促學(xué)生思維發(fā)展 將探究進(jìn)行到底

蔡雙兵

摘要：對(duì)實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的藥品選擇多角度進(jìn)行了分析，包括控制反應(yīng)速度的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)，三種版本教材的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化選擇。

關(guān)鍵詞：動(dòng)手實(shí)驗(yàn)；思維發(fā)展；研讀教材；探究

文章編號(hào)：1008-0546（2014）05-0069-03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2014.05.026

幾年前，看到特級(jí)教師繆徐老師的一節(jié)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(gè)細(xì)節(jié)我也一直在學(xué)著用，其中對(duì)藥品和反應(yīng)原理的探究，用得最是得心應(yīng)手。繆老師在藥品和反應(yīng)原理選擇采用了這樣幾步：①提問：在我們所學(xué)過的反應(yīng)中，有哪些反應(yīng)可以產(chǎn)生二氧化碳呢？實(shí)驗(yàn)室能選用這些反應(yīng)來制備二氧化碳嗎？②師生活動(dòng)（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(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的可能性。③學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，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(yīng)，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比，重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)生氣體的速度，綜合分析，選擇石灰石和稀鹽酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳?xì)怏w是比較適合的選擇。

變化在于，稀鹽酸和碳酸鈉的反應(yīng)，在質(zhì)量守恒定律教學(xué)時(shí)，學(xué)生進(jìn)行了分組實(shí)驗(yàn)，印象比較深刻。所以，每次學(xué)生回顧能產(chǎn)生二氧化碳的反應(yīng)時(shí)，都會(huì)說出這個(gè)反應(yīng)。而我采取的方法是，把這個(gè)實(shí)驗(yàn)重新演示一遍，并特意把碳酸鈉粉末放得較少，當(dāng)稀鹽酸快速倒入時(shí)，產(chǎn)生的氣體快速?zèng)_出，很快恢復(fù)平靜。而我，心安理得的宣布：反應(yīng)速度太快了，同學(xué)們沒辦法控制，實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳?xì)怏w，肯定不能用這個(gè)反應(yīng)。學(xué)生表示接受。但我決定來一次改變。

一、巧抓“意外”，促學(xué)生思維發(fā)展

學(xué)生實(shí)驗(yàn)儀器：試管、鐵架臺(tái)、帶導(dǎo)管的單孔橡皮塞、集氣瓶、藥匙、火柴、燒杯；學(xué)生實(shí)驗(yàn)藥品：大理石、稀鹽酸（1∶2）、碳酸鈉、澄清石灰水課堂上，學(xué)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(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的可行性，唯獨(dú)對(duì)碳酸鈉和稀鹽酸的反應(yīng)，實(shí)在找不到合適的理由來否定，認(rèn)為這是很好的一個(gè)選擇。我決定，給學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，感受速度太快，不適合實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳。只不過，我把這個(gè)實(shí)驗(yàn)安排在討論完實(shí)驗(yàn)裝置后。

探究活動(dòng)：請(qǐng)同學(xué)們針對(duì)這個(gè)反應(yīng)，利用我們的實(shí)驗(yàn)儀器，自己組裝一套可以制取二氧化碳的實(shí)驗(yàn)裝置。學(xué)生經(jīng)過研究、討論，認(rèn)為圖1裝置適合。

利用如圖1的裝置，討論實(shí)驗(yàn)步驟：①按要求連接好實(shí)驗(yàn)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(yàn)滿氣體。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：按照步驟，制取一瓶二氧化碳?xì)怏w。

意料之中的實(shí)驗(yàn)過程：①部分同學(xué)碳酸鈉放的較少，等稀鹽酸放完，還沒來得及塞橡皮塞的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)已經(jīng)停止了；②部分同學(xué)碳酸鈉放得比較多，等稀鹽酸倒入的時(shí)候，產(chǎn)生的氣體迅速往外沖，根本無法進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

意料之外的實(shí)驗(yàn)分析：引導(dǎo)學(xué)生反思，通過實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們覺得這個(gè)反應(yīng)能用來制取二氧化碳嗎？本來，我是希望學(xué)生回答，反應(yīng)速度太快了，根本不適合實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳?xì)怏w。但學(xué)生的回答，主要來自兩個(gè)方面：①實(shí)驗(yàn)前沒有計(jì)算好碳酸鈉的用量，根據(jù)集氣瓶規(guī)格125mL，查閱二氧化碳的密度，結(jié)合實(shí)驗(yàn)損耗，需要的碳酸鈉的用量約1g多一點(diǎn)，這樣便于控制。②這個(gè)反應(yīng)速度太快了，建議研究控制反應(yīng)速度的方法，實(shí)驗(yàn)裝置需改進(jìn)。

我將計(jì)就計(jì)，隨即設(shè)計(jì)一個(gè)探究活動(dòng)：討論，研究可以控制產(chǎn)生氣體速度的實(shí)驗(yàn)裝置。學(xué)生經(jīng)過討論，三套裝置產(chǎn)生，分別如圖2、圖3、圖4所示。

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析圖2裝置，開始反應(yīng)時(shí)所加鹽酸的量較少，長(zhǎng)頸漏斗下端不能液封，要想達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模€需要進(jìn)一步改進(jìn)，圖3、圖4所示裝置比較適合。

目前為止，雖然未能探究出實(shí)驗(yàn)藥品，但對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的選擇做了深入研究。教師演示，根據(jù)速度太快直接進(jìn)行否定，改變成學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究，設(shè)計(jì)可控的實(shí)驗(yàn)操作，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹１砻嫔峡矗c這節(jié)課的主要知識(shí)目標(biāo)有偏離，但給學(xué)生提供了一次自主深入探究的機(jī)會(huì)，促進(jìn)了學(xué)生的思維發(fā)展。

但一個(gè)新問題擺在我的面前，教材上為什么要說實(shí)驗(yàn)室用大理石（或石灰石）和稀鹽酸反應(yīng)制取二氧化碳?xì)怏w呢？ 排除碳酸鈉和稀鹽酸的反應(yīng)真的只是因?yàn)閮烧叻磻?yīng)速度太快？

二、研讀教材，反思教學(xué)過程

我對(duì)現(xiàn)行九年級(jí)常用的三種版本的化學(xué)教材進(jìn)行了分析，并把實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳?xì)怏w和實(shí)驗(yàn)室采用過氧化氫制取氧氣進(jìn)行了對(duì)比，主要內(nèi)容見附表1。

從文字說明來看，三種版本教材中，對(duì)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(yīng)，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(dá)，從這個(gè)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(shí)驗(yàn)裝置的選擇來看，三種版本教材未對(duì)利用大理石和稀鹽酸反應(yīng)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(yīng)速度，獲得平穩(wěn)氣流。

從利用過氧化氫制取氧氣的反應(yīng)來看，三種版本對(duì)這種反應(yīng)速度比較快的反應(yīng)，都采用了可以控制反應(yīng)速度的發(fā)生裝置，說明產(chǎn)生氣體的速度問題，是制取氣體時(shí)需要考慮的一個(gè)因素，但只要速度在可控范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)還是具備可行性。在這基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了一次對(duì)比實(shí)驗(yàn)（每次滴加液體的時(shí)候，控制相同的滴加速度）。詳見附表2。

通過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，利用碳酸鈉和稀鹽酸產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w的速度，和利用6%過氧化氫制取氧氣的速度相當(dāng)，遠(yuǎn)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(yīng)速度的角度排除這個(gè)反應(yīng)用作實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的可行性。

那學(xué)生如何能理解實(shí)驗(yàn)室常用大理石和稀鹽酸來制取二氧化碳?xì)怏w呢？

三、優(yōu)化方案，將探究進(jìn)行到底endprint

設(shè)問：通過剛才的實(shí)驗(yàn)和探究，我們已經(jīng)能夠控制碳酸鈉和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氣體的速度。同學(xué)們想想，為什么碳酸鈉粉末和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氣體速度很快呢？

探究活動(dòng)：討論，分析得出結(jié)論，與接觸面積有關(guān)，若能減小固體物質(zhì)的接觸面積，也能降低反應(yīng)速度。在教師點(diǎn)撥下，碳酸鈉易溶于水，可以尋找難溶于水的固體物質(zhì)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，于是大理石（或石灰石）便從幕后走到臺(tái)前，由學(xué)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(yīng)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，得出塊狀大理石與稀鹽酸反應(yīng)速度稍慢點(diǎn)，利用如圖1的裝置便可以控制，從實(shí)驗(yàn)操作角度看，塊狀大理石是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

那利用塊狀大理石制取二氧化碳?xì)怏w，還有其他原因嗎？

1.學(xué)生討論分析，可能與藥品價(jià)格有關(guān)。于是，利用班級(jí)的多媒體電腦，現(xiàn)場(chǎng)通過網(wǎng)絡(luò)查詢，同一網(wǎng)絡(luò)賣家， 500g/瓶的碳酸鈉（工業(yè)級(jí)，下同），價(jià)格8.5元/瓶；500g/瓶的大理石，價(jià)格8元/瓶。同時(shí)，我又下載了我校2013年化學(xué)儀器藥品申報(bào)清單，500g/瓶的碳酸鈉，價(jià)格7元/瓶；500g/瓶的大理石，價(jià)格5元/瓶。綜上，實(shí)驗(yàn)室利用大理石來制取二氧化碳?xì)怏w，藥品成本略低。

2.學(xué)生討論分析，可能與消耗藥品的用量有關(guān)。于是，通過利用化學(xué)方程式的計(jì)算，制取相同量的二氧化碳?xì)怏w，消耗的碳酸鈉的質(zhì)量多于碳酸鈣的質(zhì)量。但由于大理石中含有雜質(zhì)，所以，單純從質(zhì)量角度難以比較使用碳酸鈉和大理石的優(yōu)劣。

3. 學(xué)生討論分析，反應(yīng)結(jié)束后，剩余的大理石還以固體物質(zhì)的形式存在于容器中，只要簡(jiǎn)單的把容器中的液體藥品倒出，大理石就可以繼續(xù)使用，操作簡(jiǎn)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(dāng)然，也有資料認(rèn)為，稀鹽酸和碳酸鈉反應(yīng)，開始轉(zhuǎn)化為碳酸氫鈉，沒有多少氣泡出現(xiàn)，鑒于學(xué)生目前的認(rèn)知水平，現(xiàn)階段不進(jìn)行探究。綜合幾種因素考慮，實(shí)驗(yàn)室利用大理石（或石灰石）與稀鹽酸反應(yīng)制取二氧化碳?xì)怏w，有一定的優(yōu)勢(shì)，從方案的最優(yōu)化角度考慮，實(shí)驗(yàn)室一般不用碳酸鈉粉末和稀鹽酸反應(yīng)制取二氧化碳。同時(shí)，還要教會(huì)學(xué)生用發(fā)展的眼光看待問題，多少年前，由于碳酸鈉的產(chǎn)量少，所以價(jià)格較貴；而大理石、石灰石相對(duì)廉價(jià)易得。選用大理石的主要原因還是沿襲了歷史習(xí)慣。

教學(xué)過程中，應(yīng)該尊重學(xué)生的主體地位，利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生有更多動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，在實(shí)驗(yàn)過程中，與學(xué)生舊知“矛盾”的出現(xiàn)，能有效激發(fā)學(xué)生的探究欲望。當(dāng)生成和預(yù)設(shè)不一致時(shí)，教師應(yīng)該當(dāng)好引導(dǎo)者的角色，給學(xué)生展示的舞臺(tái)。事實(shí)上，整個(gè)過程的探究，也完全改變了教師的認(rèn)知，充分認(rèn)識(shí)到原先舍棄碳酸鈉用于制取二氧化碳是因?yàn)樗俣忍斓腻e(cuò)誤認(rèn)識(shí)。在整個(gè)教學(xué)過程中，看似研究碳酸鈉和稀鹽酸的反應(yīng)，沖淡了本節(jié)課的主題，但是，整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生思維得到了發(fā)展，對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)能力得到了提高。作為化學(xué)教學(xué)者，我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在教會(huì)學(xué)生知識(shí)的同時(shí)，更要注重學(xué)生質(zhì)疑和探究能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 繆徐. “二氧化碳制取的研究”教學(xué)設(shè)計(jì)及點(diǎn)評(píng)[J]. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2009，（3）：18～21endprint