由一道中考試題引發的科學探究課例

汪國華 徐泓

摘要：對一道中考選擇題B選項解析的質疑與討論，引發了學生“用37%的濃鹽酸與石灰石反應，把產生的氣體通入飽和石灰水中，以證明此解析是錯誤的”科學探究活動，在探究過程中又產生了新的疑問，這些生成性問題又引發了一系列深入探究活動。

關鍵詞：中考試題;科學探究;課例;數字化實驗

文章編號：1008-0546（2020）09-0048-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

一、課題緣由

2008年某市的一道中考試題，具體題目如下。

下列實驗設計及操作其現象足以說明結論的是（ ）

原題對選項B的解析是濃鹽酸易揮發，它與大理石反應放出的二氧化碳氣體中會混有氯化氫氣體，將該氣體通入澄清石灰水時，氯化氫溶于水得到鹽酸，先與石灰水反應，干擾了二氧化碳與石灰水的反應，所以始終不渾濁，故不能證明石灰水一定變質。

將濃鹽酸和大理石反應產生的氣體通入澄清石灰水，澄清石灰水真的不變渾濁嗎？針對此問題筆者設計了如下一節科學探究課。

二、課例設計與課堂探究過程實錄

1.教學目標

（1）能用二氧化碳、鹽酸的性質定性解釋相關實驗現象，進一步鞏固二氧碳能與石灰水反應及鹽酸能與碳酸鈣、氫氧化鈣反應的性質。

（2）通過探究，知道定性研究、定量研究都是化學研究的重要方式，培養大膽質疑、實事求是的科學態度，體會合作探究的樂趣。

2.教學重點和難點

重點：二氧碳與石灰水的反應、鹽酸與碳酸鈣的反應、鹽酸與氫氧化鈣的反應。

難點：實驗方案的優化、落實及實驗現象的分析。

3.探究過程及實錄

（1）探究活動一：用濃鹽酸制得的二氧化碳能不能使石灰水變渾濁？

環節一：展示問題，提出猜想。

呈現問題1：實驗室用稀鹽酸與石灰石反應制二氧化碳，為什么不能用濃鹽酸？

學生回答：濃鹽酸有揮發性，制得的二氧化碳因含氯化氫氣體而不純。

呈現問題2：那么如果把濃鹽酸與石灰石反應制得的氣體通入石灰水會有什么現象？猜測的理由？

學生回答1：變渾濁，因為二氧化碳與石灰水反應而變渾濁。

學生回答2：不變渾濁，因為反應放出的二氧化碳氣體中會混有氯化氫氣體，將該氣體通入澄清石灰水時，氯化氫溶于水得到鹽酸，先與石灰水反應，干擾了二氧化碳與石灰水的反應，所以始終不渾濁。

展示2008年某市中考試卷中有關此題，并引用本卷答案中對B選項的分析，再次請學生對問題2進行猜測。

設計意圖：從問題提出到猜測，到理論分析，最后展示“權威發布”即2008年某市中考題中與此問題相關的題目及相關答案解析。一部分學生的猜測與“權威發布”不同，堅持自己的意見還是反對權威？大部分學生的猜測與“權威發布”相同，強化了自己的觀點。創設一個相信還是質疑“權威”的氛圍，從而引發學生的探究欲望。

環節二：設計實驗方案、進行實驗并記錄現象。

學生方案1：裝置是實驗室制二氧化碳，并將產生的二氧化碳氣體通入石灰水。

學生方案2：在方案1的基礎上加上尾氣處理裝置，即在制取的氣體通入石灰水后，尾氣再通入氫氧化鈉溶液中。

教師檢查各組實驗方案，在不危及安全的前提下，讓學生盡可能采用自己設計的方案進行實驗。

為學生提供了37%的濃鹽酸、飽和的石灰水等藥品。如石灰水出現明顯渾濁就可停止通入氣體。注意提醒部分沒有尾氣處理裝置的小組，做此實驗時應同時開啟實驗室通風裝置。

現象1：一部分學生在石灰水明顯渾濁后立即停止通入氣體，但振蕩后又變澄清。

現象2：一部分學生在石灰水明顯渾濁后仍繼續通氣體，看到石灰水渾濁后又變澄清。

設計意圖：通過開放性的教學設計，給學生進行自主探究的空間，即使學生用不完善的實驗方案，甚至失敗的實驗方案進行實驗，他們從中所獲得的體驗更能體現科學探究本身的價值和魅力。

環節三：得出結論，反思交流。

各小組展示自己的實驗方案、實驗現象、實驗結論及反思。

得出結論：用濃鹽酸與石灰石制得的氣體通入飽和石灰水，石灰水也能變渾濁。

反思交流：本實驗需要進行尾氣處理，否則揮發出來的HCI會污染環境。

學生疑問1：制取的氣體中有二氧化碳也有HCl，通入飽和的石灰水變渾濁，說明二氧化碳與氫氧化鈣反應了，鹽酸不與氫氧化鈣反應嗎？

學生疑問2：制取的氣體中有二氧化碳也有HCl，通入飽和的石灰水變渾濁，說明二氧化碳與氫氧化鈣反應了，鹽酸不與新生成的碳酸鈣反應嗎？

學生疑問3：以上實驗中，在石灰水明顯渾濁后振蕩或繼續通氣體為什么都會變澄清。

設計意圖：學生體會自己實驗后得出結論并取得成功的快樂，學會與他人分享，同時學會對以上兩種實驗方案進行比較，切身體會并知道實驗方案評價、分析、比較和優化的意義。同時體會發現問題的樂趣與成就感，進一步激發進行科學探究的欲望。

針對上述生成性問題，引發了進一步探究。

（2）探究活動二：上述實驗中進入飽和石灰水中的鹽酸是否發生了反應？

環節1：設計方案。

學生方案1：以上反應中，渾濁最明顯時在液體中加鐵絲。

學生方案2：以上反應中，渾濁最明顯時在液體中滴石蕊試液。

學生方案3：以上反應中，渾濁最明顯時用pH試紙測液體的pH。

學生方案4：用pH傳感器測以上反應過程中的飽和石灰水的pH變化。

學生展示各小組方案，然后對比、分析、評價，優化實驗方案。

設計意圖：在體會上次實驗設計的得失之后，學生這次實驗設計時考慮得更全面也更周到。

環節2：進行實驗，觀察并記錄現象。

由于學生方案2、3、4本質上都與溶液的pH相關，優化后我們采用了學生方案1和學生方案4進行定性實驗與定量實驗。

學生方案1：中的鐵絲表面并未出現氣泡。

學生方案4：在環境溫度為5℃，相對濕度為80%，大氣壓強為102.4kPa的室內條件下，用適量37%的濃鹽酸和大理石反應，把生成的氣體通入飽和的澄清石灰水，同時用SWR iLab pH傳感器監測石灰水的pH隨時間的變化情況，獲得的實驗數據見圖1。

通過以上實驗發現在30s左右石灰水渾濁最明顯，此時溶液pH約為12.0，溶液仍呈堿性，在80s左右液體完全變澄清，此時溶液pH約為8.6。

環節3：解釋結論、反思與交流。

①解釋結論

在30s左右，測得pH約為12.0，溶液仍呈堿性，說明鹽酸也參加了反應，但鹽酸并未把氫氧化鈣反應完，仍有一部分氫氧化鈣與二氧化碳反應，所以才會出現渾濁現象，若渾濁后繼續通氣體，溶液的pH會下降，進入的鹽酸會與碳酸鈣反應，渾濁又變澄清。在30s左右渾濁非常明顯，若此時停止通氣體并振蕩渾濁消失，原因是液體中仍有未來得及反應的二氧化碳，振蕩后二氧化碳氣體繼續與碳酸鈣與水反應導致的。

②教師展示定量計算的結果

已知0℃時Ca（OH）2的溶解度是0.18g，在此溫度下，Ca（OH）2飽和溶液的溶質質量分數約為0.18%。因此取10mL 0℃時的飽和石灰水，其中溶質Ca（OH）2的質量約有0.018g。0℃常壓下，二氧化碳的密度約為0.00196g/mL，HCI氣體的密度約為0.00163g/mL

由理論計算可知，在標準狀況下，如果把混合氣體通入飽和石灰水，則氯化氫和二氧化碳至少要以2：1的體積比混合，石灰水才可能不變渾濁。

③反思與交流

教師：通過以上實驗及理論計算，能不能因此判斷課前展示的2008年某市中考題對B選項的解釋一定是錯的？

學生1：不能，我們實驗用的是飽和的石灰水，而那道中考題的B選項并未指明是不是飽和的石灰水，我們可用不同濃度的石灰水做對比實驗以判斷其解釋是否合理。

針對上述生成性問題，引發了進一步探究。

設計意圖：學生自己發現問題，并對此問題進行探究，體驗發現者與探究者的樂趣，通過定性與定量相結合的方法進行探究，了解化學研究方法的多樣性。

（3）探究活動三：用濃鹽酸制得的二氧化碳通入不同濃度的石灰水會有什么現象？

環節一：設計實驗方案并實驗。

把用37%濃鹽酸與石灰石制得的氣體分別通入飽和石灰水與水的體積比為1：1和1：5的兩種石灰水中，發現前者渾濁，后者不變渾濁。說明石灰水的濃度較小時，的確會出現某市中考題B選項的現象。

環節二：本節探究活動交流總結。

你在這節課中有哪些收獲？仍有哪些疑問？還想探究哪些問題？

學生1：我們不能盲目迷信“權威”，要會用實驗去檢驗“權威”的科學性。

學生2：實驗室的確不能用濃鹽酸制二氧化碳，不僅制得的氣體不純干擾二氧化碳的性質實驗同時也會造成環境污染。

學生3：理論計算也是一種重要的研究方法。

學生4：上述實驗中用濃鹽酸制得的二氧化碳中HCI氣體的含量是多少？

學生5：我想研究溫度對以上實驗有何影響。

學生6：鹽酸濃度對上述實驗有什么影響？

學生7：實驗室制二氧化碳，用多大濃度的鹽酸較好？

設計意圖：進一步激發學生進行科學探究的欲望，感受探究的樂趣，并為下一次科學探究活動提供素材。

三、教學感悟與反思

（1）該案例從看似學生熟悉的“實驗室為什么不能用濃鹽酸制二氧化碳”這個問題出發，并通過展示2008年某市一中考題及相關答案解析創設真實情境，引發學生的質疑和思考，激發學生挑戰“權威”的欲望，再聚集到“用濃鹽酸制得的二氧化碳能不能使石灰水變渾濁”這一探究任務，他們的學習興趣和探究欲望此時被激發。在學生完成第一段探究后，得出用濃鹽酸制得的二氧化碳能使飽和石灰水變渾濁這一結論，但探究并沒有結束，學生在探究過程中又產生了新的問題，進入飽和石灰水的鹽酸去了哪兒？與氫氧化鈣或碳酸鈣反應了嗎？渾濁為什么變澄清？這些生成性問題又引發了更深入的探究。學生采用定性和定量兩種方案證明進入飽和石灰水的鹽酸的確發生了反應，并通過理論計算進一步證明若使飽和石灰水不變渾濁混合氣體中二氧化碳與氯化氫氣體的體積比。最后又用石灰水濃度的不同對實驗現象的影響進行實驗研究，引導學生多角度思考化學問題。

（2）學生設計并完成把石灰石與濃鹽酸制得的二氧化碳通入飽和石灰水的教學過程中，我并未按傳統的思路，先展示交流方案，再優化并確定最佳方案，然后所有學生都用最佳方案進行實驗，而是在確保安全的前提下，學生采用自己的也許并不完美的實驗方案進行實驗，實驗完后再對實驗方案進行評價，即先實踐體驗后評價的思路組織教學活動。通過這樣的教學，學生在實踐中體會并發現分析、比較、優化實驗方案的重要性，這比我們課堂說教效果更好。學生在今后的成長過程中遇到挫折時也不會六神無主、手忙腳亂，同時也會正確對待這樣的挫折。

（3）這次探究采用了定性、定量及理論計算等多種方法相結合，其中化學數字化實驗對化學四重表征中的微觀表征和曲線表征更是有獨特的優勢，其在課堂上的運用是傳統實驗的重要補充，學生今后進行科學探究時視野會更開闊，手段更豐富。

（4）教學過程中要鼓勵學生質疑，并在教學過程中應多創設學生質疑的問題情境，培養科學質疑的精神。讓學生有更多的機會主動地體驗科學探究的過程，在知識的形成、相互聯系和應用過程中養成科學的態度，學習科學方法，在“做科學”的探究實踐中培養學生的創新精神和實踐能力。

（5）中考命題涉及實驗時應注意實驗變量的控制，確保實驗的真實性、科學性。