范玉英

摘要： 探究二氧化碳的性質(zhì)是發(fā)展學(xué)生化學(xué)觀念、科學(xué)思維與實(shí)踐能力的重要實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中巧妙運(yùn)用類比思維、推理思維、批判性思維、求異思維等思維方式，指導(dǎo)學(xué)生利用塑料瓶、粗銅絲等日常生活用品與常規(guī)儀器相結(jié)合，設(shè)計(jì)5組新實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)二氧化碳的性質(zhì)逐一探究。改進(jìn)了教材實(shí)驗(yàn)不足，具有操作簡(jiǎn)單、觀賞性強(qiáng)、環(huán)保安全等優(yōu)點(diǎn)。新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置可用于演示實(shí)驗(yàn)，也可用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，能有效培育學(xué)生的操作技能、思維品質(zhì)、創(chuàng)新意識(shí)等綜合實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞： 二氧化碳的性質(zhì)； 探究實(shí)驗(yàn)； 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 1005-6629（2023）03-0080-05

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出：“在作業(yè)設(shè)計(jì)與實(shí)施中，增加動(dòng)手實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)探究等綜合實(shí)踐性作業(yè)”［1］。綜合實(shí)踐性作業(yè)指學(xué)生以小組為單位，以實(shí)踐活動(dòng)深化學(xué)科知識(shí)理解的一種作業(yè)［2］。該作業(yè)類型包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、社會(huì)調(diào)查、參觀訪問(wèn)等活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究是實(shí)踐性作業(yè)的重要方式。學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)過(guò)程中，從已有經(jīng)驗(yàn)、真實(shí)情境、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、查尋搜證等方面識(shí)別、轉(zhuǎn)換、形成證據(jù)，利用證據(jù)推理解釋，在假設(shè)與結(jié)論之間建立邏輯關(guān)系［3］，發(fā)展學(xué)生操作技能、思維品質(zhì)、學(xué)科思想和方法等關(guān)鍵能力。

二氧化碳的性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)是九年級(jí)化學(xué)教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)，也是新課標(biāo)要求學(xué)生必需掌握的一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)。二氧化碳的性質(zhì)在教材上、下冊(cè)皆有所涉及，但不成體系，學(xué)生難以獲得結(jié)構(gòu)化知識(shí)。通過(guò)多次調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分教師在“二氧化碳的性質(zhì)”教學(xué)中，只做演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、合作探究猶如“水中望月”，一些農(nóng)村中學(xué)和薄弱學(xué)校存在做“假實(shí)驗(yàn)”現(xiàn)象，直接以視頻代替實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生綜合實(shí)踐能力堪憂。據(jù)此，教學(xué)中如何設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)，既使上、下冊(cè)內(nèi)容有機(jī)銜接，又能激發(fā)學(xué)生興趣、發(fā)展學(xué)生思維和實(shí)踐能力，使化學(xué)核心素養(yǎng)真正“落地”，成為教師重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

查閱文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，不少研究者對(duì)二氧化碳的性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)實(shí)施了改進(jìn)，而關(guān)于二氧化碳性質(zhì)探究的實(shí)踐性活動(dòng)的文章卻鳳毛麟角。筆者作為課題組主持人，積極引導(dǎo)興趣小組學(xué)生對(duì)二氧化碳的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)再改進(jìn)、再創(chuàng)新，嘗試設(shè)計(jì)了“封閉式”“同屏式”“對(duì)照式”“趣味式”“進(jìn)階式”新裝置，并開展實(shí)踐活動(dòng)，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的育人功能。

1? “封閉式”實(shí)驗(yàn)裝置

滬教版教材（第44頁(yè)）在“活動(dòng)與探究”欄目設(shè)計(jì)如圖1實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象直觀、明顯，能有效落實(shí)“二氧化碳密度比空氣大；二氧化碳不能燃燒，也不支持一般可燃物

燃燒”的教學(xué)目標(biāo)。但該實(shí)驗(yàn)需綜合考慮燒杯大小、二氧化碳量的多少、怎樣傾倒等，操作難度較大，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的教師有時(shí)也難以成功。該裝置不利于學(xué)生開展探究活動(dòng)。

認(rèn)真研究圖1裝置，發(fā)現(xiàn)教材實(shí)驗(yàn)是開放式的，類似于倒水，二氧化碳能從一個(gè)容器倒入另一容器。如果將裝置由“開放式”設(shè)計(jì)成“封閉式”，運(yùn)用類比思維，二氧化碳能從一個(gè)容器進(jìn)入另一容器嗎？經(jīng)教師的啟發(fā)，小組學(xué)生各顯神通，設(shè)計(jì)出圖2新裝置，經(jīng)實(shí)踐，取得“異曲同工”之妙。興趣小組學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，學(xué)會(huì)學(xué)以致用，發(fā)展了“化學(xué)觀念”“科學(xué)思維”的化學(xué)核心素養(yǎng)。

1.1? 基于圖2（1）的實(shí)驗(yàn)操作

如圖2（1）所示，取2個(gè)200mL、口寬約3.5cm、高12cm的無(wú)色透明塑料瓶（用A、 B表示），洗凈、晾干。在2個(gè)橡膠塞上分別打兩孔，使其與玻璃管（兩支1.0cm×20cm）相匹配，一支玻璃管在A中微露出橡膠塞，在B中伸入至接近瓶底，另一支玻璃管的組裝則恰好相反。用A收集滿二氧化碳?xì)怏w，塞緊橡膠塞，A倒置在B（空氣）上方，靜置約4min。打開B橡膠塞，蓋上玻璃片，再打開A橡膠塞（瓶口向上），蓋上玻璃片。將燃著的木條分別伸入A、 B瓶中，A中木條正常燃燒，B中木條熄滅。裝置優(yōu)點(diǎn)：趣味性強(qiáng)、現(xiàn)象明顯、廢物利用、可循環(huán)使用。

1.2? 基于圖2（2）的實(shí)驗(yàn)操作

如圖2（2）所示，取2個(gè)200mL、口寬約3.5cm、高12cm的無(wú)色透明塑料瓶（用甲、乙表示），洗凈、晾干。用甲收集滿二氧化碳，蓋上玻璃片，倒置在乙（空氣）上，抽走玻璃片，1.5min后，將燃著的木條伸入乙中，木條熄滅。裝置優(yōu)點(diǎn)：廢物利用、操作簡(jiǎn)便、實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、現(xiàn)象明顯、學(xué)生參與度高。

2? “同屏式”實(shí)驗(yàn)裝置

滬教版設(shè)計(jì)的二氧化碳與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)（P42）如圖3所示，人教版（第118頁(yè)）如圖4所示。實(shí)際教學(xué)中兩種教材實(shí)驗(yàn)皆有不足之處：滬教版沒有分別設(shè)計(jì)水、二氧化碳能否使紫色石蕊變色的實(shí)驗(yàn)；人教版實(shí)驗(yàn)集趣味性、知識(shí)性于一體，但該實(shí)驗(yàn)涉及的器材多，學(xué)生看得眼花繚亂，不知所以然，給學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知造成一定障礙。

在實(shí)踐活動(dòng)中，教師引導(dǎo)興趣小組學(xué)生思考：怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)同屏展示的對(duì)比實(shí)驗(yàn)？在“一目了然”的現(xiàn)象中促進(jìn)對(duì)知識(shí)的本原性認(rèn)識(shí)，且能補(bǔ)充教材的缺憾。興趣小組學(xué)生聯(lián)想到塑料瓶，瓶?jī)?nèi)盛滿二氧化碳，再設(shè)計(jì)一個(gè)放紫色濾紙的支架，分別不滴水、滴酸、滴水，方案水到渠成。經(jīng)自主思考、生生探討、師生交流，學(xué)生設(shè)計(jì)了圖5新裝置并實(shí)踐，取得“出其不意”的效果。

2.1? 實(shí)驗(yàn)用品

無(wú)色透明塑料瓶（400mL，口寬約3.5cm，高約20cm）、橡膠塞、濾紙、水、粗銅絲、火柴、紫色石蕊試液、酒精燈、小鐵錘、尖嘴鉗、吹風(fēng)機(jī)、細(xì)線、稀硫酸

2.2? 實(shí)驗(yàn)操作

（1） 取一400mL、口寬約3.5cm、高約20cm的無(wú)色透明塑料瓶，洗凈、晾干。取粗銅絲，在銅絲等間距（4cm）處，用尖嘴鉗夾緊銅絲自繞三個(gè)麻花狀（用1、 2、 3表示），用小鐵錘敲成水平、扁平狀（長(zhǎng)×寬：1.6cm×0.8cm）支架，在橡膠塞上打一細(xì)孔，使其與粗銅絲相匹配，將銅絲插入橡膠塞（如圖5所示），在第1、 2、 3處分別放一片與支架大小接近的濾紙（用紫色石蕊試液浸泡并烘干），用細(xì)線系緊。在第2處濾紙上滴加1滴稀硫酸（不具有揮發(fā)性），濾紙由紫變紅；在第3處滴水，濾紙不變色。

（2） 收集一瓶二氧化碳，將銅絲伸入瓶中，塞緊橡膠塞，仔細(xì)觀察：第3處濾紙逐漸變紅，而第1處仍不變色。再用酒精燈加熱銅絲（導(dǎo)熱性好），第3處由紅色變?yōu)樽仙?/p>

2.3? 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

（1） 操作簡(jiǎn)單，大部分器材是常見生活用品，易得，既節(jié)約資源，又提升實(shí)驗(yàn)的實(shí)效性。通過(guò)對(duì)生活用品合理利用，設(shè)計(jì)新裝置，既豐富作業(yè)類型，又培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、動(dòng)手操作和合作探究能力。

（2） 只需一瓶二氧化碳?xì)怏w，藥品消耗少，現(xiàn)象明顯，符合綠色化學(xué)理念。

（3） 實(shí)現(xiàn)同屏展示。通過(guò)對(duì)比，學(xué)生易得出二氧化碳與水反應(yīng)生成了酸，由元素守恒推知為碳酸，碳酸不穩(wěn)定，受熱易分解。學(xué)生在實(shí)踐活動(dòng)中基于實(shí)驗(yàn)的直觀視覺感知，促進(jìn)對(duì)知識(shí)的深層理解，引領(lǐng)他們走向深度學(xué)習(xí)［4］。

3? “對(duì)照式”實(shí)驗(yàn)裝置

二氧化碳能使澄清石灰水變渾濁?？諝?、人呼出的氣體中含有二氧化碳，它們能使澄清石灰水變渾濁嗎？問(wèn)題一出，興趣小組學(xué)生想用實(shí)驗(yàn)探究的積極性高漲。有學(xué)生聯(lián)想到過(guò)氧化氫溶液制氧氣，當(dāng)其他條件相同時(shí)，過(guò)氧化氫溶液濃度越大，反應(yīng)速率越快。不同濃度的二氧化碳通入澄清石灰水，是否出現(xiàn)不同現(xiàn)象呢？興趣小組學(xué)生很快從空氣、人體呼出的氣體、純凈二氧化碳三個(gè)方向?qū)ふ医鉀Q方案，設(shè)計(jì)了圖6對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)探究活動(dòng)，學(xué)生學(xué)會(huì)從控制變量角度探究物質(zhì)的濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，發(fā)展了學(xué)生利用控制變量思想解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)方法，為今后遇到類似問(wèn)題提供可借鑒思路。裝置優(yōu)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)論更有說(shuō)服力；通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的觀察、邏輯推理能力；不會(huì)因通入氣體過(guò)快，石灰水濺出試管外。

4? “趣味式”實(shí)驗(yàn)裝置

在學(xué)習(xí)“燃燒的條件”時(shí)，滬教版教材（第93頁(yè)）描述物質(zhì)燃燒一般需要同時(shí)滿足三個(gè)條件：物質(zhì)具有可燃性；可燃物與氧氣接觸；可燃物達(dá)到燃燒所需的最低溫度。由生活經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生容易產(chǎn)生可燃物燃燒必須有氧氣參加的思維定勢(shì)。興趣小組學(xué)生按教師提供的圖7裝置探究鎂能否在二氧化碳中燃燒，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，鎂在二氧化碳中會(huì)劇烈燃燒，發(fā)出白光、放熱、冒白煙，瓶壁有一層白色物質(zhì)和稀疏黑色物質(zhì)。興趣小組學(xué)生醍醐灌頂：燃燒不一定有氧氣參加，活潑金屬（如鉀、鈉、鎂）著火，不能用二氧化碳滅火。實(shí)驗(yàn)后，有學(xué)生提出疑問(wèn)：燃燒放出大量的熱，集氣瓶會(huì)不會(huì)破裂，能設(shè)計(jì)更安全的裝置嗎？小組學(xué)生想到用塑料瓶代替集氣瓶。經(jīng)自主思考，生生、師生互動(dòng)，興趣小組設(shè)計(jì)了圖8新裝置并進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)。

4.1? 實(shí)驗(yàn)操作

取潔凈的無(wú)色透明塑料瓶，在離瓶口約1/2處用剪刀剪平，瓶口塞上帶導(dǎo)管的橡膠塞，倒置在鐵架臺(tái)的鐵圈上，向塑料瓶中加適量水（防止灼熱生成物燙壞塑料瓶），持續(xù)通入二氧化碳。取5cm打磨好的鎂條（不能太長(zhǎng)，否則燃燒放出大量的熱會(huì)燙壞塑料瓶），點(diǎn)燃，緩慢伸入塑料瓶中，現(xiàn)象十分明顯，頗為壯觀。

4.2? 實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)

現(xiàn)象直觀、實(shí)驗(yàn)安全，趣味性強(qiáng)。

通過(guò)親身實(shí)踐、具身體驗(yàn)，學(xué)生對(duì)“燃燒”條件有更全面、更深刻的認(rèn)識(shí)，發(fā)展了他們的批判性思維。依圖7實(shí)驗(yàn)完后，興趣小組學(xué)生不滿足于現(xiàn)成的裝置，而是敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新，在教學(xué)目標(biāo)不變的前提下，設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到最優(yōu)的實(shí)踐效果。

5? “進(jìn)階式”實(shí)驗(yàn)裝置

二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)，是氫氧化鈉化學(xué)性質(zhì)的核心知識(shí)點(diǎn)之一。滬教版和人教版教材皆未設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果平平，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)，意義重大。興趣小組學(xué)生自告奮勇，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，教師擇優(yōu)展示，見圖9。

學(xué)生分析裝置，氫氧化鈉溶液注入錐形瓶中，二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)，錐形瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小，燒杯內(nèi)的水由導(dǎo)管被吸入錐形瓶?jī)?nèi)；另一裝置中，長(zhǎng)導(dǎo)管下端有氣泡冒出。教師點(diǎn)評(píng)：裝置看似很完美，但“美中不足”，按圖9裝置實(shí)驗(yàn)，一定能說(shuō)明二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)嗎？有無(wú)干擾因素？受此點(diǎn)撥，興趣小組學(xué)生領(lǐng)會(huì)到需設(shè)計(jì)一個(gè)排除二氧化碳能溶于水且能與水反應(yīng)的干擾實(shí)驗(yàn)。在教師的提示下，學(xué)生設(shè)計(jì)了圖10（進(jìn)階Ⅰ）新裝置，經(jīng)實(shí)踐，取得顯著的效果。

5.1? 實(shí)驗(yàn)操作（進(jìn)階Ⅰ）

如圖10所示，取兩個(gè)200mL潔凈、無(wú)色透明軟塑料瓶，收集滿二氧化碳，向兩瓶中分別倒入適量等體積的水、氫氧化鈉溶液，扭緊瓶蓋，振蕩，觀察現(xiàn)象。盛水的塑料瓶變癟，盛氫氧化鈉溶液的塑料瓶嚴(yán)重變形。

興趣小組通過(guò)設(shè)計(jì)不同裝置，并逐步完善，學(xué)生體驗(yàn)到化學(xué)的神奇，發(fā)展了他們的“證據(jù)推理”和“科學(xué)精神”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。有位好奇心強(qiáng)的學(xué)生提出疑問(wèn)：生成物什么顏色？能設(shè)計(jì)呈現(xiàn)生成物的實(shí)驗(yàn)嗎？新疑問(wèn)將學(xué)生的思維推向新高度，點(diǎn)燃他們想再設(shè)計(jì)“求異求新”實(shí)驗(yàn)的熱情，試圖揭開反應(yīng)的“廬山真面目”。通過(guò)查閱資料、查尋氫氧化鈉信息的“蛛絲馬跡”，謎團(tuán)最終得以解開。

查閱資料：20℃時(shí)，氫氧化鈉在乙醇中的溶解度為17.3g，而碳酸鈉在乙醇中幾乎不溶解［5］。興趣小組學(xué)生在交流討論后，思維的碰撞產(chǎn)生“靈感”，設(shè)計(jì)了圖11（進(jìn)階Ⅱ）新裝置并實(shí)踐，成功的喜悅令他們“心潮澎湃”。

5.2? 實(shí)驗(yàn)操作（進(jìn)階Ⅱ）

如圖11所示，取一200mL無(wú)色透明質(zhì)地較軟的塑料瓶，裝上匹配的帶導(dǎo)管的橡膠塞，檢查氣密性；向青霉素瓶中倒入5mL飽和氫氧化鈉的乙醇溶液；收集一瓶二氧化碳，塞緊橡膠塞，導(dǎo)管另一端伸入溶液中，用手輕輕捏塑料瓶，導(dǎo)管口有氣泡冒出，青霉素瓶中有白色固體析出。裝置優(yōu)點(diǎn)：消耗藥品少、操作簡(jiǎn)便、實(shí)現(xiàn)手控二氧化碳的排出，現(xiàn)象明顯、直觀，符合綠色化學(xué)理念，發(fā)展了學(xué)生的求異思維。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，使復(fù)雜的、抽象的、隱性的知識(shí)顯性化、可視化，便于學(xué)生思考，有利于突破學(xué)生學(xué)習(xí)的困難點(diǎn)和障礙點(diǎn)［6］。

6? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，不僅能提升學(xué)生的學(xué)科方法和化學(xué)思維水平，也能學(xué)會(huì)與同伴交流、尊重他人的意見和想法，體驗(yàn)化學(xué)的奇妙、嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)，從而提高學(xué)科素養(yǎng)。

在化學(xué)教學(xué)中，教師可圍繞核心知識(shí)，精選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)教材中一些抽象的、理論性強(qiáng)的重要知識(shí)點(diǎn)，應(yīng)予以重視，并嘗試創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，為學(xué)生搭建一個(gè)實(shí)踐活動(dòng)的平臺(tái)，讓學(xué)生在“做中學(xué)”“學(xué)中創(chuàng)”，實(shí)現(xiàn)從探究到實(shí)踐的轉(zhuǎn)變。一些農(nóng)村中學(xué)或薄弱學(xué)校由于受專用實(shí)驗(yàn)室、儀器藥品配備不足等因素影響，學(xué)生開展實(shí)踐活動(dòng)難度較大，教師可引導(dǎo)學(xué)生從日常生活用品中尋求替代品，設(shè)計(jì)有探究意義的實(shí)踐活動(dòng)，確保教材8個(gè)基本實(shí)驗(yàn)開齊、開足、開好，讓學(xué)生主動(dòng)參與知識(shí)形成的全過(guò)程，完成思維過(guò)程的自我建構(gòu)與矯正，促進(jìn)對(duì)知識(shí)深刻、系統(tǒng)的理解，真正體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的育人功能。

總之，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新無(wú)止境。將教材中的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)形式或內(nèi)容［7］，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的情感、思維、知識(shí)掌握、實(shí)踐能力等方面的育人功能，使學(xué)生的綜合實(shí)踐能力得到有序發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國(guó)教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學(xué)出版社，2022： 4， 46.

［2］吳大挺. 初中化學(xué)合作實(shí)踐性作業(yè)的設(shè)計(jì)與實(shí)施［J］. 上海課程教學(xué)研究， 2021， （1）： 38～43.

［3］翁慶雙， 曾海輝， 賈夢(mèng)如. 基于“多重論證”的科學(xué)實(shí)踐課堂［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022， （7）： 32～35.

［4］劉慶華， 何彩霞， 王嫵艷. 基于化學(xué)學(xué)科理解的教學(xué)實(shí)踐［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022， （9）： 40～45.

［5］劉光啟， 馬連湘， 劉杰. 化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)·無(wú)機(jī)卷［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2002： 298～379.

［6］余麗榮， 何彩霞. 發(fā)展學(xué)生思維的課堂教學(xué)實(shí)踐及反思［J］. 化學(xué)教與學(xué)， 2013， （6）： 28～31.

［7］周廣， 李德前. “探究微粒的運(yùn)動(dòng)”進(jìn)階式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022， （4）： 71～74.