低碳视角下二氧化碳一体化实验创新设计 教学设计

低碳视角下CO2一体化实验创新设计阜阳师范大学第二附属中学李月娥指导老师：马金星王丽一、实验功能与价值：二氧化碳的制取与性质位于人教版初中化学第六单元课题二和课题三，《义务教育化学课程标准（2022版）》中对于本节课的具体要求为：初步学习二氧化碳的实验室制法，归纳实验室制取气体的一般思路与方法，通过实验探究认识二氧化碳的主要性质，认识物质的性质与用途的关系，以自然界中的氧循环和碳循环为例，认识物质在自然界中可以相互转化及其对维持人类生活和生态平衡的意义，要求为学生必做实验之一。二氧化碳是初中阶段最重要的三大气体之一，属于物质性质学习方法的再现和加强，上承氧气的制取与性质，下启氢气的相关学习，是物质性质学习的核心和纽带，在学生学习中起到链接地位。教材中通过氧气的实验室制备思路引导出二氧化碳的实验室制备方法，通过高低蜡烛，二氧化碳溶于水，石蕊纸花系列实验以及澄清石灰水等实验总结出二氧化碳的相关性质，它是教材首次利用大量实验来探究物质性质，灵活性强，可挖掘价值大。另外，还为培养学生的综合实验能力提供了重要的契机，开启了学生实验探究的大门。二、实验原理与拓展：二氧化碳制取与性质相关原理为：1.二氧化碳制备原理:CaC2.石蕊纸花变红原理：C3.石蕊纸花褪色原理：H4.澄清石灰水变浑浊原理：Ca(OH)5.洗气原理：NaH6.高低蜡烛熄灭原理：二氧化碳密度大于空气，不可燃，不助燃。在本单元实际教学过程中，教师经常通过课本实验来引导学生认识和理解二氧化碳的相关性质，虽然课本实验很好的体现了二氧化碳的相关性质，但是仍存在不足，具体如下：1.制备量大，存在浪费：由于高低蜡烛，二氧化碳溶于水，石蕊纸花变色实验均需提前制取二氧化碳，尤其是对于教学任务较多的老师，或者是连堂的老师压力很大，实验过程中不能重复使用，存在浪费情况，与现阶段提出的碳中和理念相矛盾。2.实验现象不稳定：由于二氧化碳需课前提前制取，可能影响实验现象，如高低蜡烛实验可能会出现蜡烛不熄灭、高的蜡烛先熄灭或者只熄灭一只的情况。3.除杂问题多以理论解释为主，很少涉及到通过实验除去杂质氯化氢。三、实验改进方案综述：教材中二氧化碳制取与性质实验方案简单、易操作，但气体制备量大，储存不便，实验过程中意外较多，因此有很多学者对这部分实验进行改进，多改进为一体化实验，本人及团队查阅大量文献资料发现对于二氧化碳制取及性质一体化实验改进主要有以下两种类型：1.方案一：微型实验：利用生活中的装置如饮料瓶，注射器等，将多个实验集于一体，可同时验证多种性质，节约药品，现象明显，操作便捷。2.方案二：常规实验组装：将性质检验装置进行有机结合，使多个实验连接于一体，实验成功率增大。以上一体化创新设计虽优点突出，但仍存在不足，具体如下：1.以上创新设计均为老师个人或团队行为，没有学生参与，体现不出以学生为主体、“做中学”“用中学”“创中学”的理念。2.整体过程均存在二氧化碳释放，不符合低碳理念。由于存在以上不足，所以我带领学生通过项目式学习，进行实验创新。因课上时间少，任务重，所以我将班级同学分为不同小组，以此利用课下时间对各项环节进行分类创新，创新形式可直接制作实验装置，也可绘图体现，部分成果如下：图3图1图3图1图图2教师最终通过对各项创新装置的整合与改进，得出一套集制备、性质检验与洗气与一体的创新实验设计。四、实验创新整个实验过程只有高低蜡烛实验部分有少量二氧化碳的释放，其余均在密闭环境下进行，二氧化碳虽不是有毒气体，但近些年温室效应的加剧，造成了一系列的环境问题，诸如海平面上升，两极冰川融化，病毒滋生等，因此我认为应在课堂教学中引导学生时刻关注低碳理念，认识、学习和理解碳中和、碳达峰相关概念，日常生活中支持我国实现碳中和的目标并进行具体操作。由于本实验为制取、性质与洗气于一体的综合性装置，课堂上既可以通过抽拉茶包控制反应随时开始和暂停，也可以根据实际课堂需求通过调整阀门来控制实验顺序，既能进行单个实验，又能整合多个实验，既适用于新授课，又适用于复习课，操作方便，现象明显，灵活性强，适合在一线教学中使用。本实验的设计是坚持创新导向，以学生的认识发展为本，挖掘学生潜力，搭建学生认识发展的平台，在部分学者及一线教师改进创新的基础之上，与学生一起对教材中的实验进行二次创新和改进，使课堂上演示二氧化碳的性质实验变得便捷，可操作性强，尤其遇到化学课连堂，学校因没有专职实验员的问题迎刃而解。图5图4图5图41.实验仪器：烧杯、玻璃导管、多功能阀门、医用输液瓶，多功能瓶，具支试管，收纳箱、饮料瓶、茶包，单孔和双孔橡胶塞、石蕊纸花、打火机、小木棒，滤纸2.实验试剂：石灰石、稀盐酸溶液、澄清石灰水、紫色石蕊溶液、蜡烛，干燥剂，氢氧化钠溶液，饱和碳酸氢钠溶液、水3.实验步骤：检查装置气密性。花心润湿的纸花放入多功能瓶中，医用输液瓶先排尽空气。（1）点燃高低蜡烛，打开1号阀门，抽拉茶包，使石灰石与稀盐酸充分接触，反应开始，观察到下层蜡烛先熄灭，上层蜡烛后熄灭之后迅速盖紧瓶盖，关闭1号阀门，打开2号阀门。（2）观察到挤憋的医用输液瓶内气体集满，关闭2号阀门，打开3号阀门。取下医用输液瓶，向其中倒入三分之一的水，拧紧瓶塞，充分震荡，观察现象。（3）取一只石蕊纸花，向其中喷洒醋酸，观察现象。（4）多功能瓶内纸花提前润湿，其中花心湿润，花瓣干燥，提醒学生仔细观察实验现象，与此同时，医用输液瓶内在收集二氧化碳。观察到纸花变色后打开4号阀门，关闭3号阀门。（5）取出纸花轻微晃动手臂，几秒钟后观察纸花现象，同时取出高低蜡烛，向其中倒入适量澄清石灰水，盖紧瓶盖，充分震荡，观察现象。（6）观察医用输液瓶是否集满，集满后，抽拉茶包使反应停止，关闭阀门。以上为新课实验步骤，若为复习课，则可通过增大稀盐酸浓度使实验过程中出现纸花变红不褪色，澄清石灰水变浑浊后很快澄清的现象，以此进行分析，得出二氧化碳中存在的杂质，所以需要洗气后进行实验。（7）打开4号阀门，抽拉茶包，使石灰石与稀盐酸充分接触，再打开通入石蕊纸花和具支试管的阀门，观察现象。实验结束，整理试验箱。4.实验现象及解释：（1）导管位于烧杯中上部，可以观察到明显的下层蜡烛先熄灭，上层蜡烛后熄灭的现象，说明二氧化碳密度大于空气，不可燃，不助燃。（2）医用输液袋轻微变瘪，说明二氧化碳能溶于水，但溶解性不强。（3）石蕊纸花变红，说明醋酸能使石蕊变红。（4）纸花用紫色石蕊溶液染色并晾干，润湿后无明显变化，通入二氧化碳后，纸花湿润的部分变红，干燥的部分不变色，说明二氧化碳溶于水生成一种酸，即为碳酸，碳酸使其变红，二氧化碳不能使石蕊变色。在此我将试纸简单折叠成小花的形态，通过花心湿润，花瓣干燥，在同一朵纸花上探究，对比更加明显，将课本上的前后对比改为横向对比，实验现象更加明显，与课本实验相比较更加节约，一半红，一半紫，在此基础上观察颜色变化，更能体现化学之美！（5）纸花由红变紫，说明碳酸不稳定，易分解，所以此纸花可以多次利用，体现了节约环保的理念。澄清石灰水变浑浊，说明二氧化碳与氢氧化钙发生反应，生成了碳酸钙白色沉淀。（6）所有实验结束后，医用输液瓶中有残留二氧化碳，可用于其他实验。（7）由于盐酸易挥发，并且浓度越大挥发性越强，所以二氧化碳中存在较多氯化氢，通过洗气装置，使氯化氢与碳酸氢钠反应达到除杂的目的。5.实验评价：本实验装置组装简便，将教材中单独的多个实验通过有机结合，达到一体化的目的，将仪器合理安装在盒子中，便于携带，极大的便利了教师的实验准备工作，利用生活中常见的物品如饮料瓶，医疗废弃物等进行实验，自制教具，绿色环保，能够实现将化学实验绿色化的目的。操作简便，现象明显，学生也能够积极的投入到实验仪器的制作中去。在学生创新的基础之上进行改进，使学生更有成就感，对该实验的印象更加深刻，也有助于积极思考实验装置的改进，强化课程综合性和实践性的同时，推动育人方式变革，凸显出学生主体地位。（1）本创新实验有以下特点：①低碳理念，时刻践行：现如今低碳理念贯穿于经济、文化、生活的方方面面，而实验室制取二氧化碳以及性质探究过程存在大量二氧化碳的排放，与该理念相矛盾，针对教材中实验的不足进行改进，设计一套集气体制备、性质探究与洗气于一体的综合性实验装置，在性质探究过程中对残留的二氧化碳进行了收集再利用，充分利用课堂情境为学生传达碳中和理念，将知识进行了整合，系统性更强，便于学生学习理解。本装置将低碳理念很好的与化学实验进行结合，使学生理解低碳生活不是一句空话，而是在实际的学习和生活中我们都应努力践行的操作。②一体便携，功能强大：以课本实验为载体，将二氧化碳的实验室制备，性质检验与除杂有机的融于一体，对知识进行了整合，很好的体现了新课标中大单元的思想，同时将实验装置有序的置于试验箱内，现象明显，便于携带，通过调整阀门的开关顺序，既能进行单个实验，又能整合多个实验，既适用于新授课，又适用于复习课，综合性强，可多次重复使用。并且本装置衍生实验非常丰富，固液常温型制取气体的实验均可用，可根据实验要求进行组装和拆卸。③学生主体，教师主导：课下教师组织学生进行项目学习，利用生活中的装置对实验室制取二氧化碳和性质实验进行改进，教师在此基础上进行整合，最终得到该装置，学生参与了整个创新过程，提升学生成就感的同时，加深了对该实验的印象。④节约药品，避免浪费：课本中性质实验探究过程需要制取大量二氧化碳，不能重复使用，而本创新装置二氧化碳现制现用，根据实验需求调整二氧化碳的多少，极大的节约了药品，避免了浪费的情况。⑤化学之美，体现明显：化学是一门以实验为基础的学科，同时化学也是一门很美的学科，石蕊纸花实验我将纸花设计成多层花朵，花瓣润湿，花蕊干燥，最终会看到花瓣变色，花蕊不变色，将课本上的前后对比改为横向对比，在保证现象的同时更加美观，并且该纸花可多次重复使用，体现了节约环保的思想。（2）评价：①装置整合一体化：本实验以教材实验为载体，使用石灰石与稀盐酸为原料现制二氧化碳，结合高低蜡烛、石蕊纸花、澄清石灰水等对性质进行探究，为了防止稀盐酸溶液会发出的氯化氢气体对实验进行干扰，利用饱和碳酸氢钠溶液对其进行洗气除杂，实验原理科学，现象明显。将二氧化碳的制取、性质及洗气实验合为一体，对实验装置进行简化，实验效果良好，节约时间，提高课堂效率。②实验融合结构化：实验现象明显，符合正常新授课的思维逻辑，同时满足复习课的使用，结构完整，通过直接观察，学生印象更加深刻，深刻理解了二氧化碳的性质，认识了探究方法，进而突破本节课重难点，实现“教-学-评”一致性。③活动探究素养化：通过实验事实分析二氧化碳有关性质，培养了学生的推理能力，分析和解决问题的能力，通过对课本实验的创新也能以此为例鼓励学生课下动手进行设计与制作，进行实践性作业，同时锻炼了学生逻辑思维能力，提高科学探究水平，增强创新意识，使学生在学习中，分享快乐，收获知识。通过二氧化碳的系列学习，碳中和、碳达峰相关概念的引导，提升了学生的科学思维、体现了科学探究与实践、科学态度与责任等核心素养。参考文献［1］胡巢生．二氧化碳性质实验的一体化设计［J］．实验教学，2021（2）：62~65［2］王根生．二氧化碳性质实验的一体化设计［J］．实验教学与仪器，2019（11）：37~38［3］周文荣，陈玲．二氧化碳性质实验的一体化设计［J］．实验教