二氧化碳的性质探究实验新设计

范玉英

摘要： 探究二氧化碳的性质是发展学生化学观念、科学思维与实践能力的重要实验。实验设计中巧妙运用类比思维、推理思维、批判性思维、求异思维等思维方式，指导学生利用塑料瓶、粗铜丝等日常生活用品与常规仪器相结合，设计5组新实验，分别对二氧化碳的性质逐一探究。改进了教材实验不足，具有操作简单、观赏性强、环保安全等优点。新设计的实验装置可用于演示实验，也可用于学生分组实验，能有效培育学生的操作技能、思维品质、创新意识等综合实践能力。

关键词： 二氧化碳的性质； 探究实验； 实验装置设计

文章编号： 1005-6629（2023）03-0080-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《义务教育化学课程标准（2022年版）》明确指出：“在作业设计与实施中，增加动手实践、实验探究等综合实践性作业”［1］。综合实践性作业指学生以小组为单位，以实践活动深化学科知识理解的一种作业［2］。该作业类型包括实验设计、实验探究、社会调查、参观访问等活动。实验设计与探究是实践性作业的重要方式。学生在实践活动过程中，从已有经验、真实情境、科学实验、查寻搜证等方面识别、转换、形成证据，利用证据推理解释，在假设与结论之间建立逻辑关系［3］，发展学生操作技能、思维品质、学科思想和方法等关键能力。

二氧化碳的性质探究实验是九年级化学教学的一个重点，也是新课标要求学生必需掌握的一个基本实验。二氧化碳的性质在教材上、下册皆有所涉及，但不成体系，学生难以获得结构化知识。通过多次调研发现，部分教师在“二氧化碳的性质”教学中，只做演示实验，学生分组实验、合作探究犹如“水中望月”，一些农村中学和薄弱学校存在做“假实验”现象，直接以视频代替实验教学，学生综合实践能力堪忧。据此，教学中如何设计新实验，既使上、下册内容有机衔接，又能激发学生兴趣、发展学生思维和实践能力，使化学核心素养真正“落地”，成为教师重点关注的问题。

查阅文献资料发现，不少研究者对二氧化碳的性质探究实验实施了改进，而关于二氧化碳性质探究的实践性活动的文章却凤毛麟角。笔者作为课题组主持人，积极引导兴趣小组学生對二氧化碳的性质实验再改进、再创新，尝试设计了“封闭式”“同屏式”“对照式”“趣味式”“进阶式”新装置，并开展实践活动，充分发挥实验教学的育人功能。

1  “封闭式”实验装置

沪教版教材（第44页）在“活动与探究”栏目设计如图1实验，现象直观、明显，能有效落实“二氧化碳密度比空气大；二氧化碳不能燃烧，也不支持一般可燃物

燃烧”的教学目标。但该实验需综合考虑烧杯大小、二氧化碳量的多少、怎样倾倒等，操作难度较大，即使经验丰富的教师有时也难以成功。该装置不利于学生开展探究活动。

认真研究图1装置，发现教材实验是开放式的，类似于倒水，二氧化碳能从一个容器倒入另一容器。如果将装置由“开放式”设计成“封闭式”，运用类比思维，二氧化碳能从一个容器进入另一容器吗？经教师的启发，小组学生各显神通，设计出图2新装置，经实践，取得“异曲同工”之妙。兴趣小组学生通过设计与实践，学会学以致用，发展了“化学观念”“科学思维”的化学核心素养。

1.1  基于图2（1）的实验操作

如图2（1）所示，取2个200mL、口宽约3.5cm、高12cm的无色透明塑料瓶（用A、 B表示），洗净、晾干。在2个橡胶塞上分别打两孔，使其与玻璃管（两支1.0cm×20cm）相匹配，一支玻璃管在A中微露出橡胶塞，在B中伸入至接近瓶底，另一支玻璃管的组装则恰好相反。用A收集满二氧化碳气体，塞紧橡胶塞，A倒置在B（空气）上方，静置约4min。打开B橡胶塞，盖上玻璃片，再打开A橡胶塞（瓶口向上），盖上玻璃片。将燃着的木条分别伸入A、 B瓶中，A中木条正常燃烧，B中木条熄灭。装置优点：趣味性强、现象明显、废物利用、可循环使用。

1.2  基于图2（2）的实验操作

如图2（2）所示，取2个200mL、口宽约3.5cm、高12cm的无色透明塑料瓶（用甲、乙表示），洗净、晾干。用甲收集满二氧化碳，盖上玻璃片，倒置在乙（空气）上，抽走玻璃片，1.5min后，将燃着的木条伸入乙中，木条熄灭。装置优点：废物利用、操作简便、实验时间短、现象明显、学生参与度高。

2  “同屏式”实验装置

沪教版设计的二氧化碳与水反应实验（P42）如图3所示，人教版（第118页）如图4所示。实际教学中两种教材实验皆有不足之处：沪教版没有分别设计水、二氧化碳能否使紫色石蕊变色的实验；人教版实验集趣味性、知识性于一体，但该实验涉及的器材多，学生看得眼花缭乱，不知所以然，给学生的学习认知造成一定障碍。

在实践活动中，教师引导兴趣小组学生思考：怎样设计一个同屏展示的对比实验？在“一目了然”的现象中促进对知识的本原性认识，且能补充教材的缺憾。兴趣小组学生联想到塑料瓶，瓶内盛满二氧化碳，再设计一个放紫色滤纸的支架，分别不滴水、滴酸、滴水，方案水到渠成。经自主思考、生生探讨、师生交流，学生设计了图5新装置并实践，取得“出其不意”的效果。

2.1  实验用品

无色透明塑料瓶（400mL，口宽约3.5cm，高约20cm）、橡胶塞、滤纸、水、粗铜丝、火柴、紫色石蕊试液、酒精灯、小铁锤、尖嘴钳、吹风机、细线、稀硫酸

2.2  实验操作

（1） 取一400mL、口宽约3.5cm、高约20cm的无色透明塑料瓶，洗净、晾干。取粗铜丝，在铜丝等间距（4cm）处，用尖嘴钳夹紧铜丝自绕三个麻花状（用1、 2、 3表示），用小铁锤敲成水平、扁平状（长×宽：1.6cm×0.8cm）支架，在橡胶塞上打一细孔，使其与粗铜丝相匹配，将铜丝插入橡胶塞（如图5所示），在第1、 2、 3处分别放一片与支架大小接近的滤纸（用紫色石蕊试液浸泡并烘干），用细线系紧。在第2处滤纸上滴加1滴稀硫酸（不具有挥发性），滤纸由紫变红；在第3处滴水，滤纸不变色。

（2） 收集一瓶二氧化碳，将铜丝伸入瓶中，塞紧橡胶塞，仔细观察：第3处滤纸逐渐变红，而第1处仍不变色。再用酒精灯加热铜丝（导热性好），第3处由红色变为紫色。

2.3  实验优点

（1） 操作简单，大部分器材是常见生活用品，易得，既节约资源，又提升实验的实效性。通过对生活用品合理利用，设计新装置，既丰富作业类型，又培养学生科学思维、动手操作和合作探究能力。

（2） 只需一瓶二氧化碳气体，药品消耗少，现象明显，符合绿色化学理念。

（3） 实现同屏展示。通过对比，学生易得出二氧化碳与水反应生成了酸，由元素守恒推知为碳酸，碳酸不稳定，受热易分解。学生在实践活动中基于实验的直观视觉感知，促进对知识的深层理解，引领他们走向深度学习［4］。

3  “对照式”实验装置

二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊。空气、人呼出的气体中含有二氧化碳，它们能使澄清石灰水变浑浊吗？问题一出，兴趣小组学生想用实验探究的积极性高涨。有学生联想到过氧化氢溶液制氧气，当其他条件相同时，过氧化氢溶液浓度越大，反应速率越快。不同浓度的二氧化碳通入澄清石灰水，是否出现不同现象呢？兴趣小组学生很快从空气、人体呼出的气体、纯净二氧化碳三个方向寻找解决方案，设计了图6对照实验。

通过探究活动，学生学会从控制变量角度探究物质的浓度对化学反应速率的影响，发展了学生利用控制变量思想解决问题的学习方法，为今后遇到类似问题提供可借鉴思路。装置优点：实验结论更有说服力；通过对照实验，培养了学生的观察、逻辑推理能力；不会因通入气体过快，石灰水溅出试管外。

4  “趣味式”实验装置

在学习“燃烧的条件”时，沪教版教材（第93页）描述物质燃烧一般需要同时满足三个条件：物质具有可燃性；可燃物与氧气接触；可燃物达到燃烧所需的最低温度。由生活经验，学生容易产生可燃物燃烧必须有氧气参加的思维定势。兴趣小组学生按教师提供的图7装置探究镁能否在二氧化碳中燃烧，经实验，镁在二氧化碳中会剧烈燃烧，发出白光、放热、冒白烟，瓶壁有一层白色物质和稀疏黑色物质。兴趣小组学生醍醐灌顶：燃烧不一定有氧气参加，活泼金属（如钾、钠、镁）着火，不能用二氧化碳灭火。实验后，有学生提出疑问：燃烧放出大量的热，集气瓶会不会破裂，能设计更安全的装置吗？小组学生想到用塑料瓶代替集气瓶。经自主思考，生生、师生互动，兴趣小组设计了图8新装置并进行实践活动。

4.1  实验操作

取洁净的无色透明塑料瓶，在离瓶口约1/2处用剪刀剪平，瓶口塞上带导管的橡胶塞，倒置在铁架台的铁圈上，向塑料瓶中加适量水（防止灼热生成物烫坏塑料瓶），持续通入二氧化碳。取5cm打磨好的镁条（不能太长，否则燃烧放出大量的热会烫坏塑料瓶），点燃，缓慢伸入塑料瓶中，现象十分明显，颇为壮观。

4.2  实验优点

现象直观、实验安全，趣味性强。

通过亲身实践、具身体验，学生对“燃烧”条件有更全面、更深刻的认识，发展了他们的批判性思维。依图7实验完后，兴趣小组学生不满足于现成的装置，而是敢于质疑、勇于创新，在教学目标不变的前提下，设计新实验，以达到最优的实践效果。

5  “进阶式”实验装置

二氧化碳与氢氧化钠反应，是氢氧化钠化学性质的核心知识点之一。沪教版和人教版教材皆未设计探究实验，教学效果平平，让学生设计实验，帮助学生理解化学反应本质，意义重大。兴趣小组学生自告奋勇，自行设计实验装置，教师择优展示，见图9。

学生分析装置，氢氧化钠溶液注入锥形瓶中，二氧化碳与氢氧化钠反应，锥形瓶内压强减小，烧杯内的水由导管被吸入锥形瓶内；另一装置中，长导管下端有气泡冒出。教师点评：装置看似很完美，但“美中不足”，按图9装置实验，一定能说明二氧化碳与氢氧化钠反应吗？有无干扰因素？受此点拨，兴趣小组学生领会到需设计一个排除二氧化碳能溶于水且能与水反应的干扰实验。在教师的提示下，学生设计了图10（进阶Ⅰ）新装置，经实践，取得显著的效果。

5.1  实验操作（进阶Ⅰ）

如图10所示，取两个200mL洁净、无色透明软塑料瓶，收集满二氧化碳，向两瓶中分别倒入适量等体积的水、氢氧化钠溶液，扭紧瓶盖，振荡，观察现象。盛水的塑料瓶变瘪，盛氢氧化钠溶液的塑料瓶严重变形。

兴趣小组通过设计不同装置，并逐步完善，学生体验到化学的神奇，发展了他们的“证据推理”和“科学精神”的化学学科核心素养。有位好奇心强的学生提出疑问：生成物什么颜色？能设计呈现生成物的实验吗？新疑问将学生的思维推向新高度，点燃他们想再设计“求异求新”实验的热情，试图揭开反应的“庐山真面目”。通过查阅资料、查寻氢氧化钠信息的“蛛丝马迹”，谜团最终得以解开。

查阅资料：20℃时，氢氧化钠在乙醇中的溶解度为17.3g，而碳酸钠在乙醇中几乎不溶解［5］。兴趣小组学生在交流讨论后，思维的碰撞产生“灵感”，设计了图11（进阶Ⅱ）新装置并实践，成功的喜悦令他们“心潮澎湃”。

5.2  实验操作（进阶Ⅱ）

如图11所示，取一200mL无色透明质地较软的塑料瓶，装上匹配的带导管的橡胶塞，检查气密性；向青霉素瓶中倒入5mL饱和氢氧化钠的乙醇溶液；收集一瓶二氧化碳，塞紧橡胶塞，导管另一端伸入溶液中，用手轻轻捏塑料瓶，导管口有气泡冒出，青霉素瓶中有白色固体析出。装置优点：消耗药品少、操作简便、实现手控二氧化碳的排出，现象明显、直观，符合绿色化学理念，发展了学生的求异思维。创新实验的实施，使复杂的、抽象的、隐性的知识显性化、可视化，便于学生思考，有利于突破學生学习的困难点和障碍点［6］。

6  结语

通过实验设计与实践，不仅能提升学生的学科方法和化学思维水平，也能学会与同伴交流、尊重他人的意见和想法，体验化学的奇妙、严谨和科学，从而提高学科素养。

在化学教学中，教师可围绕核心知识，精选实验内容，对教材中一些抽象的、理论性强的重要知识点，应予以重视，并尝试创新实验设计，为学生搭建一个实践活动的平台，让学生在“做中学”“学中创”，实现从探究到实践的转变。一些农村中学或薄弱学校由于受专用实验室、仪器药品配备不足等因素影响，学生开展实践活动难度较大，教师可引导学生从日常生活用品中寻求替代品，设计有探究意义的实践活动，确保教材8个基本实验开齐、开足、开好，让学生主动参与知识形成的全过程，完成思维过程的自我建构与矫正，促进对知识深刻、系统的理解，真正体现实验的育人功能。

总之，实验创新无止境。将教材中的实验进行优化，创新实验形式或内容［7］，目标是实现实验对培养学生的情感、思维、知识掌握、实践能力等方面的育人功能，使学生的综合实践能力得到有序发展。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社，2022： 4， 46.

［2］吴大挺. 初中化学合作实践性作业的设计与实施［J］. 上海课程教学研究， 2021， （1）： 38～43.

［3］翁庆双， 曾海辉， 贾梦如. 基于“多重论证”的科学实践课堂［J］. 化学教学， 2022， （7）： 32～35.

［4］刘庆华， 何彩霞， 王妩艳. 基于化学学科理解的教学实践［J］. 化学教学， 2022， （9）： 40～45.

［5］刘光启， 马连湘， 刘杰. 化学化工物性数据手册·无机卷［M］. 北京： 化学工业出版社， 2002： 298～379.

［6］余丽荣， 何彩霞. 发展学生思维的课堂教学实践及反思［J］. 化学教与学， 2013， （6）： 28～31.

［7］周广， 李德前. “探究微粒的运动”进阶式实验教学设计［J］. 化学教学， 2022， （4）： 71～74.