基于初中化学对比实验教学的改进探究
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作者:姚伟宜
【摘要】本文针对初三化学三种教材中“二氧化碳的性质实验”进行优化，改进为对比实验，实验操作简便有趣，现象明显直观，有效激发学生的学习兴趣，提高课堂教学效率。用对比实验法培养学生的科学素养，有利于培养学生的探究能力，发展学生的学科思维。
【关键词】初中化学;二氧化碳性质;对比实验;实验改进
二氧化碳是初中化学气体化合物的代表，是初中化学“身边的化学物质”中最重要的部分之一，是联系酸、碱、盐等物质的关键性物质。二氧化碳性质的教学内容最重要的意义在于，通过大量实验来探究物质的性质，通过这些实验可以培养学生综合实验能力。而且通过对二氧化碳性质实验的学习，学生能够获得最直接、最客观、最形象的体验，能够激发学生的学习兴趣，从而得出学习化学的科学方法，培养实验探究能力。
一、实验创新原因
科粤版、人教版、鲁教版教材对探究的二氧化碳性质，一共包含五个性质探究实验，其中有二氧化碳密度比空气大、能溶于水、不支持燃烧和不能燃烧、能与水反应、能与澄清石灰水反应。
教师在日常教学中，大多采用的是教材设计的实验方案。教材实验方案的设计考虑到学生的认知发展规律，帮助学生了解化学学科知识探究的基本过程和方法。但是，从已有的教学经验来看，在实践中往往存在以下困难：
1.把集气瓶中的二氧化碳倒入高低蜡烛中，得到密度比空气大的实验成功率并不高：第一，倾倒二氧化碳的速度过快，高低蜡烛同时熄灭或熄灭前后顺序区分不明显;第二，当烧杯内高低蜡烛燃烧的时间过长，以致烧杯内温度升高，而倒入的二氧化碳会受热膨胀上升，密度降低，使得二氧化碳不能下沉，导致上方蜡烛比下方蜡烛先熄灭，或者两支蜡烛都没有熄灭，与“二氧化碳密度比空气大，下方蜡烛先熄灭，上方蜡烛后熄灭”的结论不一致，造成学生的思维混乱;第三，用铜片做成阶梯状摆放两支蜡烛，倾倒二氧化碳时，导致下方蜡烛和上方蜡烛与二氧化碳的位置距离不在同一垂直面，学生会有误解：认为下方蜡烛先熄灭是因为与二氧化碳距离较近，先接触二氧化碳，而不是因为二氧化碳比空气重，下沉到烧杯底部与蜡烛火焰接触，引致火焰熄灭。
2.科粤版和鲁教版都暴露出一个问题：导致石蕊溶液变红色的物质可能是蒸馏水、酸性物质、二氧化碳本身。人教版在探究二氧化碳和水生成碳酸致使紫色石蕊变红实验中，通过分步对比后排除水和二氧化碳分别不能使紫色石蕊变红，并且以紫色石蕊遇醋酸变红作为对比，得出二氧化碳和水生成了碳酸的结论。但是，教师需要提前制备多瓶二氧化碳和多朵干燥的石蕊。要完成人教版的二氧化碳性质实验需要的仪器多、药品多、操作繁琐，比较费时。制好的二氧化碳常因密闭性不而造成流失，使得实验效果不佳。
3.科粤版中用呼出气体使澄清石灰水变浑浊，来获取二氧化碳与澄清石灰水反应的性质。但人体呼出的气体大部分是氮气，该实验不能得出二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊的这一结论。“酸、碱、盐”教学要求有：学生认识二氧化碳与碱反应。若能在其复习课教学中整合二氧化碳和氢氧化钠、氢氧化钙反应实验，有利于学生深入理解知识，并提升其科学探究能力。
针对以上教材中的不足，教学需要通过设计对比性强的二氧化碳的性质探究实验，提升学生的探究能力，并使学生从中培养探究能力，教师在教学中渗透科学探究的方法。
二、实验创新要点
通过改进实验装置，引发学生认知冲突，使学生更深刻地理解实验原理，同时培养学生的观察能力、发现问题、解决问题的能力及对实验创新的兴趣。
实验1：二氧化碳密度比空气大，不能燃烧也不支持燃烧。
实验操作：稀盐酸和石灰石在反应容器中产生二氧化碳。当打开活塞，二氧化碳进入垂直的玻璃管，把两根燃着的木条分别放在玻璃管的上、下口处（图一），引导学生进行对比观察现象。
实验现象：上管口木条火焰没有明显现象，而下管口木条很快熄灭。
实验结论：二氧化碳的密度比空气大;既不能燃烧，也不支持燃烧。
创新要点：改进后的实验装置如图一所示，解决了因蜡烛燃烧时间过长导致烧杯内温度较高，二氧化碳受热膨胀导致现象不明显的问题，也解决了因倾倒二氧化碳角度，而产生两支蜡烛与二氧化碳接触距离不相等而引发的误解。
通过对比实验增强学生的直观感受，提高学生的学习兴趣，初步认识二氧化碳的性质，同时为上好后续教学内容做准备。
实现了边制取气体边探究性质，既方便教师课堂演示实验，也实现学生分组实验探究。
实验2：二氧化碳能和水反应生成碳酸。
实验操作：稀盐酸和石灰石在反应容器中产生二氧化碳。在横放的玻璃管两端各放一条湿润的紫色石蕊纸条和一条干燥的紫色石蕊纸条，通二氧化碳片刻后观察现象。然后在湿润的紫色石蕊纸条下方加热片刻，观察现象。
实验现象：干燥的紫色石蕊纸条没有明显现象，湿润的紫色石蕊纸条变红;变红的石蕊纸条加热后又变回紫色（图二）。
实验结论：二氧化碳能和水反应生成碳酸。
观察到对比明显的实验现象，学生学习到：不是水，也不是二氧化碳使石蕊变红，而是二氧化碳与水反应生成了新物质――碳酸。经过稍微加热后，学生惊奇地发现，变成红色石蕊纸条重新又变成紫色。学生进一步认识到：碳酸不稳定，容易分解。
创新要点：解决了鲁教版和科粤版没有清晰明确何种物质导致紫色石蕊变红的问题;还解决了人教版中二氧化碳性质实验需要的仪器多、药品多、操作繁琐、费时等问题。
实验3：二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊。
实验操作：在玻璃管两端用胶皮管连接分别装有氢氧化钠溶液和澄清石灰水的试管。稀盐酸和石灰石在反应容器中产生二氧化碳，通过玻璃管进入试管中，观察现象。
实验现象：装有澄清石灰水的试管变浑浊，装有氢氧化钠溶液的试管没有明显现象（图三）。
实验结论：二氧化碳能和澄清石灰水中的氢氧化钙反应生成沉淀碳酸钙和水，和氢氧化钠溶液反应生成溶于水的碳酸钠和水。
创新要点：改进为对比实验，学生认识到二氧化碳与碱反应。当然，该改进实验更适合在复习课教学中使用，整合二氧化碳和氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液反应实验，体现了对比的思想，有利于学生深入理解知识，并提升学生化学学科知识探究能力，培养学生研究化学的思维方法。
三、实验创新亮点
上述三个实验的设计主旨是对学生化学学科创新精神和化学实验实践能力的培养，以教材实验为基础，进一步扩展探究，满足学生探索、思考、创造和表现的心理需求。
1.实验组合科学、巧妙，对比强烈，使现象对比更直观，现象明显。
2.对课本实验的创新，以原有课本实验为起点，简化了仪器的使用和实验操作，提高了课堂效果，有利于提高课堂效率。课堂更加紧凑高效，给学生留下了充足的思考空间。
3.本次经改进实验的装置适合学生开展学科研究性体验活动，激发初中学生化学实验创新精神，提高学生科学探究实践能力;改进为对比实验，用对比实验法培养学生的化学学科核心素养，有利于培养学生的化学实验探究能力。
4.加入氢氧化钠溶液与二氧化碳反应，与澄清石灰水做对比，为下学期酸碱盐的学习作好铺垫。
总之，简单化、探究性是实验装置改进的追求，也是实验设计的方向。这个改进实验装置不仅能够在制取二氧化碳的同时探究二氧化碳的性质，而且操作简便富有趣味性，现象明显并且直观，能让学生真切地感受到化学的趣味。同时，以学生为主体进行自主探究的课堂，培养了学生的化学学科素养和化学实验创新能力，激发了学生勇于探索的精神，让学生真正学有所获，为终身学习奠定基础。
参考文献：
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[2]朱清勇，瞿生林.妙用废矿泉水瓶改进二氧化碳制取装置[J].实验教学与仪器，2015，32（7）：110.
[3]姜淼，曹育红.化繁为简：小玻璃管引领大课堂[J].实验教学研究，2020，4（6）：18.
责任编辑 陈小凤
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