促學生思維發展 將探究進行到底

蔡雙兵

摘要：對實驗室制取二氧化碳的藥品選擇多角度進行了分析，包括控制反應速度的實驗裝置設計，三種版本教材的對比，實驗方案的優化選擇。

關鍵詞：動手實驗；思維發展；研讀教材；探究

文章編號：1008-0546（2014）05-0069-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.026

幾年前，看到特級教師繆徐老師的一節全國賽課的錄像和教案——《二氧化碳制取的研究》，依葫蘆畫瓢，幾個細節我也一直在學著用，其中對藥品和反應原理的探究，用得最是得心應手。繆老師在藥品和反應原理選擇采用了這樣幾步：①提問：在我們所學過的反應中，有哪些反應可以產生二氧化碳呢？實驗室能選用這些反應來制備二氧化碳嗎？②師生活動（投影），議一議，逐一否定木炭燃燒、石蠟燃燒、木炭還原氧化銅、木炭還原氧化鐵等反應用于實驗室制取二氧化碳的可能性。③學生分組實驗，碳酸鈉粉末和稀鹽酸、石灰石和稀鹽酸、石灰石和稀硫酸反應，通過實驗現象的對比，重點關注產生氣體的速度，綜合分析，選擇石灰石和稀鹽酸進行實驗室制取二氧化碳氣體是比較適合的選擇。

變化在于，稀鹽酸和碳酸鈉的反應，在質量守恒定律教學時，學生進行了分組實驗，印象比較深刻。所以，每次學生回顧能產生二氧化碳的反應時，都會說出這個反應。而我采取的方法是，把這個實驗重新演示一遍，并特意把碳酸鈉粉末放得較少，當稀鹽酸快速倒入時，產生的氣體快速沖出，很快恢復平靜。而我，心安理得的宣布：反應速度太快了，同學們沒辦法控制，實驗室制取二氧化碳氣體，肯定不能用這個反應。學生表示接受。但我決定來一次改變。

一、巧抓“意外”，促學生思維發展

學生實驗儀器：試管、鐵架臺、帶導管的單孔橡皮塞、集氣瓶、藥匙、火柴、燒杯；學生實驗藥品：大理石、稀鹽酸（1∶2）、碳酸鈉、澄清石灰水課堂上，學生像以往一樣，逐一否定了木炭燃燒、石蠟燃燒、木炭還原氧化銅、木炭還原氧化鐵、呼吸作用等用于實驗室制取二氧化碳的可行性，唯獨對碳酸鈉和稀鹽酸的反應，實在找不到合適的理由來否定，認為這是很好的一個選擇。我決定，給學生動手實驗，讓學生通過實驗，感受速度太快，不適合實驗室制取二氧化碳。只不過，我把這個實驗安排在討論完實驗裝置后。

探究活動：請同學們針對這個反應，利用我們的實驗儀器，自己組裝一套可以制取二氧化碳的實驗裝置。學生經過研究、討論，認為圖1裝置適合。

利用如圖1的裝置，討論實驗步驟：①按要求連接好實驗儀器②檢查裝置的氣密性③裝入藥品（先碳酸鈉粉末，后稀鹽酸）④收集并驗滿氣體。

學生實驗：按照步驟，制取一瓶二氧化碳氣體。

意料之中的實驗過程：①部分同學碳酸鈉放的較少，等稀鹽酸放完，還沒來得及塞橡皮塞的時候，發現反應已經停止了；②部分同學碳酸鈉放得比較多，等稀鹽酸倒入的時候，產生的氣體迅速往外沖，根本無法進行下一步實驗。

意料之外的實驗分析：引導學生反思，通過實驗，同學們覺得這個反應能用來制取二氧化碳嗎？本來，我是希望學生回答，反應速度太快了，根本不適合實驗室制取二氧化碳氣體。但學生的回答，主要來自兩個方面：①實驗前沒有計算好碳酸鈉的用量，根據集氣瓶規格125mL，查閱二氧化碳的密度，結合實驗損耗，需要的碳酸鈉的用量約1g多一點，這樣便于控制。②這個反應速度太快了，建議研究控制反應速度的方法，實驗裝置需改進。

我將計就計，隨即設計一個探究活動：討論，研究可以控制產生氣體速度的實驗裝置。學生經過討論，三套裝置產生，分別如圖2、圖3、圖4所示。

引導學生進一步分析圖2裝置，開始反應時所加鹽酸的量較少，長頸漏斗下端不能液封，要想達到實驗目的，還需要進一步改進，圖3、圖4所示裝置比較適合。

目前為止，雖然未能探究出實驗藥品，但對實驗裝置的選擇做了深入研究。教師演示，根據速度太快直接進行否定，改變成學生通過實驗探究，設計可控的實驗操作，從而達到實驗目的。表面上看，與這節課的主要知識目標有偏離，但給學生提供了一次自主深入探究的機會，促進了學生的思維發展。

但一個新問題擺在我的面前，教材上為什么要說實驗室用大理石（或石灰石）和稀鹽酸反應制取二氧化碳氣體呢？ 排除碳酸鈉和稀鹽酸的反應真的只是因為兩者反應速度太快？

二、研讀教材，反思教學過程

我對現行九年級常用的三種版本的化學教材進行了分析，并把實驗室制取二氧化碳氣體和實驗室采用過氧化氫制取氧氣進行了對比，主要內容見附表1。

從文字說明來看，三種版本教材中，對二氧化碳制取的藥品選擇，雖然都采用了大理石（或石灰石）與稀鹽酸反應，但采用的都是“常用”或者“可以”之類的詞語，沒有看到唯一性的表達，從這個角度來說，并沒有排除碳酸鈉和稀鹽酸制取二氧化碳的可行性。

從實驗裝置的選擇來看，三種版本教材未對利用大理石和稀鹽酸反應的速度控制作出明顯的要求，只有魯教版采用分液漏斗可以明顯控制反應速度，獲得平穩氣流。

從利用過氧化氫制取氧氣的反應來看，三種版本對這種反應速度比較快的反應，都采用了可以控制反應速度的發生裝置，說明產生氣體的速度問題，是制取氣體時需要考慮的一個因素，但只要速度在可控范圍內，實驗還是具備可行性。在這基礎上，又進行了一次對比實驗（每次滴加液體的時候，控制相同的滴加速度）。詳見附表2。

通過實驗得出結論，利用碳酸鈉和稀鹽酸產生二氧化碳氣體的速度，和利用6%過氧化氫制取氧氣的速度相當，遠低于利用15%過氧化氫制取氧氣的速度，說明，不能單純從反應速度的角度排除這個反應用作實驗室制取二氧化碳的可行性。

那學生如何能理解實驗室常用大理石和稀鹽酸來制取二氧化碳氣體呢？

三、優化方案，將探究進行到底endprint

設問：通過剛才的實驗和探究，我們已經能夠控制碳酸鈉和稀鹽酸反應產生氣體的速度。同學們想想，為什么碳酸鈉粉末和稀鹽酸反應產生氣體速度很快呢？

探究活動：討論，分析得出結論，與接觸面積有關，若能減小固體物質的接觸面積，也能降低反應速度。在教師點撥下，碳酸鈉易溶于水，可以尋找難溶于水的固體物質進行對比實驗，于是大理石（或石灰石）便從幕后走到臺前，由學生的分組探究塊狀大理石和粉狀大理石與相同量稀鹽酸反應，通過對實驗現象的觀察，得出塊狀大理石與稀鹽酸反應速度稍慢點，利用如圖1的裝置便可以控制，從實驗操作角度看，塊狀大理石是個不錯的選擇。

那利用塊狀大理石制取二氧化碳氣體，還有其他原因嗎？

1.學生討論分析，可能與藥品價格有關。于是，利用班級的多媒體電腦，現場通過網絡查詢，同一網絡賣家， 500g/瓶的碳酸鈉（工業級，下同），價格8.5元/瓶；500g/瓶的大理石，價格8元/瓶。同時，我又下載了我校2013年化學儀器藥品申報清單，500g/瓶的碳酸鈉，價格7元/瓶；500g/瓶的大理石，價格5元/瓶。綜上，實驗室利用大理石來制取二氧化碳氣體，藥品成本略低。

2.學生討論分析，可能與消耗藥品的用量有關。于是，通過利用化學方程式的計算，制取相同量的二氧化碳氣體，消耗的碳酸鈉的質量多于碳酸鈣的質量。但由于大理石中含有雜質，所以，單純從質量角度難以比較使用碳酸鈉和大理石的優劣。

3. 學生討論分析，反應結束后，剩余的大理石還以固體物質的形式存在于容器中，只要簡單的把容器中的液體藥品倒出，大理石就可以繼續使用，操作簡單。從綠色化的角度分析，液體藥品中主要含氯化鈣，便于回收處理。

當然，也有資料認為，稀鹽酸和碳酸鈉反應，開始轉化為碳酸氫鈉，沒有多少氣泡出現，鑒于學生目前的認知水平，現階段不進行探究。綜合幾種因素考慮，實驗室利用大理石（或石灰石）與稀鹽酸反應制取二氧化碳氣體，有一定的優勢，從方案的最優化角度考慮，實驗室一般不用碳酸鈉粉末和稀鹽酸反應制取二氧化碳。同時，還要教會學生用發展的眼光看待問題，多少年前，由于碳酸鈉的產量少，所以價格較貴；而大理石、石灰石相對廉價易得。選用大理石的主要原因還是沿襲了歷史習慣。

教學過程中，應該尊重學生的主體地位，利用化學實驗教學的優勢，讓學生有更多動手實驗的機會，在實驗過程中，與學生舊知“矛盾”的出現，能有效激發學生的探究欲望。當生成和預設不一致時，教師應該當好引導者的角色，給學生展示的舞臺。事實上，整個過程的探究，也完全改變了教師的認知，充分認識到原先舍棄碳酸鈉用于制取二氧化碳是因為速度太快的錯誤認識。在整個教學過程中，看似研究碳酸鈉和稀鹽酸的反應，沖淡了本節課的主題，但是，整個教學過程中，學生思維得到了發展，對實驗的設計能力得到了提高。作為化學教學者，我們也應該認識到，在教會學生知識的同時，更要注重學生質疑和探究能力的培養。

參考文獻

[1] 繆徐. “二氧化碳制取的研究”教學設計及點評[J]. 中學化學教學參考，2009，（3）：18～21endprint