二氧化碳气体装置的教学设计与实践

浙江省温州市南浦实验中学 蔡呈腾

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2014）24-0088-02

浙教版（2013年版）科学八年级下册第4节《二氧化碳》中，在二氧化碳的制取活动部分，教材提供了如图1所示的图片让学生选择制取二氧化碳气体所需要的发生装置和收集装置。

从教材编写的逻辑顺序上看，由于学生已经学习了氧气的实验室制取，所用的药品为双氧水和二氧化锰（催化剂），装置如图2所示；而学生分组实验，在实验室制取氧气，用到的药品是高锰酸钾加热分解制取氧气，装置如图3所示。

同时，教材安排二氧化碳的制取在二氧化碳的性质之后，而且，学生已经在制取氧气时学习了如图1装置选择的要求。所以，根据制取二氧化碳用到的石灰石或大理石（反应物的状态）为固体和反应时不需要加热（反应条件）不难选择出发生装置选择图b；同样，由于二氧化碳微溶于水且能与水发生化学反应，不能用排水集气法，而二氧化碳的密度大于空气，所以也较容易就能选择装置c。

教材提供的是一种学习资料，虽然它也让参与学生知识的建构，但往往教材内容的呈现方式更大的功能在于知识结构的完整性、逻辑结构的合理性、内容层次的适切性等针对知识结构本身，而没有关注学生学习心理的变化、认知特征等，当然也不可能关注认知主体（学生）知觉、注意、记忆、心象（即表象）、思维和语言，也就是说，缺乏了学生对认知过程的信息加工过程。

在教师主导下的教学设计方案的实施正是体现学习主体认知过程。这种认知的过程不是仅仅只对提供内含一定科学信息的文字、图片等的认知过程，还要认知主体从认知心理需求的角度出发，在不断满足认知心理需求的基础上，逐渐地建构与完善认知对象在认知主体中的知识体系。

对于实验室制取二氧化碳气体时选择的装置，从教师的角度来说，这是已经被人类掌握的知识，而对于学生来说，这是未知的知识。学生对于未知知识探索过程的心理变化与科学家认知未知自然界现象、规律的过程是相同的。基于构建主义理论的课堂教学，正是要创设一系列情境，营造学生对认知对象的层层递进的“心理需求”，如同科学家发现新规律般进行科学学习。基于此，对二氧化碳气体制取的装置构建，不是如教材图1般直接呈现5种装置让学生去选择。

师：前面，我们已经学习了氧气的制取，知道用不同的药品、反应条件，制取装置也不相同。你能简单画出用不同药品制取氧气的实验装置图吗？

此环节“暴露”学生的前概念、前知识，也为后续不断地构建搭建一个基础，找到一种资源。

生：（独立作图。）

展示：先选择一些不太规范的“作品”来展示，请其他学生进行评价，特别对不太规范的部分可以造成的后果提炼出来，进一步完善“作品”，这样，最后展示“作品”都类似于图2、3的情况。

建构的过程，就是根据“作品”的功能缺陷，不断摒弃不符合“需求”的，构建比较“理想”的，而“理想”正是我们建构的目标。

师：实验室制取二氧化碳时，用块状的石灰石或大理石（配以药品展示）和稀盐酸反应。你觉得应该选择图1中的哪种装置？为什么？

学生的“作品”就是图1选择中的一部分内容，这是为此处选择制取二氧化碳气体装置服务的。而教学时不是直接呈现图1，是通过学生回忆原有知识结构，在此基础上复习对制取气体装置选择的标准。

生：选择图1中的装置b，因为石灰石或大理石为块状固体，稀盐酸是液态，而且反应条件不需要加热，所以选择装置b。

师：为什么选择a不可以？

生：反应不需要加热，而且稀盐酸是液体，倒入图a试管中会流出来的。

师：那如果我们选择装置a，但去掉酒精灯，而且将略向下倾斜的试管改为向上倾斜或正立，可以吗？

生：（讨论）应该可以。

师：这样的装置与装置b有什么不同？

生：一个是试管，一个锥形瓶，一个没有长颈漏斗，一个有长颈漏斗。

师：试管与锥形瓶对化学反应来说有区别吗？改为烧杯可以吗？

生：没有本质区别，只有反应物容量多少的区别；不能用烧杯，因为无法密封收集气体。

师：这样看来，反应物的容器只要适合化学反应，可以密封收集气体，就可以了。你觉得图4中的实验室玻璃仪器可以用作制取气体的反应容器吗？（由于学生对实验室中的玻璃容器还不熟悉，所以改为提供图片进行判断。）

生：可以用来制取气体的反应容器是C、D、E、F、G、H等，其它不可以。

师：其他不可以的原因是什么？

生：A、B、I都无法密封，气体会逃逸的。

师：从化学反应的角度来看，你觉得是否能作为反应的容器，仅仅从“是否可密封的角度”考虑就可以了吗？

（学生讨论分析，如果有困难，提示学生从化学反应过程的安全性考虑）

当学生为了符合某种标准进行思考时，往往会忽视其他重要的内容，比如实验的安全问题。所以引导学生全面考虑问题，特别是化学实验的安全问题要摆在首要考虑的位置，这是非常重要的。

生：用双氧水和催化剂二氧化锰制氧气时，反应是放热的，可能有一些玻璃容器要考虑是否能承受反应放热带来的安全性问题。

师：想得非常周到！这样看来，如果在C、D、E、F、G、H中重新选择，可能哪些仪器不可以作为反应的容器？

生：C、D、E、G肯定可以，因为它们本身就可以用酒精灯来加热，而F、H不是加热的容器，可能不行。

师：我们总结一下可以用来作为化学反应制取气体的玻璃仪器的特征：一是可以密封气体，二是能承受放热反应。

通过这样的逐步建构过程，学生形成了一个很重要的印象：反应容器形状并不重要，只要符合如上两个条件就可以了。这样，我们也可以从日常废弃物中找到可以当反应容器的瓶子。

师：装置中有长颈漏斗与无长颈漏斗有什么区别？

生：有长颈漏斗，倒入稀盐酸更方便一些。

师：这样说来，蒸馏烧瓶、圆底烧瓶、平底烧瓶、试管等分别加上长颈漏斗和橡皮塞，与图1中的b的功能是一样的。

师：下面我们用石灰石和稀盐酸反应制取二氧化碳气体，如何选择收集气体的装置？请结合氧气制取时的收集装置进行思考。

生：制取氧气时，我们用排水集气法或向上排空气法，这是因为氧气不易溶于水，氧气的密度比空气略大。而二氧化碳微溶于水（1体积二氧化碳能溶于1体积水中），且能与水发生化学反应，所以不能用排水集气法，但可用向上排空气法，因为其密度比空气大。所以选择图1中的c装置。

师：在制取氧气中，要收集一瓶较纯净的氧气，一般选择什么方法收集？

生：排水集气法。

师：如果我们也想收集一瓶较纯净的二氧化碳，那怎么办？

生：是否可以选择一种二氧化碳难溶于其中又不与二氧化碳反应的液体代替水？

师：非常好的想法！但如果还是用排水集气法的装置收集二氧化碳，有办法吗？

这个问题将会把学生引导到对未知领域的探索上，因为用排水法收集的气体，不易溶于水，且不与水反应，而二氧化碳却不具备这一性质。这样巨大的矛盾会激发学生“创造性”、“发散性”思维。

生：（讨论进行）

师：（在学生答案的基础上进行引导）为了避免二氧化碳与水接触，可将导管变长通到集气瓶底，且为了避免二氧化碳溶于水，在水中放入一层油，油会浮在水面上阻隔二氧化碳与水接触。

师：下面我们选择图1中的装置b、c进行实验。

（通过实验，发现存在的问题，从而根据存在的问题进一步进行探究。）

师：现在已经收集了一瓶二氧化碳，我们有办法使反应暂停一下吗？

生：（讨论解决办法，但最终毫无办法。）

师：确实，无办法可想，这说明我们现在的这种装置还存在缺陷，即无法即时暂停反应的停止。这样缺陷最大的缺点是什么？

生：浪费药品，浪费资源。

师：这样，我们就想改进发生装置b。在不取出药品的情况下，要想反应停止，有什么办法？

生：稀盐酸和碳酸钙分离（不接触）就可以不反应了。

师：怎么样才能分离呢？

生：（讨论分析，如果无法解决，教师设问并操作，用止水夹夹住橡皮导管（或带开关的导管），锥形瓶内稀盐酸溶液有部分向长颈漏斗上流动。但反应还在继续进行。）

师：你能解释观察到的现象吗？

生：止水夹夹住橡皮导管，发生装置内气体越来越多，气压越来越大，所以将溶液向下压，溶液就流向长颈漏斗。

师：如果用止水夹夹住橡皮导管，溶液向长颈漏斗上流动，但还是无法停止，你觉得有办法通过一定的改变，使碳酸钙与稀盐酸分离吗？

（组织学生讨论此问题，逐渐向启普发生器的原理靠近。虽然教材中没有认清启普发生器原理的要求，但对于实验装置的设计，它的一个重要原则就是在实验操作简便的基础上，要节约资源）

生：想一个办法，将装置b中的碳酸钙垫高一些，这样，当稀盐酸流向长颈漏斗上后，它们就可以分离。

师：这个想法非常好，按照这个原理，我们可以在距离容器底部某一高度放置一个隔板，将块状碳酸钙放在上面。但怎么将隔板放进锥形瓶？

（学生讨论，由于锥形瓶口小底大，不好放入，只能改为大试管了）

生：用试管代替锥形瓶。

师：（展示如图5装置。并且用此装置来制取二氧化碳。制取一瓶二氧化碳后，关闭导管上的开关，反应停止。）

如果如上关于二氧化碳气体制取装置的教学过程和教材内容，教材内容提供的教学资源是“静态”的，没有“发展性”的，而通过本案例的设计，学生从原有知识结构水平出发，从原来装置功能的“缺陷”出发，不断通过需求的心理驱动，完善制取二氧化碳气体的装置。

（编辑：杨迪）