”选自鲁科版高中化学必修一第三章第一节，该节内容不仅为物质的量及离子反应理论补充了丰富的感性认知材料，还为第三章学习元素及其化合物性质提供了清晰的思路。本节课将通过实验探究碳酸钠（Na2CO2）和碳酸氢钠（NaHCO2）的性质，促进学生对碳元素多样性的理解。

二、教学目标

1.通过趣味实验引发学生对Na2CO2和NaHCO2性质的质疑与思考;掌握Na2CO2和NaHCO2的基本性质，并能通过实验进行验证。

2.培养学生从实验事实中获取有效信息的能力，并鼓励其进行合理质疑;引导学生通过对比学习的方法，深入理解Na2CO2和NaHCO2的性质差异。

3.通过定量思考和迁移应用，加强学生对化学性质与实际问题联系的认识，激发学生对化学学习的兴趣和好奇心，培养学生的科学探究精神。

三、教学方法

1.微实验教学。通过设计趣味实验，引发学生的好奇心和探究欲望，进而展开对Na2CO2和NaHCO2性质的深入学习。

2.对比学习。通过对比Na2CO2和NaHCO2的性质差异，帮助学生形成清晰的知识体系，并培养其分析比较的能力。

3.定量思考与迁移应用。引导学生通过定量思考解决实际问题，加强性质认知，并培养其知识迁移和应用的能力。

四、教学过程

（一）创设情境，导入新课

【课前活动探究】师：为了深入了解碳足迹计算和环境影响，请同学们通过互联网搜索并使用碳足迹计算器来计算家庭每年在用电、车辆耗油、使用煤气或天然气等方面所排放的二氧化碳，并将你的调查结果整理成一份报告。调查报告可以包括以下内容：

1.简要介绍碳足迹计算器的作用和意义。

2.描述你使用的碳足迹计算器，并说明其计算方法和数据来源。

3.分别列出家庭用电、车辆耗油和使用煤气或天然气方面的二氧化碳排放量数据。

4.对比各项数据，分析家庭在不同方面的二氧化碳排放情况。

5.总结调查结果，讨论家庭的碳足迹对环境的影响，并提出可行性的改善方案。

（设计意图：通过这个活动，学生将了解碳足迹计算器的概念和应用方法，通过使用这个工具，同学们可以了解自己家庭在能源消耗方面产生的碳排放情况。参与了此次调研活动，学生会意识到日常生活中许多方面都与碳元素息息相关，初步认识到碳的多样性。此外，学生还能在活动中对碳排放量的计算和环境影响有更深入的了解，意识到自己在家庭能源消耗中扮演的角色，并思考如何减少碳排放;培养环境保护意识，积极参与环保行动，为减少碳排放作出贡献。）

（二）体验式学习，开展探究活动

师（提出问题）：同学们，你们知道自然界单质碳有哪些吗？借助PPT向学生呈现（见图1）。

【提出问题】师：同学们，你们知道为什么这些物质都是由碳元素组成，但在生活中的性质差异如此之大吗？

【组装模型】以小组的方式，学生进行金刚石、石墨等物质结构的组装。

【思考讨论】小组成员通过组装的方式，思考、讨论结构与性质之间的关系。

（设计意图：通过观察图片并进行模型组装，学生将直观地体验到碳单质的多样性，并深入了解金刚石和石墨性质不同的微观原因，这有助于丰富其对碳单质多样性的认知，并认识到在物质变化过程中元素种类并不改变，变化的只是元素的组成和物质的内部结构。）

【提出问题】师：碳酸钠与碳酸氢钠均为盐类，其水溶液的酸碱性是怎样的呢？

教师组织学生进行酸碱性实验测试。学生利用手持pH传感器，对碳酸钠与碳酸氢钠水溶液的酸碱性进行检测。

本环节引发学生的思考和讨论。

（设计意图：通过酸碱性测试的方式，让学生借助pH传感器，直观了解和感受碳酸钠与碳酸氢钠水溶液的碱性强弱关系，这为后续内容的学习奠定基础。）

（三）创设教学情境，引发学生思考

通过以生活中含碳物质为出发点的实验，给学生进行实验演示：

师：同学们，你们看，老师现在取两份等量的可乐，分别加入等量的苏打和小苏打，用无纺布遮蓋在可乐瓶口处，并将这两个瓶子倒立放置，你们观察到了什么现象。

生1：我发现这两个可乐瓶都有气泡产生，但是气泡产生的速率有所不同。

师：现在我用力摇晃瓶身，你们发现了什么？

生2：老师我注意到装有苏打的可乐瓶身瘪了，但是装有小苏打的瓶子未发生明显变化。

（设计意图：通过实验对比的方式激发学生的学习兴趣，观察实验现象，引发学生思考。在对比中，学生比较容易得出结论，即苏打（Na2CO3）和小苏打（NaHCO3）的性质有所不同，进一步深化对碳酸钠和碳酸氢钠的认识。）

（四）解释实验，解决疑问

【组织学生分组实验，观察实验现象】学生观察Na2CO3和NaHCO3的外观、溶解性以及与酚酞指示剂的反应等物理性质和化学性质。通过各种实验活动，学生可以发现Na2CO3和NaHCO3水溶液都呈碱性。结合已有的知识，Na2CO3与酸反应以及碳酸氢根离子与氢离子不能共存，并对其进行验证。我们将等量的盐酸倒入等量的Na2CO3和NaHCO3溶液中，观察到两者都产生了气泡，但NaHCO3的反应更加剧烈。

通过对这些实验现象的观察和实验验证，引发了学生对可乐实验现象的思考，并对这两个现象进行了解释：第一个现象是Na2CO3和NaHCO3与盐酸反应产生气泡，属于强酸制弱酸的反应。进一步查阅可乐的成分，发现可乐中含有磷酸，而磷酸的酸性强于碳酸，因此符合较强酸制较弱酸的规律。

第二个现象是在改进的实验中，通过装置进行观察和分析，我们使用带支试管，一个装有Na2CO3溶液，另一个装有NaHCO3溶液，并使用注射器注入盐酸溶液。我们观察到装有NaHCO3溶液的试管上方的气球鼓起，但装有Na2CO3溶液的试管上方的气球未鼓起;随后将剩余的盐酸溶液全部注入，使盐酸过量。我们观察到装有Na2CO3溶液的玻璃管上方的氣球鼓起。

这些实验现象很好地验证了HCO3-能够立即与H+结合生成CO2气体的原理，而CO32-与H+结合是逐步进行的。正是微观粒子与H+结合的方式不同，导致宏观上释放CO2的速率不同，从而解释了可乐实验现象的原因。此外，在可乐实验中观察到装有NaHCO3的瓶子变瘪，而装有Na2CO3的瓶子没有明显变化，我们也给出了合理的解释。我们认为CO2溶于水会生成碳酸，而多元弱酸的电离是分步进行的，碳酸的第一步电离能够产生H+和HCO3-。Na2CO3电离出的CO32-恰好会优先与H+结合生成HCO3-，因此在水溶液中Na2CO3会与CO2结合生成NaHCO3。

（五）知识迁移，提出猜想

通过对Na2CO3和NaHCO3的性质进行学习，我提出了新的问题：同学们，经过刚才的实验，现在我们假设在一定温度下，向饱和Na2CO3溶液中通入CO2，可以看到什么现象，为什么呢？如果现在老师手中有两瓶无色溶液，但是我们知道这两瓶溶液分别为Na2CO3溶液和盐酸溶液，在没有其他试剂的情况下，我们要如何最快地分辨出来呢？

教师提出问题后，给学生预留出充足的思考时间。

五、教学反思

随着新课程改革的推进，实验教学在化学教学中的地位日益凸显。微实验作为一种新兴的实验教学模式，以其少量试剂、高效操作、紧密结合教学实际的特点，逐渐受到化学教师的青睐。本文基于我所执教的“碳的多样性”一课，对微实验在教学中的应用进行反思和总结。

（一）微实验助力提升实验探究能力

在本节课中，我通过设计一系列微实验，如Na2CO3和NaHCO3的酸碱性测试、与酸的反应对比等，让学生在亲身参与中观察实验现象，提出问题，并进行分析解释。这种教学方式不仅提高了学生的实验技能，还培养了学生的观察力和科学探究精神。同时，微实验的小剂量操作也大大提高了实验的安全性，使学生能够在更加宽松的环境中进行探究学习。

（二）微实验促进知识深度理解与迁移

通过微实验的开展，学生对碳酸钠和碳酸氢钠的性质有了更加直观和深入的理解。在实验过程中，我引导学生从宏观现象出发，逐步深入微观层面的分析，如碳酸根离子和碳酸氢根离子与氢离子的反应差异等。这种从宏观到微观的探究过程，不仅帮助学生建立了更加完善的知识体系，还培养了他们的化学思维和问题解决能力。

（三）微实验增强环保意识与责任感

微实验由于使用试剂量小，产生的废弃物也相对较少，这在一定程度上减轻了环境的负担。在实验过程中，我注重引导学生关注实验操作的环保性，如合理处理实验废弃物等。通过这种方式，学生在学习化学知识的同时，也增强了环保意识和社会责任感。

（四）微实验的局限性与改进方向

尽管微实验在本节课中取得了显著的教学效果，但存在一些局限性。例如，由于试剂用量小，某些实验现象可能不够明显，这在一定程度上影响了学生的观察效果。此外，微实验对教师的实验操作技能要求较高，需要教师在课前进行充分的预实验和准备。针对这些局限性，我认为可以从以下两个方面进行改进：一是优化实验设计，选择更加适合微实验的教学内容;二是注重实验现象的放大和呈现，如利用多媒体技术进行实验现象的实时投影等，以更好地提升当前课题教学质量。

（作者单位：福建省厦门集美中学）

编辑：陈鲜艳

注：本文系福建省厦门市教育局直属中小学教师课题“提升实验探究能力的化学课堂教学模式研究”（课题编号：ZSX2023077）的阶段性成果。

作者简介：杜娟，女，汉族，湖北孝感人，硕士，一级教师，研究方向：中学化学教育教学。