利用真实问题情境促进认识思路形成——以“二氧化碳的生平传记”单元教学为例

魏 鸿

（北京市昌平区第一中学 北京 102200）

一、问题的提出

化学教学主旨是发展学生核心素养。《义务教育化学课程标准（2022 年版）》（以下简称新课标）指出：“教师应重视选择和组织体现科学、技术、社会、环境相互关系的内容，紧密联系生活生产实际，使学生能综合运用所学的化学知识解释相关现象和解决有关实际问题”［1］，“通过展现丰富的物质应用事实，引导学生基于物质性质对物质应用进行分析、解释，促进学生‘性质决定用途’观念的形成”［1］。

二氧化碳是学生比较熟悉的物质，在初中化学知识体系中占有重要位置；二氧化碳与日常生活的联系非常紧密，教学中应突出二氧化碳的学习价值，让学生认识到二氧化碳的性质在生活、生产、科技发展、环境保护方面的广泛应用及紧密联系。所以，要深入挖掘有关二氧化碳的情境素材，将核心知识、探究过程的学习融合到真实问题的分析解决中，形成认识和解决问题的思路方法，提高学生化学科学思维及迁移应用能力。

在以往的教学中，“二氧化碳的性质”以几个独立的实验进行展开，学生根据实验现象总结出二氧化碳的性质。学生往往只关注学科知识本身，而不能顺利地进行实际问题的分析和解决［2］，导致二氧化碳的存在、制备、性质、用途、对环境影响等学习内容独立割裂起来，不能全面地建构对物质性质的认识角度，不利于教学目标的落实。

据此，本单元从自身实践出发，阐述促进学生形成认识思路与方法的单元教学实践路径。

二、教学内容与情境素材的选取

二氧化碳是新课标“物质的性质与应用”主题2中的典型代表物之一，是初中化学重要的物质。相关内容涉及以“碳元素”为核心的多种物质，体现物质的多样性特点，物质间的联系及相互转化也体现“元素观”和“变化观”的应用和发展。在二氧化碳的制法、性质、用途等学习过程中，能举例说明物质性质的广泛应用及性质与用途的关系，并结合实例应用性质解决简单的问题。

“二氧化碳的生平传记”单元教学属于新授课，在“物质的多样性”大概念统领下，聚焦化学研究的核心物质，选取二氧化碳的性质与应用、制取与性质实验、科技应用与环境保护等内容，紧密联系实际情境，引导学生从存在、组成、变化、用途等视角认识物质的性质，形成认识物质性质的思路和方法，体会物质性质广泛的应用价值。

本单元教学将二氧化碳这一物质拟人化，通过课时主题把核心知识串联起来，构成有机统一的整体，形成研究物质性质的思路方法。在这个过程中，学生逐渐学会提取信息、实验探究、归纳概括、推理论证等基本方法，提升解决实际问题的综合能力，体现丰富的学科学习价值（见图1）。

图1 “二氧化碳的生平传记”情境素材的教学价值分析

三、单元整体教学目标与思路的设计

1.学情特点

在本单元教学之前，学生对二氧化碳的性质已有了一定认识，比如知道二氧化碳的检验用澄清石灰水、二氧化碳不可燃也不助燃、二氧化碳参与光合作用、二氧化碳充入饮料、产生温室效应等。在氧气的学习中，学生已初步建立研究物质的角度，如存在、性质、用途、制取等，初步形成实验室制取气体的基本思路。在以往的学习实践中，学生已初步具备基于实验探究研究物质性质的能力，能够对实验方案进行简单设计，通过分析推理得到实验结论。学生对“性质决定用途”的学科思想并不陌生，但是还不能应用在实际问题的解决中，还需要强化“用途反映性质”的认知方法。

基于以上分析，确定以下教学目标及教学思路。

2.教学目标

（1）能结合碳循环，依据资料信息、实验现象及元素守恒等化学思想选择制取CO2的试剂，写出反应的化学方程式，进一步确定反应装置，完善实验室制取气体的一般思路。

（2）分析“温室效应”产生的原因，了解海洋酸化造成的危害，探究海洋酸化的本质，能设计对比实验验证CO2与水能反应生成碳酸，掌握CO2与其他含碳物质之间的相互转化。

（3）能结合生活经验和资料信息，体会CO2在实际生活、生产中的应用，并根据应用推测CO2的性质，建立物质的性质、用途之间的重要关系，体会科学地利用物质性质在社会生活中的重要作用，形成合理利用化学物质的意识。

（4）基于“碳达峰”和“碳中和”的目标愿景，了解实现CO2温室气体减排的技术手段，即CO2的捕集、封存与利用。通过分析推理技术方法过程，体会CO2性质的应用对环境保护发挥的重要作用，形成元素观、变化观等化学观念，认识到实际问题的解决需要综合运用各学科知识系统规划，体会化学科学的重要价值。

3.单元整体教学思路

通过对二氧化碳的学习，确立系统研究物质性质的角度，获得利用物质性质解决实际问题的基本思路，引导学生关注生活、环境和技术问题，发展科学和技术融合解决问题的能力，认识到资源综合利用对环境保护的重要作用。单元整体教学流程设计见图2。

图2 单元整体教学流程设计

本单元教学共分为四个课时进行。

第1课时，二氧化碳的“来源”。结合资料中自然界中碳循环图，分析二氧化碳的来源，从生物（动植物呼吸）、生活、工业生产等角度归纳总结。思考实验室如何制取二氧化碳，结合资料（2H++CO23-==== CO2↑+H2O），应用元素守恒从循环图中寻找含碳元素的反应物，通过实验探究选取合适试剂。依据实验室制备气体的三要素（原理、装置、操作）选择合适的实验装置并完成实验操作，对比实验室中氧气制取装置，形成实验室中确定制取气体的装置的思路和方法。

第2课时，二氧化碳的“过”。了解“双碳”政策，结合图片，分析温室效应产生的原理，观看海洋酸化引起的危害视频，探讨CO2引起海洋酸化的原因，推测CO2可能具有的性质。结合资料信息，设计CO2能溶于水及与水反应的实验，小组通过动手实践完成验证。进一步分析海洋酸化引起的珊瑚溶解现象，依据资料分析可能发生的反应，最后用实验进行验证。最后总结CO2和其他含碳物质之间的转化关系。

第3 课时，二氧化碳的“功”。课前查阅有关CO2用途的资料，课上以小组为单位讨论应用是由哪些性质决定的。从熟悉的CO2灭火应用入手，推理不可燃也不助燃的性质，观看CO2灭火视频，进一步推测密度比空气大的性质，根据给出的实验用品（CO2、蜡烛、烧杯等）设计实验验证以上CO2的性质。然后从性质角度分析解释CO2用于制冷、生产碳酸饮料、化工原料的原理，理解“性质决定用途”的学科思想。

第4课时，二氧化碳的“去向”。基于“双碳”目标，阅读资料了解CCUS 技术（指CO2捕集、利用与封存）［3］［4］，推理不同技术方法的原理，结合二氧化碳的性质进行分析和解释，解决具体的实际问题。

四、单元整体教学的实施（以第2课时和第4课时为例）

1.第2课时

【教师】导课：2020 年9 月，习主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上指出，中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。提出问题，为什么要减少CO2的排放？

【学生】课前查阅相关资料，回答：CO2会导致温室效应，使全球气候变暖、南极冰雪融化；还引起海洋酸化，危害海洋生物，甚至使鱼类、珊瑚类死亡等等。

【教师】播放海洋酸化危害的视频。提出问题：CO2为什么会引起海洋酸化？推测CO2可能具有什么性质？

【学生】分析推理：CO2能溶于水并且与水反应。

【教师】给出资料：通常情况下，1体积水能溶解大约1体积CO2，增大压强溶解得更多。提出任务：设计简单实验证明CO2能溶于水。

【学生】小组讨论，设计实验方案。选一个小组代表完成“塑料瓶变瘪”实验。

【教师】提供资料：常温下，溶液pH＞7 为碱性，溶液pH=7为中性，溶液pH＜7为酸性，水为中性。“酸化”意味着海水的pH小于7，H+浓度增大。

提出问题：如何证明CO2与水反应生成酸？

提供资料：紫色石蕊是一种酸碱指示剂，遇酸会变红色，其水溶液被称为石蕊溶液。

实验用品：稀醋酸、4 个干燥紫色石蕊纸花、蒸馏水、2个充满CO2的集气瓶等。

【学生】从前面实验变瘪的塑料瓶中倒出少量溶液于试管中，滴入紫色石蕊溶液，变红说明溶液中有酸，可证明CO2与水发生反应了。

【教师】变瘪的塑料瓶中只有酸一种物质吗？如果不是，分析可能含有哪些物质？

【学生】分析，讨论，明晰塑料瓶中可能使紫色石蕊变红的物质：酸、CO2、水。厘清实验设计思路：①H2O不能使紫色石蕊变红；②CO2不能使紫色石蕊变红；③CO2和H2O 共同作用能使紫色石蕊变红；④醋酸能使紫色石蕊变红，以此验证CO2和H2O反应生成酸。

【教师】展示、评价学生实验方案（如图3）。演示实验方案4（如图4）。（代表水代表醋酸，小花是用紫色石蕊溶液浸湿后又晒干的纸花）

图3 学生实验方案

图4 教师演示实验方案

【教师】反应的化学方程式：CO2+H2OH2CO3。分析、解释：溶于水的CO2少部分与水反应生成碳酸，有少 量 碳 酸 发 生 两 步 电 离：过量的二氧化碳溶入海水，使海水中的H+浓度增大，呈现酸性，出现海洋酸化现象。生活中的“碳酸”饮料名称由此而来，打开饮料瓶盖，出现的大量气泡是二氧化碳，放置时间久了，饮料口感也发生变化，基本没有气泡，是因为碳酸不稳定易分解，又分解为CO2和H2O。演示实验：将变红的石蕊纸花加热，又恢复为紫色。

海洋酸化为何使珊瑚等溶解呢？继续结合资料思考。

【教师】提供资料：海洋酸化导致钙化生物的碳酸钙饱和度下降而严重影响生物钙化活动；海洋钙化生物的钙化结构一般位于体表，直接暴露于海水中的较高分压CO2环境中，更易受海洋酸化的影响［5］。

演示实验：将CO2通入澄清石灰水中，先变浑浊，继续通入过量，变为澄清。写出涉及的化学方程式：

【总结】梳理CO2和其他含碳物质间的转化关系。

这些转化是自然界和海洋中的碳循环的重要反应，体现了二氧化碳的多个化学性质。可见，人们利用其性质为生活需求提供资源的同时也给环境造成了影响。

2.第4课时

【教师】二氧化碳对社会发展有“利”有“弊”，但是温室气体的过量排放引起的全球气候变暖，被认为是人类社会面临的最严重挑战。如何减少CO2的排放呢？

【学生】植树造林、使用新能源替代化石能源、加强监测减少排放等。

【教师】给出资料：二氧化碳的捕集、利用和封存（CCUS）技术，展示CCUS 技术示意图。提出问题：捕集二氧化碳的方法有生物法、物理吸收法、化学吸收法等，利用技术有矿化利用、地质利用等，封存技术主要有深海封存、地质封存等。推测以上技术依据什么原理？

【学生】交流、讨论。得出结论：生物捕集法利用植物光合作用；物理吸收法、深海封存可能利用其溶解性，并且与水能反应的性质；化学吸收法利用化学反应，比如与石灰水反应。化学利用可能是通过化学反应生成某些有机物，比如甲醇。

【教师】讲述、分析。类比CO2与Ca（OH）2反应，引导学生书写CO2与NaOH反应的化学方程式。展示二氧化碳的化学利用途径，分析含碳物质间的转化，书写CO2与氢气、氧化镁等反应的化学方程式。结合二氧化碳驱油技术原理的图片，分析地质封存的原理。

【教师】与学生一起总结CCUS的技术利用与二氧化碳的性质、用途（影响）间的关系，如图5。

图5 CCUS技术应用与CO2性质（组成）、用途（影响）之间的关系

五、单元整体教学反思

通过课堂观察、课后访谈、课后作业等反馈，大多数学生对实验室制取气体的一般思路、CO2的性质和用途掌握较好，能理解物质性质和用途之间的关系；能客观看待CO2利弊两个方面，认识到过度排放CO2对环境产生的影响，更加增强了环保意识。在单元教学设计和实施过程中，有两点深刻体会：

一是注重真实情境与单元内容的整合，促进学生认知思路的形成。

本次教学实践，选取的情境素材不仅取自生活实际、生产应用，还源于环境保护、科技发展等，紧紧围绕着二氧化碳的性质展开探讨，从来源、组成、变化、用途等角度深入认识其性质。尤其面对海洋酸化、二氧化碳“减排”技术等真实问题时，学生被迫利用对物质性质的认识思路解决实际问题，认识到合理使用化学物质对社会发展的重要意义。

二是注重大概念引领下单元内容的整体设计，促进学生核心素养的发展。

本单元设计打破了教材中单元内容结构，以“物质的多样性”大概念为统领，把二氧化碳的制取、性质、用途、对环境影响等核心知识联系真实情境进行重构，不仅增强学生兴趣、激发学生积极思考，还促进化学观念和思维方式的形成。比如，CCUS 技术原理的分析也体现了跨学科知识的融合，渗透生物学、物理学、地理学等学科知识，提高学生多学科视角下解决实际问题的能力。有关碳酸电离的教学内容，也为学生实现初高中贯通学习打下基础。所以，大概念引领的单元教学有利于实现知识的结构化和素养化。