模型建構(gòu)視角下的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計

詹發(fā)云 江麗蕓

摘? ? 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實(shí)性情景，在類比概括中逐步明晰實(shí)驗(yàn)的原理、裝置選擇和操作流程。堅持實(shí)證取向，在實(shí)驗(yàn)探究和探討交流中逐步建構(gòu)思維模型。

關(guān)鍵詞：思維模型;二氧化碳;實(shí)驗(yàn)室制備

一、教材分析

對于學(xué)生來說，支持有意義學(xué)習(xí)有效的策略之一是對所學(xué)的知識進(jìn)行模型建構(gòu)。二氧化碳是繼氧氣之后學(xué)習(xí)的又一種重要?dú)怏w，氧氣的制備是學(xué)習(xí)二氧化碳的基礎(chǔ)，二氧化碳制備是氧氣學(xué)習(xí)的延伸。在教材中“二氧化碳的實(shí)驗(yàn)室制法”是直接給出了二氧化碳實(shí)驗(yàn)室制備的原理、裝置圖和檢驗(yàn)方法，學(xué)生的學(xué)習(xí)更需要從藥品與產(chǎn)物性質(zhì)的角度來理解反應(yīng)原理、設(shè)計實(shí)驗(yàn)裝置、完成實(shí)際操作。本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容是通過信息分析獲得二氧化碳的反應(yīng)原理，通過類比分析正確選擇制取裝置，通過概括歸納構(gòu)建物質(zhì)制備（特別是氣體）的思維模型。

二、教學(xué)思想

本節(jié)課以學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，基于真實(shí)情境，著重學(xué)習(xí)過程的反思和評價;基于證據(jù)推理，理解和深化物質(zhì)制備的思維范式，建構(gòu)氣體制備的一般模型;基于建模思想，聚焦化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主題，更好地進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

三、教學(xué)目標(biāo)

（1）通過探究活動了解實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的反應(yīng)原理和制取裝置，實(shí)現(xiàn)由簡單模仿到靈活選擇的認(rèn)識飛躍。

（2）通過運(yùn)用設(shè)計裝置、動手實(shí)驗(yàn)等方法，激發(fā)參與問題探究的積極性，堅持實(shí)證取向，在探究交流中培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)綜合能力。

（3）通過建立藥品與產(chǎn)物性質(zhì)、反應(yīng)原理的關(guān)系，從化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度構(gòu)建氣體制備的模型。

四、教學(xué)流程

（一）自制汽水

利用便攜式氣泡水機(jī)（見圖1）自制檸檬蘇打汽水。將裝有食品級液態(tài)二氧化碳的高壓氣瓶（見圖2）插入蓋中，順時針旋轉(zhuǎn)瓶蓋，液態(tài)的二氧化碳被迅速釋放到檸檬水中（事先水中放入檸檬和白糖），制得檸檬蘇打汽水供學(xué)生現(xiàn)場品嘗。

圖1? ?便攜式氣泡水機(jī)

圖2? ?二氧化碳?xì)怏w高壓小氣瓶

生活中的食品級二氧化碳大部分來自釀酒廠的副產(chǎn)品，主要用于生產(chǎn)碳酸飲料。工業(yè)所需的二氧化碳主要是石灰石煅燒的副產(chǎn)品，一般用于油田開采等方面。那么，實(shí)驗(yàn)室需要的二氧化碳，又如何來制取呢？同時需要考慮哪些方面的問題？

【設(shè)計意圖】創(chuàng)設(shè)真實(shí)性情景，體驗(yàn)學(xué)習(xí)價值。以自制碳酸飲料激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)熱情，從身邊的化學(xué)出發(fā)，聯(lián)想到工業(yè)生產(chǎn)，再聚焦到實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)探究，了解獲得二氧化碳的重要性，從而將知識學(xué)習(xí)與真實(shí)生活聯(lián)系起來。

（二）原理探析

1.藥品選擇

（1）根據(jù)已學(xué)知識，有哪些方法可以得到二氧化碳？

學(xué)生回想，木炭燃燒、石蠟燃燒、NH4HCO3受熱分解、Cu2（OH）2CO3（銅綠）受熱分解、Cu2（OH）2CO3（銅綠）與稀鹽酸反應(yīng)、碳酸分解等。

（2）為何木炭、石蠟燃燒或碳酸氫銨分解都會產(chǎn)生二氧化碳？這些物質(zhì)有什么共同的特點(diǎn)？

學(xué)生分析：因?yàn)檫@些物質(zhì)都含有碳元素，只有含碳的物質(zhì)才有可能制取二氧化碳。

（3）這些方法適合在實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳嗎？為什么？

學(xué)生討論，木炭燃燒、NH4HCO3受熱分解收集到的氣體不純凈，不利于收集;石蠟燃燒反應(yīng)比較慢;Cu2（OH）2CO3（銅綠）受熱分解有水生成，難以除去，可能價格也不便宜等。

（4）介紹三組都能產(chǎn)生二氧化碳的反應(yīng)。取三支相同大小的試管，前兩支分別放入1mol·L-1稀鹽酸2mL，第三支放入0.5mol·L-1稀硫酸2mL。取相同質(zhì)量的碳酸鈉粉末、石灰石顆粒兩份分別放入氣球中，分別套進(jìn)試管口（見圖3）。在實(shí)驗(yàn)時同時開始三組反應(yīng)，注意觀察和對比三組反應(yīng)中氣泡產(chǎn)生的快慢（見表1）。

試管1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 試管2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?試管3

稀鹽酸2mL（1mol·L-1）? ? 稀鹽酸2mL（1mol·L-1）? ? 稀硫酸2mL（0.5mol·L-1）

碳酸鈉粉末（1.5g）? ? ? ? ? ?塊狀石灰石（1.5g）? ? ? ? ? ? ?塊狀石灰石（1.5g）

圖3? ?產(chǎn)生二氧化碳的三組實(shí)驗(yàn)

表1? ?產(chǎn)生二氧化碳的三組實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)象

[試管編號 1 2 3 液體 稀鹽酸2mL（1mol·L-1） 稀鹽酸2mL（1mol·L-1） 稀硫酸2mL（0.5mol·L-1） 固體 碳酸鈉粉末（1.5g） 塊狀石灰石（1.5g） 塊狀石灰石（1.5g） 實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)象 氣泡產(chǎn)生極快，氣球迅速變大，甚至沖出試管 氣泡的產(chǎn)生均勻連續(xù)，氣球慢慢變大 產(chǎn)生幾個小氣泡后停止，氣球無明顯變化 ]

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，碳酸鈉粉末與稀鹽酸反應(yīng)過于激烈，塊狀石灰石與稀硫酸反應(yīng)太慢且一會兒近乎停止，塊狀石灰石和稀鹽酸反應(yīng)速率適中，氣泡連續(xù)且平穩(wěn)。

課堂展示利用二氧化碳濃度傳感器測定三個反應(yīng)裝置中二氧化碳濃度的變化視頻圖像（見圖4）。圖5數(shù)字化曲線中①是碳酸鈉粉末與稀鹽酸反應(yīng)，②是塊狀碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)，③是塊狀碳酸鈣與稀硫酸反應(yīng)。

圖4? ?三組反應(yīng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置

圖5? ?三組反應(yīng)的數(shù)字化曲線圖

從圖5的數(shù)字化曲線來看，學(xué)生更加直觀地發(fā)現(xiàn)碳酸鈉粉末與稀鹽酸反應(yīng)曲線開始后立即快速上升至平行，說明開始反應(yīng)快速但反應(yīng)也很快結(jié)束;塊狀石灰石和稀鹽酸反應(yīng)曲線平緩上升，說明反應(yīng)速率適中;塊狀石灰石與稀硫酸反應(yīng)曲線是一條很低的平行線，說明反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡量極少且速率也很慢。

2.條件需求

結(jié)合以上反應(yīng)現(xiàn)象和資料信息（見表2），可以推測堿式碳酸銅粉末與鹽酸反應(yīng)很快，且粉末價格也較高，所以綜合得出實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的反應(yīng)原理：石灰石（或大理石）和稀鹽酸，即碳酸鈣+鹽酸 → 氯化鈣+水+二氧化碳（CaCO3+HCl → CaCl2+H2O+CO2）。小組討論，實(shí)驗(yàn)室制取氣體需要具備的條件：不產(chǎn)生雜質(zhì)氣體、藥品易得、操作簡單、反應(yīng)條件不復(fù)雜等。教師加以總結(jié)歸納：反應(yīng)速率適中，反應(yīng)條件可控，氣體易于收集，藥品廉價易得等。

表2? ?三種藥品的價格和主要來源

[藥品 價格 來源 碳酸鈉（分析純）500g 18元 氨堿法、聯(lián)堿法、天然堿法 塊狀石灰石500g 7元 自然形成的物品、建筑工地 堿式碳酸銅粉末 500g 34元 銅鹽與碳酸鹽反應(yīng) ]

【設(shè)計意圖】通過知識回顧的梳理、分組實(shí)驗(yàn)的探究以及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的探討，結(jié)合文本資料，從觀察（實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象）視角、數(shù)據(jù)（數(shù)字化實(shí)驗(yàn)）視角、資料（來源和價格）視角，基于實(shí)證推理出適合制取二氧化碳的藥品及反應(yīng)原理，進(jìn)一步擴(kuò)展到一般氣體制備對藥品和原理的選擇依據(jù)，形成氣體制備的原理模型。

（三）裝置選擇

學(xué)生回憶實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的實(shí)驗(yàn)裝置，從圖6給定的儀器中自由選擇，組裝一套實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的裝置，并試著畫出裝置圖。

圖6? ?可供選擇的實(shí)驗(yàn)儀器

學(xué)生自畫的部分裝置圖見圖7，學(xué)生對課堂展示的自畫裝置圖進(jìn)行了精彩點(diǎn)評，部分見表3。

A? ? ? ? ? ? B? ? ? ? ? ? ?C? ? ? ? ? ? ? ?D? ? ? ? ? ? ?E? ? ? ? ?F

圖7? ?學(xué)生手畫裝置圖

表3? ?學(xué)生課堂上的相互精彩點(diǎn)評

[學(xué)生1 裝置A可以制取二氧化碳，但不便于隨時添加液體;裝置C不可以制取二氧化碳，生成的氣體會從長頸漏斗中跑掉 學(xué)生2 裝置B可以制取二氧化碳，但是針筒中的稀鹽酸可能較少，需要再次添加 學(xué)生3 裝置F要用大試管，否則鹽酸的用量不宜過多，制取的二氧化碳?xì)怏w較少 學(xué)生4 D、E、F中收集二氧化碳的導(dǎo)管下端要伸到集氣瓶底部 ]

最后師生總結(jié)，實(shí)驗(yàn)室制取氣體選擇發(fā)生裝置需要考慮反應(yīng)物的狀態(tài)和反應(yīng)發(fā)生的條件，收集裝置需要考慮氣體密度、溶解性、能否與水反應(yīng)等。

【設(shè)計意圖】從原理到裝置，不是簡單地給予，而是由學(xué)生通過已經(jīng)學(xué)過的氧氣的制取裝置，結(jié)合自己的思考來自由選擇、組合裝置，這對學(xué)生的要求較高。小組互評調(diào)動大家的積極性，讓學(xué)生在不斷修正自己錯誤的過程中完善自己的“作品”，這是學(xué)生自我發(fā)展、自我學(xué)習(xí)的過程。從小組討論到大組交流，發(fā)揮集體智慧，進(jìn)一步完善裝置，為實(shí)驗(yàn)操作做好基礎(chǔ)鋪墊作用，進(jìn)一步建立從反應(yīng)原理到裝置設(shè)計的模型。

（四）流程操作

1.實(shí)驗(yàn)操作

學(xué)生通過對制取二氧化碳裝置的認(rèn)識，自由選擇實(shí)驗(yàn)儀器，設(shè)計出富有個性的裝置來制取一瓶二氧化碳?xì)怏w，并進(jìn)行驗(yàn)證和驗(yàn)滿。為了使實(shí)驗(yàn)進(jìn)行得規(guī)范有序，實(shí)驗(yàn)前明確實(shí)驗(yàn)的步驟：①按要求連接好儀器;②檢查裝置的氣密性;③先加固體藥品，后加液體藥品;④收集并驗(yàn)滿氣體。

五組學(xué)生都選擇了分液漏斗的裝置，一組學(xué)生選擇了長頸漏斗裝置。實(shí)驗(yàn)過程中教師巡回指導(dǎo)，提醒注意實(shí)驗(yàn)的規(guī)范性和科學(xué)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行點(diǎn)評。實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的問題很多，部分實(shí)驗(yàn)問題及解決方案見表4。

表4? ?學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的問題及解決方案

[實(shí)驗(yàn)問題 可能原因 解決方案 1.旋開分液漏斗活塞后，液體還是下不來 分液漏斗上塞子未拔出，導(dǎo)致漏斗上部的氣壓小于大氣壓 拔出塞子即可 2.將導(dǎo)氣管插入澄清的石灰水中，石灰水中無氣泡，不變渾濁 未塞緊瓶口，裝置可能漏氣 進(jìn)一步塞緊錐形瓶口的橡皮塞 ]