虛擬實驗室與傳感器融合的化學實驗教學實踐

[中圖分類號] G633.8 [文獻標識碼]A [文章編號] 1674-6058（2025）23-0064-05

在科技迭代驅動社會加速變革的時代背景下，信息傳播范式正經歷從滯后到即時的顛覆性躍遷。信息技術在深度重塑人類生活形態的同時，已成為各行業創新發展的核心引擎。教育領域順勢而為，將信息融合納入現代化轉型的戰略視野，構建智能教育新生態成為必然趨勢[1]。2019年頒布的《中國教育現代化2035》明確提出，需以信息化驅動教育變革，推進智能化教學體系的創新建構[2]。

當前，初中化學教學與信息技術的融合已形成廣泛共識，但實踐層面仍存在“淺層應用”瓶頸多數教學僅停留在網絡資源的簡單移植，未能充分釋放\"技術 + 學科\"的協同創新效能。如何借助信息技術的可視化、數據化、模擬化特性，穿透實驗現象表層，直擊化學原理本質，構建“深度融合一思維進階”的教學新范式，成為亟待探索的重要命題[3]。本文以“二氧化碳的實驗室制法\"為例，闡述數字化環境下化學實驗教學的創新設計與實踐路徑，以期為學科育人方式的升級提供可借鑒的操作模型。

一、教學分析

“二氧化碳的實驗室制法”是滬教版化學九年級上冊第五章“奇妙的二氧化碳”第二節的內容。從教材體系來看，該內容是對第一節“二氧化碳的性質與用途\"的補充與應用；從實驗教學脈絡來看，既是對第一節氧氣實驗室制備知識的復習鞏固，又需從中歸納實驗室制取氣體的通用思路與方法，為后續氫氣的實驗室制備奠定理論基礎；從學情來看，學生在學習第二章第三節“氧氣的制備”后，已具備根據反應物狀態及反應條件選擇反應裝置的能力。此時開展二氧化碳制備的教學，學生面對新知識時，主觀上傾向于運用已有知識解決新問題，這為調動其化學學習積極性提供了有利契機。同時，由于二氧化碳與氧氣的性質存在差異，學生對實驗原理、儀器選擇等內容的認知仍停留在表層，缺乏具體實踐體驗。因此，本節課需充分發揮學生的主觀能動性，通過動手實驗培養其科學探究的學科素養。

二、教學目標

新課標明確要求，以實驗探究的方式認識二氧化碳的主要性質，初步學習二氧化碳的實驗室制法，歸納實驗室制取氣體的一般思路與方法[4]。依據課標要求，結合教材內容與學生實際，本節課的教學目標制訂如下：

1.通過閱讀教材，能識別實驗室制取二氧化碳的反應原理及藥品選擇邏輯；基于現象觀察和數據對比（壓強變化曲線），論證塊狀大理石與稀鹽酸組合的合理性，發展證據推理能力。

2.借助虛擬實驗室，能根據實驗目的（如控制反應速率、實現固液分離等）自主選擇儀器（如分液漏斗、錐形瓶、多孔隔板等）并完成裝置組裝；通過對比不同裝置的氣壓變化數據，歸納“藥品狀態—裝置類型一操作要點”的對應關系，建立實驗設計模型。

3.通過課前調查、演示實驗及文獻數據，能辯證分析二氧化碳水溶性與排水法收集的可行性；基于“氣體逸出速率 gt; 溶解速率”的實證依據，修正能溶于水的氣體不可用排水法收集”的認知誤區，培養科學探究的嚴謹態度。

三、教學重難點

（一）教學重點

1.通過數字化實驗數據（壓強變化曲線）理解二氧化碳制備的藥品選擇依據與反應速率控制方法。

2.基于“固液不加熱”反應類型，建構氣體發生裝置的優化路徑（從簡單裝置到可控裝置）。

（二）教學難點

結合物理壓強原理與化學實驗現象，歸納實驗室制取氣體的通用思路（原理 $$ 裝置 $$ 操作 $$ 驗證）。

四、教學思路

以“舊知遷移一問題探究一模型建構一實踐應用\"為主線，通過回顧氧氣制備思路（反應原理 $$ 裝置選擇 $$ 收集方法），搭建氣體制備的認知框架；運用壓強傳感器突破藥品選擇的教學難點，借助虛擬實驗室實現裝置設計的可視化操作，通過排水法收集的實證探究深化對氣體性質的理解?！岸趸嫉膶嶒炇抑品ā苯虒W思路如圖1所示。

五、教學過程

（一）舊知回顧，認知建模

【問題驅動】實驗室制取氧氣的核心思路是什么？

【學生活動】回顧氧氣制備流程，歸納出“原理 $$ 裝置 $$ 操作 $$ 收集 $$ 驗滿”的思維模型

【教師引導】能否將該思維模型遷移到二氧化碳制備中？本節課將通過數字化工具開展深入探究。

（二）探究實驗藥品

【課堂活動】快速閱讀教材，梳理實驗室制取二氧化碳的反應原理及對應藥品。

【自主探究】以小組為單位，選取塊狀碳酸鈣、粉末狀碳酸鈣作為固體藥品，稀鹽酸、稀硫酸作為液體藥品進行實驗；實驗過程中利用學生平板拍照記錄現象。

【師生活動】教師通過StarC云平臺將各小組實驗現象實時共享至擴展屏幕，使學生在操作過程中能夠同步觀察其他小組的實驗現象（如圖2）。

圖2 各小組實驗現象

【教師】實驗現象顯示：塊狀碳酸鈣與稀硫酸反應在短時間內終止；塊狀碳酸鈣與稀鹽酸反應產生大量氣泡；粉末狀碳酸鈣與稀鹽酸反應的現象與塊狀碳酸鈣相近。

【結果討論】結合分組實驗結果，哪種藥品組合更適合實驗室制取二氧化碳？

【學生1塊狀碳酸鈣與稀鹽酸更合適，因其能穩定且較快地產生二氧化碳

【學生2】粉末狀碳酸鈣與稀鹽酸更合適，二者接觸更充分，產氣速率較快，

【問題引導】僅通過現象能否準確區分塊狀與粉末狀碳酸鈣的產氣速率？

【學生】不能，氣泡產生速率直觀感受相近。

【方法引導】當現象難以區分時，可借助壓強傳感器，通過測定反應容器內的氣壓量化產氣速率的差異。

【演示實驗】稱取等質量的粉末狀與塊狀碳酸鈣，分別置于相同規格的反應容器中；用注射器吸取等體積稀鹽酸，組裝儀器并連接壓強傳感器。啟動傳感器測定初始氣壓后，同步將稀鹽酸推入兩容器，記錄數據。結果顯示：粉末狀碳酸鈣所在容器的氣壓上升速率明顯更快，與塊狀碳酸鈣組形成顯著差異（如圖3）。

圖3粉狀碳酸鈣和塊狀碳酸鈣的氣壓變化圖

【結論】從氣體收集角度考慮，反應速率不宜過快，故排除粉末狀碳酸鈣；同時結合藥品成本因素，最終選擇主要成分為碳酸鈣的塊狀大理石與稀鹽酸作為反應藥品。

（三）探究實驗裝置

【虛擬學生實驗】各小組利用學生平板在虛擬實驗室中，自主選擇儀器（長頸漏斗、分液漏斗、錐形瓶等），組裝“固液不加熱型\"裝置（如圖4）。

圖4學生在模擬實驗室中選擇并組裝儀器

【教師】根據反應物狀態與反應條件，實驗室制取二氧化碳屬于固液不加熱型反應，其裝置與過氧化氫制取氧氣的裝置類似。從同學們的儀器選擇來看，分液漏斗用于添加液體藥品、錐形瓶用于盛放固體藥品，可滿足實驗基本需求。

【問題引導】能否用長頸漏斗或普通漏斗替代分液漏斗？

【學生】可以，長頸漏斗同樣能實現液體藥品的添加。

【教師釋疑】氣體制取裝置的選擇需以收集氣體為核心目標，因此裝置氣密性是關鍵考量因素。普通漏斗因下端較短，難以形成液封，會導致生成氣體外逸，故一般不用于氣體制?。婚L頸漏斗雖可添加液體，但需注意下端液封以保證氣密性

【裝置優化】在教師引導下，各小組利用虛擬實驗室，采用注射器對所選裝置進行改裝（如圖5）。

圖5實驗裝置的改裝

【問題】結合注射器的結構特點，分析其替代漏斗有哪些優勢

【學生】注射器帶有刻度，可精準控制液體藥品的加入體積，利于定量分析；同時，通過調節活塞推動力度能控制液體的滴加速度，可在一定程度上替代分液漏斗的功能。

（四）開展制取實驗

【教師】課前已讓同學們結合前期所學的二氧化碳性質，針對其制取的相關問題進行了問卷調查。

【調查結果】課前問卷調查結果如圖6所示。

圖6課前問卷調查結果

【前測反饋】展示課前問卷調查數據（ 70.83% 學生認為 CO₂ 不能用排水法收集），引發認知沖突：“能否通過實驗反駁‘能溶于水則不能用排水法收集'的經驗結論？”

【問題】為什么大家認為二氧化碳只能用向上排空氣法收集？

【學生】因為二氧化碳密度比空氣大且不與空氣反應，但它能溶于水且與水發生反應。

【問題】二氧化碳真的不能用排水法收集嗎？

【實驗演示】采用學生此前組裝的裝置進行演示：第一步，氣密性檢測。用長頸漏斗與錐形瓶組裝發生裝置，向錐形瓶加水至沒過長頸漏斗下端，用止水夾夾緊橡膠管，繼續向漏斗加水形成一段水柱，若半分鐘內水柱不下降，說明氣密性良好；第二步，藥品裝填。將錐形瓶橫放，放入塊狀大理石（防止儀器破損），再通過長頸漏斗加入配置好的稀鹽酸，固液接觸后開始反應；第三步，氣體收集。將與錐形瓶相連的橡膠管的另一端連接銳角導管，將裝滿水的集氣瓶倒置于水槽，待氣泡均勻穩定冒出后，將導管插入集氣瓶開始收集；第四步，驗滿操作。

當集氣瓶內液面降至瓶口且瓶外出現大氣泡時，證明氣體已收集滿，在水下蓋好毛玻璃片，取出水槽后正放桌面；第五步，裝置拆洗。收集完成后，拆卸裝置并清洗儀器

【學生歸納】結合實驗步驟，用五個關鍵動詞總結：查一裝一收一驗一拆。

（問題根據實驗結果，二氧化碳能否用排水法收集？

【學生】可以用排水法收集。

【教師釋疑】通常情況下，能溶于水且與水反應的氣體不宜用排水法收集，但二氧化碳因在水中的溶解有限，更重要的是其產生逸散的速率遠大于溶解及與水反應的速率，故可采用排水法收集。相關文獻數據亦可佐證這一結論，且顯示排水法收集的二氧化碳純度更高（如圖7）[5]

圖7排水法收集二氧化碳的濃度曲線

（五）匯總實驗裝置

【裝置對比】展示目前已學習的多套氣體制取裝置（如圖8）。每套裝置均可用于二氧化碳的制取，比較各裝置在使用過程中的異同點。

圖8常見氣體發生裝置

【教師釋疑 ① 號裝置最為簡單，由試管和單孔塞組成，適用于收集少量氣體，優點是方便快捷，缺點是無法添加藥品。為改善這一問題，將試管改為錐形瓶，單孔橡膠塞改為雙孔橡膠塞，并加入長頸漏斗，形成 ② 號裝置。其優點是可隨時添加液體藥品，使反應持續進行，但不能控制反應速率，收集過程中難以得到平穩氣流。為解決該問題，從控制液體加入量的角度出發，將長頸漏斗改為分液漏斗，得到 ③ 號裝置。利用分液漏斗旋塞的特點，可控制液體的滴入速率，進而控制反應速率，解決了之前的弊端。

【微課展示】通過提前錄制的微課視頻，介紹 ④ 號新裝置。

【敘述】從微課視頻中可以看到，新裝置在原有基礎上加入了多孔隔板，用于盛放塊狀大理石。打開右側正水夾，從長頸漏斗加入稀鹽酸至沒過大理石，二者接觸后開始劇烈反應，產生大量氣泡。當實驗結束需要停止反應時，關閉右側止水夾，試管中液面開始下降，直至固液分離，反應停止。因此，新裝置的優點是實現了對反應開始與停止的控制，相比之前的三套裝置有了新的提升。

【問題】為什么關閉止水夾后，試管中的液面會下降？

【學生】因為此時試管中仍在產生氣體，且氣體沒有出口，導致試管內氣壓不斷增大，在氣壓的作用下，將液面向下壓，從而使液面下降。

（六）總結實驗模型

【總結】本節課圍繞二氧化碳的實驗室制法展開探究，明確其制取原理為碳酸鈣與稀鹽酸的反應（CaCO₃+2HCl=CaCl₂+CO₂↑+H₂O） ，確定實驗藥品為塊狀大理石與稀鹽酸。通過分析反應原理及藥品特性，選擇適配的固液不加熱型發生裝置；結合二氧化碳的性質探討收集方式，經演示實驗證實可用排水法收集，培養學生基于實證質疑傳統認知的科學態度。課程以氧氣制備思路為引導，通過閱讀教材獲取信息、分組實驗對比藥品反應差異、虛擬實驗室模擬裝置組裝等環節，構建“反應原理一裝置設計一操作驗證\"的完整探究鏈。最后從裝置功能角度，總結分析四種常見氣體發生裝置的優缺點，強化“性質決定裝置、原理驅動設計\"的核心邏輯。本節課不僅落實了二氧化碳制備的知識與技能，更通過實踐應用鞏固了氣體制備的一般思路，為學生自主探究生活中常見氣體的制備奠定方法論基礎。

【遷移】若實驗室制取氫氣（鋅粒與稀硫酸反應，氫氣密度比空氣小且難溶于水），你能否依據上述模型設計發生裝置和收集方法？課后可利用虛擬實驗室完成實驗，驗證猜想

六、教學反思

數字化實驗教學融入課堂是未來教育發展的必然趨勢，如何在傳統教學中有效整合信息技術以解決實際問題，是實現信息融合的關鍵。本堂課通過合理運用信息化技術，展現了教學創新的實踐價值：1.數據驅動決策。借助壓強傳感器將反應速率轉化為直觀曲線，突破傳統實驗“以定性觀察為主”的局限，培養學生定量分析的跨學科思維。2.虛擬實驗賦能。通過虛擬實驗室實現“零耗材、高參與”的裝置設計體驗，解決傳統課堂儀器資源不足的問題，凸顯學生的主體地位。3.實證修正認知。依托排水法收集實驗及文獻數據，引導學生以“證據”挑戰“經驗”，強化以事實為依據的科學態度。

綜合來看，本堂課成功借助信息技術突破教學難點，為初中化學教學中的信息融合提供了可行案例。同時，教學過程中仍存在需改進之處：

1.在技術融合方面，課前需強化學生平板與

StarC平臺的操作培訓，以減少課堂時間損耗

2.在思維進階引導方面，可增設“裝置缺陷改進”任務，強化學生模型應用能力。

3.在差異化教學方面，應為數字化工具操作困難的學生提供“一對一\"指導或建立分組互助機制。

[參考文獻]

[1］林慧.在中職語文教育中融合現代信息技術的探討：以信息化教學設計《鴻門宴》為例[J].職業技術，2019，18（12）：48-51.

[2」何克抗.信息技術與課程深層次整合理論M].北京：北京師范大學出版社，2019.

[3]楊香濤.基于真實生活情境的初中化學教學設計：以\"物質在水中的分散”為例[J].化學教學（中英文），2020，41（23）：22-26.

[4]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準：2022年版M.北京：北京師范大學出版社，2022

[5]洪碧瑜.排水法收集二氧化碳可行性的再探討[J].中學化學教學參考，2016（15）：49-51.

（責任編輯 羅艷）