优化实验设计 培养学生化学实验素养

摘要： 二氧化碳的性质探究是初中化学的基本实验，在提升学生实验操作技能、培养学生良好的实验习惯、提高化学实验素养方面有重要作用。针对教材中所设计的二氧化碳性质实验的不足之处，结合学生在实验中的一些疑惑，从比较二氧化碳与空气的密度大小、二氧化碳和水反应、二氧化碳和氢氧化钙反应、二氧化碳能否支持燃烧四个方面进行改进，提高了实验的可视性和可操作性。对二氧化碳性质探究的实验装置进行整合，使在较短时间内用较简单的操作验证二氧化碳的多种性质。整合装置具有节约药品、环保、一体化、实验安全、现象明显等优点。

关键词： 二氧化碳; 性质探究; 优化实验设计

文章编号： 10056629（2022）04007905

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

化学是一门以实验为基础的学科，科学探究是学习化学重要而有效的方式，化学实验是进行科学探究的重要途径[1]。实验探究可以激发学生学习化学的兴趣，培养学生团结协作的意识。在教学中，通过引导学生对课本常规实验及装置的改进，培养学生发现问题、分析问题、解决问题及实验创新的能力。学生在探究、改进、创新的过程中，巩固对化学的认知，提升自身的化学学科核心素养。

二氧化碳的性质实验探究是初中化学教学的一个重点，也是化学课程标准要求学生必须掌握的一个基本实验。它是在学生学习了氧气性质后的又一气体性质探究，因为有了氧气性质实验的铺垫，学生已基本掌握探究气体性质的角度和方法。教师可在实验教学过程中引导学生运用类比归纳法探究物质的性质，构建性质决定用途、用途体现性质的学科观念。因此，二氧化碳性质的实验探究对培养学生实验辩证思维有着重要的作用。

不同版本的初中化学教材中二氧化碳性质的探究实验表述方法虽不同，但设计的实验基本一致。鲁教版八年级化学第六单元“走进实验室”中以语言描述的方式设计如图1所示的实验方案;人教版九年级化学上册教材以图片的形式设计如图1、图2[2]所示的实验，逐一探究二氧化碳的物理性质和化学性质。其中每一个实验相对独立，在一定程度上能激发学生的兴趣，但整个实验过程所用仪器较多，需用二氧化碳的量较大，步骤较为复杂，消耗时间比较长。虽便于学生动手操作，但不能体现化学微型、节约的理念，且实验的不连续性，给学生的学习认知造成了一定的障碍。

学生根据生活经验和知识储备，已经知道了二氧化碳的一些性质： 密度比空气大，能溶于水，不能供给呼吸，不燃烧、也不支持燃烧，能使澄清的石灰水变浑浊，能参与植物的光合作用等。教材中设置二氧化碳的性质探究课，旨在通过探究，培养学生的动手能力和反思意识，联系生活实际锻炼学以致用、解决问题的能力，在质疑、思辨、实验中升华对化学的热爱。设计实验能力是教学的发展点，也是障碍点。在结合课本实验的基础上，如何巧妙利用常见的物品及化学仪器，在落实教学三维目标的基础上，有效地进行实验探究或实验整合，实现实验方案最优化，起到“一石多鸟”的效果？我们带领学生开始了改进实验的探究历程。

1 探究二氧化碳的密度比空气大的实验改进

二氧化碳的密度比空气大，学生最先想到的是称量法（见图3）和杠杆平衡法（见图4）。但这两个实验都会消耗大量的二氧化碳，在倾倒的过程中，学生已经感知二氧化碳可以像水一样向下流淌，稍加分析即可知道二氧化碳的密度比空气大，天平和杠杆的不平衡，只是用现象提升了实验的可视化。

学习小组学生结合课本上采用的阶梯实验（见图5），将探究二氧化碳的密度比空气大、二氧化碳不燃烧也不支持燃烧的性质进行整合，将T型管运用到实验中（见图6），取得了很好的效果。这个实验既操作简单又现象明显，比蜡烛燃烧阶梯实验节约药品和时间，并且增强了学生的感性认识和实验的参与度。

2 探究二氧化碳能和水发生反应的装置改进

教材中在探究CO2和水反应生成碳酸的实验中，是借助酸碱指示剂紫色石蕊试液的变色来实现的。通过向紫色石蕊试纸上喷醋酸产生预知，再通过实验设疑，进一步分析是二氧化碳还是二氧化碳与水的产物使紫色石蕊试液变红色，引导学生进行逐一探究、逐项排除，从而得出结论： CO2能和水反应生成碳酸。人教版九年级化学上册设计如前文图2所示的实验，虽能调动学生的学习积极性和参与度，但操作繁琐、准备时间较长，二氧化碳的用量较大，可用于兴趣小组的课下实验探究，不适合用于课堂教学演示。结合前面所用实验，学习小组进行了改进与创新。

小组一： 结合教材探究流程，利用硬质玻璃管，设计如图7所示的实验装置。将实验装置微型化，可以节约药品，节省时间，增强实验的可视性和对比性。

小组二： 在小组一探究的基础上，利用T型管、硬质玻璃管等仪器，设计如图8所示的实验装置，将探究二氧化碳的密度、二氧化碳与水反应，二氧化碳不燃烧也不支持燃烧的三个实验整合在一起，操作简单，节约药品和时间，且现象明显。

3 探究二氧化碳和氢氧化钙溶液反应实验装置的改进

二氧化碳与氢氧化钙反应现象比较明显，课本设计的实验也较为简单，直接将二氧化碳通入澄清的石灰水中，现象是澄清的石灰水变浑浊。有的学生为了验证呼出的气体中含有大量的二氧化碳气体，直接向试管中的澄清石灰水吹气，由于学生气流控制不稳，吹气过快会导致氢氧化钙溶液喷出，容易伤到眼睛。学生经讨论后设计，将吹气实验装置进行了如图9所示的两种改进，小小的改变提升了实验的安全性。

在鲁教版八年级化学第六单元第三节“多识一点”中分析了溶洞的形成，展示了一个问题： 二氧化碳通入澄清石灰水，能看到澄清石灰水变浑浊，但继续通入二氧化碳后，石灰水又由浑浊变澄清，这是为什么呢[3]？

在探究此实验时，一般会选择如课本所说，继续向其中通入二氧化碳，虽现象比较明显，但等待时间比较长，消耗较多药品，不符合绿色化学的理念。

经反复实验，改用前面探究二氧化碳溶于水后的软塑料瓶（见图10），起到了很好的效果。

实验操作： 向盛满二氧化碳的软塑料中注入少量的澄清石灰水，立即拧紧瓶盖，轻微振荡，看到澄清石灰水变浑浊。剧烈振荡，很快又变澄清。将软塑料瓶放在热水浴中加热，又变浑浊，冷却后又变澄清。

装置改进后，便于操作，现象明显，加上任课教师的语言描述及模仿魔术师的动作，更能激发学生的好奇心和求知欲，活跃了课堂气氛。利用此装置，通过改变条件，使现象交替出现，有利于学生理解溶洞形成的原因。结合二氧化碳的性质实验及生活案例明确反应条件的改变不仅能决定反应进行的速度和剧烈程度，还能决定反应进行的方向，初步形成反应物的量和反应条件影响化学反应的发生及生成物种类的观念，知道控制反应条件可以使反应按照人们的意愿发生、停止或朝着某一方向进行，为后面学习“绿色化学反应”的实质做好铺垫。但此实验应注意加入澄清石灰水的量不宜多，若加入过多，会使二氧化碳的量不足，白色沉淀便不能完全消失。

4 探究二氧化碳能否支持燃烧的实验

通常情况下，二氧化碳不燃烧也不支持燃烧，因此可以用来灭火。根据所学知识CO2+C高温2CO可知，二氧化碳是一种氧化剂，在一定条件下应该能和一些还原性强的物质发生反应，比如活泼金属。初中阶段常见的活泼金属是镁，结合铁丝在氧气中燃烧的实验设计了如图11所示的实验，学生在期待中看到： 镁条剧烈燃烧，发出耀眼的白光，瓶壁上附着一些黑色颗粒。此实验证明了二氧化碳也能支持部分物质燃烧，由此对燃烧的概念、燃烧的条件进行辩证思考，从而联想到活泼金属着火后不能用二氧化碳灭火器来灭火。

在二氧化碳倾倒实验（图5）中，观察到低的蜡烛先熄灭，高的蜡烛后熄灭，得出通常情况下二氧化碳的密度比空气大，不燃烧也不支持燃烧的性质。蜡烛燃烧会产生二氧化碳，学生依据二氧化碳密度比空气大，在空气中会下沉，提出猜测： 此实验中使低的蜡烛熄灭的二氧化碳，会不会有高的蜡烛燃烧产生的二氧化碳呢？

经过分析，学生设计了如图12所示的实验。实验中发现高的蜡烛先熄灭，低的蜡烛后熄灭，且烧杯底部有黑色附着物。这是为什么呢？学生讨论分析一致认为： 燃烧产生的二氧化碳温度较高，密度变小，聚集在烧杯上层，所以高的蜡烛先熄灭;又因为体系中氧气减少，石蜡不完全燃烧产生大量的炭黑颗粒，所以烧杯底部会有黑圈。由此知识可知，在火灾现场应用湿毛巾捂住口鼻，匍匐前进，寻找安全出口。

5 探究二氧化碳性质实验的有效整合

教材中设计的二氧化碳性质探究实验相对独立，比较适合于学生分组实验，但在教师演示过程中就会因时间过长、药品用量较多等因素需要提前准备。为解决这个问题，化学兴趣学习小组经过反复探索与实验，将二氧化碳性质探究实验的装置进行整合。下面是学生查阅资料后自行设计的几套装置（图13～17）。

几套实验装置将多个实验进行整合，各有各的特点，不仅适合教师演示，也适合学生分组实验。易于操作，实验过程一气呵成，仅需4分钟左右就可验证二氧化碳的全部化学性质，使学生对二氧化碳性质的学习具有系统性和完整性[4]。

其中整合装置4、5贴近生活、创新性较强，下面重点展示一下。

5.1 实验用品

250mL饮料瓶2个（或二氧化碳发生装置1套）、棒棒冰塑料袋1个、坩埚钳、250集气瓶1个（铺少量细沙），毛玻璃片、长颈漏斗、电吹风机、酒精灯、改造后的矿泉水瓶1个、废旧自行车胎气嘴3个、玻璃导管和橡皮管各1根、高低不同的蜡烛各1根、紫色石蕊试纸、稀醋酸、稀盐酸、蒸馏水、澄清石灰水、石灰石、细铜丝1根、火柴1盒、小木块三块.

5.2 实验装置图及说明

选取两个透明塑料瓶子（硬度较大的塑料瓶），分别在瓶子底部粘贴双面胶，使瓶子更好地固定在桌面上。用烧灼的玻璃棒（管）在其中一个瓶子三个侧面上不同的高度各烫一个孔[5]，将自行车胎气嘴穿过固定作导管口。高低蜡烛分别放置贴近导管口下方。中间的烫孔与另一个塑料瓶套上棒棒冰塑料袋（二氧化碳发生装置）的导管相连接，棒棒冰塑料袋用烧灼的玻璃棒（管）烫若干小孔，放置石灰石。第一个塑料瓶中放置一根曲形细铜丝，曲形的目的是为了将细铜丝固定在瓶口，不使其碰到瓶内壁。在铜丝上穿上四条紫色石蕊试纸（最上面的用水湿润，第二条喷上醋酸，中间一条保持干燥，下面一条用水浸湿）。曲形铁夹夹住棒棒冰袋的细口处，对其进行升降控制，以控制二氧化碳的发生和停止[6]。

5.3 实验操作

（1） 如图组装仪器，并检查装置的气密性。

（2） 用长颈漏斗向检验装置（第一个塑料瓶）中加入少量澄清的石灰水，避免溅到瓶壁上。

（3） 在曲形细铜丝上穿四片紫色石蕊试纸，最上端的用水湿润，第二片喷稀醋酸，第三片保持干燥，最下端喷水，对比现象，然后将其放入塑料瓶内。

（4） 将高低不同的蜡烛放在导气管口，确保蜡烛芯与导气管等高。

（5） 若用装置4： 向锥形瓶中加入石灰石，从长颈漏斗向其中加入稀盐酸，点燃蜡烛，观察现象。

若用装置5： 取下铁夹，将装有石灰石的棒棒冰塑料袋放入稀盐酸中，反应开始。

（6） 待低的蜡烛熄灭后用一小块橡皮泥堵上低处的小孔，观察高的蜡烛的火焰变化情况。

（7） 从装置中拿出曲形铜丝，对照观察石蕊试纸条变色情况。用电吹风机吹热风给变红色的石蕊试纸条加热，观察现象。

（8） 轻轻振荡反应后的塑料瓶，观察瓶内澄清石灰水的变化现象。

5.4 改进的意义

（1） 化繁为简，操作简便，仪器简单。

实验装置的改进弥补了教材中实验仪器较多，且相互分隔、操作流程不连贯的缺点。改进之后的实验整合度高、连贯性好，提高了实验的效率，增强了学生的实验观察能力。这方面的改进方案有较多个案可参考[7]。

（2） 废物利用。部分器材是生活中常见的物品，容易选取，既节约资源，又提升了实验的安全性。第二套装置（整合装置5）中，利用生活中的棒棒冰塑料装及矿泉水瓶等，设计了可控制反应发生与停止的二氧化碳制取装置，有利于学生课外开展实验。在实验装置的改进和制作过程中，锻炼了学生的动手操作能力。

（3） 原先倾倒二氧化碳的阶梯实验，蜡烛放在烧杯中。改进后的实验将烧杯内高低不同的蜡烛移到了外面，学生感受到二氧化碳会像水一样具有流动性，它不是固定不动的，让学生转换思维，在学习的过程中培养创新的意识[8]。

总之，化学实验的创新没有止境。实验装置的改进，旨在夯实化学基础知识，培养学生的实验能力。实验改进力求装置简单、可操作性强、实验现象明显，实现微型化、可视化与绿色化，提升实验的安全性和成功率，既能减少课前准备实验的时间，又能激发学生的实验兴趣，在探寻最佳方案的基础上培养学生的化学实验素养。

参考文献：

[1]

[3]毕华林， 卢巍主编. 义务教育教科书·化学（八年级全一册）[M]. 济南： 山东教育出版社， 2019： 12～13， 139～140.

[2]胡美玲主编. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2006： 113～115.

[4]柳兆胜. 浅谈利用“问题导向法”求解物体的密度[J]. 数理化解题研究， 2017， （2）： 68， 88.

[5][8]资鱼叶. 探究二氧化碳性质的创新实验设计[J]. 数理化解题研究， 2016， （5）： 69.

[6]徐掌印. 二氧化碳性质实验的创新设计[J]. 教学仪器与实验， 2009， （10）： 15.

[7]金怡. 有关二氧化碳制备及性质的三个创新实验[J]. 化学教学， 2017， （1）： 65～67.