利用真實問題情境促進認識思路形成
——以“二氧化碳的生平傳記”單元教學為例

魏 鴻

（北京市昌平區(qū)第一中學 北京 102200）

一、問題的提出

化學教學主旨是發(fā)展學生核心素養(yǎng)。《義務教育化學課程標準（2022 年版）》（以下簡稱新課標）指出：“教師應重視選擇和組織體現(xiàn)科學、技術、社會、環(huán)境相互關系的內(nèi)容，緊密聯(lián)系生活生產(chǎn)實際，使學生能綜合運用所學的化學知識解釋相關現(xiàn)象和解決有關實際問題”［1］，“通過展現(xiàn)豐富的物質應用事實，引導學生基于物質性質對物質應用進行分析、解釋，促進學生‘性質決定用途’觀念的形成”［1］。

二氧化碳是學生比較熟悉的物質，在初中化學知識體系中占有重要位置；二氧化碳與日常生活的聯(lián)系非常緊密，教學中應突出二氧化碳的學習價值，讓學生認識到二氧化碳的性質在生活、生產(chǎn)、科技發(fā)展、環(huán)境保護方面的廣泛應用及緊密聯(lián)系。所以，要深入挖掘有關二氧化碳的情境素材，將核心知識、探究過程的學習融合到真實問題的分析解決中，形成認識和解決問題的思路方法，提高學生化學科學思維及遷移應用能力。

在以往的教學中，“二氧化碳的性質”以幾個獨立的實驗進行展開，學生根據(jù)實驗現(xiàn)象總結出二氧化碳的性質。學生往往只關注學科知識本身，而不能順利地進行實際問題的分析和解決［2］，導致二氧化碳的存在、制備、性質、用途、對環(huán)境影響等學習內(nèi)容獨立割裂起來，不能全面地建構對物質性質的認識角度，不利于教學目標的落實。

據(jù)此，本單元從自身實踐出發(fā)，闡述促進學生形成認識思路與方法的單元教學實踐路徑。

二、教學內(nèi)容與情境素材的選取

二氧化碳是新課標“物質的性質與應用”主題2中的典型代表物之一，是初中化學重要的物質。相關內(nèi)容涉及以“碳元素”為核心的多種物質，體現(xiàn)物質的多樣性特點，物質間的聯(lián)系及相互轉化也體現(xiàn)“元素觀”和“變化觀”的應用和發(fā)展。在二氧化碳的制法、性質、用途等學習過程中，能舉例說明物質性質的廣泛應用及性質與用途的關系，并結合實例應用性質解決簡單的問題。

“二氧化碳的生平傳記”單元教學屬于新授課，在“物質的多樣性”大概念統(tǒng)領下，聚焦化學研究的核心物質，選取二氧化碳的性質與應用、制取與性質實驗、科技應用與環(huán)境保護等內(nèi)容，緊密聯(lián)系實際情境，引導學生從存在、組成、變化、用途等視角認識物質的性質，形成認識物質性質的思路和方法，體會物質性質廣泛的應用價值。

本單元教學將二氧化碳這一物質擬人化，通過課時主題把核心知識串聯(lián)起來，構成有機統(tǒng)一的整體，形成研究物質性質的思路方法。在這個過程中，學生逐漸學會提取信息、實驗探究、歸納概括、推理論證等基本方法，提升解決實際問題的綜合能力，體現(xiàn)豐富的學科學習價值（見圖1）。

圖1 “二氧化碳的生平傳記”情境素材的教學價值分析

三、單元整體教學目標與思路的設計

1.學情特點

在本單元教學之前，學生對二氧化碳的性質已有了一定認識，比如知道二氧化碳的檢驗用澄清石灰水、二氧化碳不可燃也不助燃、二氧化碳參與光合作用、二氧化碳充入飲料、產(chǎn)生溫室效應等。在氧氣的學習中，學生已初步建立研究物質的角度，如存在、性質、用途、制取等，初步形成實驗室制取氣體的基本思路。在以往的學習實踐中，學生已初步具備基于實驗探究研究物質性質的能力，能夠對實驗方案進行簡單設計，通過分析推理得到實驗結論。學生對“性質決定用途”的學科思想并不陌生，但是還不能應用在實際問題的解決中，還需要強化“用途反映性質”的認知方法。

基于以上分析，確定以下教學目標及教學思路。

2.教學目標

（1）能結合碳循環(huán)，依據(jù)資料信息、實驗現(xiàn)象及元素守恒等化學思想選擇制取CO2的試劑，寫出反應的化學方程式，進一步確定反應裝置，完善實驗室制取氣體的一般思路。

（2）分析“溫室效應”產(chǎn)生的原因，了解海洋酸化造成的危害，探究海洋酸化的本質，能設計對比實驗驗證CO2與水能反應生成碳酸，掌握CO2與其他含碳物質之間的相互轉化。

（3）能結合生活經(jīng)驗和資料信息，體會CO2在實際生活、生產(chǎn)中的應用，并根據(jù)應用推測CO2的性質，建立物質的性質、用途之間的重要關系，體會科學地利用物質性質在社會生活中的重要作用，形成合理利用化學物質的意識。

（4）基于“碳達峰”和“碳中和”的目標愿景，了解實現(xiàn)CO2溫室氣體減排的技術手段，即CO2的捕集、封存與利用。通過分析推理技術方法過程，體會CO2性質的應用對環(huán)境保護發(fā)揮的重要作用，形成元素觀、變化觀等化學觀念，認識到實際問題的解決需要綜合運用各學科知識系統(tǒng)規(guī)劃，體會化學科學的重要價值。

3.單元整體教學思路

通過對二氧化碳的學習，確立系統(tǒng)研究物質性質的角度，獲得利用物質性質解決實際問題的基本思路，引導學生關注生活、環(huán)境和技術問題，發(fā)展科學和技術融合解決問題的能力，認識到資源綜合利用對環(huán)境保護的重要作用。單元整體教學流程設計見圖2。

圖2 單元整體教學流程設計

本單元教學共分為四個課時進行。

第1課時，二氧化碳的“來源”。結合資料中自然界中碳循環(huán)圖，分析二氧化碳的來源，從生物（動植物呼吸）、生活、工業(yè)生產(chǎn)等角度歸納總結。思考實驗室如何制取二氧化碳，結合資料（2H++CO23-==== CO2↑+H2O），應用元素守恒從循環(huán)圖中尋找含碳元素的反應物，通過實驗探究選取合適試劑。依據(jù)實驗室制備氣體的三要素（原理、裝置、操作）選擇合適的實驗裝置并完成實驗操作，對比實驗室中氧氣制取裝置，形成實驗室中確定制取氣體的裝置的思路和方法。

第2課時，二氧化碳的“過”。了解“雙碳”政策，結合圖片，分析溫室效應產(chǎn)生的原理，觀看海洋酸化引起的危害視頻，探討CO2引起海洋酸化的原因，推測CO2可能具有的性質。結合資料信息，設計CO2能溶于水及與水反應的實驗，小組通過動手實踐完成驗證。進一步分析海洋酸化引起的珊瑚溶解現(xiàn)象，依據(jù)資料分析可能發(fā)生的反應，最后用實驗進行驗證。最后總結CO2和其他含碳物質之間的轉化關系。

第3 課時，二氧化碳的“功”。課前查閱有關CO2用途的資料，課上以小組為單位討論應用是由哪些性質決定的。從熟悉的CO2滅火應用入手，推理不可燃也不助燃的性質，觀看CO2滅火視頻，進一步推測密度比空氣大的性質，根據(jù)給出的實驗用品（CO2、蠟燭、燒杯等）設計實驗驗證以上CO2的性質。然后從性質角度分析解釋CO2用于制冷、生產(chǎn)碳酸飲料、化工原料的原理，理解“性質決定用途”的學科思想。

第4課時，二氧化碳的“去向”。基于“雙碳”目標，閱讀資料了解CCUS 技術（指CO2捕集、利用與封存）［3］［4］，推理不同技術方法的原理，結合二氧化碳的性質進行分析和解釋，解決具體的實際問題。

四、單元整體教學的實施（以第2課時和第4課時為例）

1.第2課時

【教師】導課：2020 年9 月，習主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上指出，中國力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。提出問題，為什么要減少CO2的排放？

【學生】課前查閱相關資料，回答：CO2會導致溫室效應，使全球氣候變暖、南極冰雪融化；還引起海洋酸化，危害海洋生物，甚至使魚類、珊瑚類死亡等等。

【教師】播放海洋酸化危害的視頻。提出問題：CO2為什么會引起海洋酸化？推測CO2可能具有什么性質？

【學生】分析推理：CO2能溶于水并且與水反應。

【教師】給出資料：通常情況下，1體積水能溶解大約1體積CO2，增大壓強溶解得更多。提出任務：設計簡單實驗證明CO2能溶于水。

【學生】小組討論，設計實驗方案。選一個小組代表完成“塑料瓶變癟”實驗。

【教師】提供資料：常溫下，溶液pH＞7 為堿性，溶液pH=7為中性，溶液pH＜7為酸性，水為中性。“酸化”意味著海水的pH小于7，H+濃度增大。

提出問題：如何證明CO2與水反應生成酸？

提供資料：紫色石蕊是一種酸堿指示劑，遇酸會變紅色，其水溶液被稱為石蕊溶液。

實驗用品：稀醋酸、4 個干燥紫色石蕊紙花、蒸餾水、2個充滿CO2的集氣瓶等。

【學生】從前面實驗變癟的塑料瓶中倒出少量溶液于試管中，滴入紫色石蕊溶液，變紅說明溶液中有酸，可證明CO2與水發(fā)生反應了。

【教師】變癟的塑料瓶中只有酸一種物質嗎？如果不是，分析可能含有哪些物質？

【學生】分析，討論，明晰塑料瓶中可能使紫色石蕊變紅的物質：酸、CO2、水。厘清實驗設計思路：①H2O不能使紫色石蕊變紅；②CO2不能使紫色石蕊變紅；③CO2和H2O 共同作用能使紫色石蕊變紅；④醋酸能使紫色石蕊變紅，以此驗證CO2和H2O反應生成酸。

【教師】展示、評價學生實驗方案（如圖3）。演示實驗方案4（如圖4）。（代表水代表醋酸，小花是用紫色石蕊溶液浸濕后又曬干的紙花）

圖3 學生實驗方案

圖4 教師演示實驗方案

【教師】反應的化學方程式：CO2+H2OH2CO3。分析、解釋：溶于水的CO2少部分與水反應生成碳酸，有少 量 碳 酸 發(fā) 生 兩 步 電 離：過量的二氧化碳溶入海水，使海水中的H+濃度增大，呈現(xiàn)酸性，出現(xiàn)海洋酸化現(xiàn)象。生活中的“碳酸”飲料名稱由此而來，打開飲料瓶蓋，出現(xiàn)的大量氣泡是二氧化碳，放置時間久了，飲料口感也發(fā)生變化，基本沒有氣泡，是因為碳酸不穩(wěn)定易分解，又分解為CO2和H2O。演示實驗：將變紅的石蕊紙花加熱，又恢復為紫色。

海洋酸化為何使珊瑚等溶解呢？繼續(xù)結合資料思考。

【教師】提供資料：海洋酸化導致鈣化生物的碳酸鈣飽和度下降而嚴重影響生物鈣化活動；海洋鈣化生物的鈣化結構一般位于體表，直接暴露于海水中的較高分壓CO2環(huán)境中，更易受海洋酸化的影響［5］。

演示實驗：將CO2通入澄清石灰水中，先變渾濁，繼續(xù)通入過量，變?yōu)槌吻濉懗錾婕暗幕瘜W方程式：

【總結】梳理CO2和其他含碳物質間的轉化關系。

這些轉化是自然界和海洋中的碳循環(huán)的重要反應，體現(xiàn)了二氧化碳的多個化學性質。可見，人們利用其性質為生活需求提供資源的同時也給環(huán)境造成了影響。

2.第4課時

【教師】二氧化碳對社會發(fā)展有“利”有“弊”，但是溫室氣體的過量排放引起的全球氣候變暖，被認為是人類社會面臨的最嚴重挑戰(zhàn)。如何減少CO2的排放呢？

【學生】植樹造林、使用新能源替代化石能源、加強監(jiān)測減少排放等。

【教師】給出資料：二氧化碳的捕集、利用和封存（CCUS）技術，展示CCUS 技術示意圖。提出問題：捕集二氧化碳的方法有生物法、物理吸收法、化學吸收法等，利用技術有礦化利用、地質利用等，封存技術主要有深海封存、地質封存等。推測以上技術依據(jù)什么原理？

【學生】交流、討論。得出結論：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，并且與水能反應的性質；化學吸收法利用化學反應，比如與石灰水反應。化學利用可能是通過化學反應生成某些有機物，比如甲醇。

【教師】講述、分析。類比CO2與Ca（OH）2反應，引導學生書寫CO2與NaOH反應的化學方程式。展示二氧化碳的化學利用途徑，分析含碳物質間的轉化，書寫CO2與氫氣、氧化鎂等反應的化學方程式。結合二氧化碳驅油技術原理的圖片，分析地質封存的原理。

【教師】與學生一起總結CCUS的技術利用與二氧化碳的性質、用途（影響）間的關系，如圖5。

圖5 CCUS技術應用與CO2性質（組成）、用途（影響）之間的關系

五、單元整體教學反思

通過課堂觀察、課后訪談、課后作業(yè)等反饋，大多數(shù)學生對實驗室制取氣體的一般思路、CO2的性質和用途掌握較好，能理解物質性質和用途之間的關系；能客觀看待CO2利弊兩個方面，認識到過度排放CO2對環(huán)境產(chǎn)生的影響，更加增強了環(huán)保意識。在單元教學設計和實施過程中，有兩點深刻體會：

一是注重真實情境與單元內(nèi)容的整合，促進學生認知思路的形成。

本次教學實踐，選取的情境素材不僅取自生活實際、生產(chǎn)應用，還源于環(huán)境保護、科技發(fā)展等，緊緊圍繞著二氧化碳的性質展開探討，從來源、組成、變化、用途等角度深入認識其性質。尤其面對海洋酸化、二氧化碳“減排”技術等真實問題時，學生被迫利用對物質性質的認識思路解決實際問題，認識到合理使用化學物質對社會發(fā)展的重要意義。

二是注重大概念引領下單元內(nèi)容的整體設計，促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

本單元設計打破了教材中單元內(nèi)容結構，以“物質的多樣性”大概念為統(tǒng)領，把二氧化碳的制取、性質、用途、對環(huán)境影響等核心知識聯(lián)系真實情境進行重構，不僅增強學生興趣、激發(fā)學生積極思考，還促進化學觀念和思維方式的形成。比如，CCUS 技術原理的分析也體現(xiàn)了跨學科知識的融合，滲透生物學、物理學、地理學等學科知識，提高學生多學科視角下解決實際問題的能力。有關碳酸電離的教學內(nèi)容，也為學生實現(xiàn)初高中貫通學習打下基礎。所以，大概念引領的單元教學有利于實現(xiàn)知識的結構化和素養(yǎng)化。