微型空气质量“检测站”的组装与使用-基于跨学科实践的化学教学设计

微型空气质量“检测站”的组装与使用——基于跨学科实践的化学教学设计一、教学内容分析

本节课在《义务教育化学课程标准（2022年版）》的视域下，定位于“科学探究与化学实验”及“化学与社会·跨学科实践”主题的深度融合。从知识技能图谱看，其核心在于将“空气的成分”、“认识常见气体（如二氧化碳）”等基础知识，转化为“依据物质性质进行定性或半定量检测”的实践应用，是学生对物质性质认知从理论走向应用的关键转折点，也是后续学习“定量研究”的重要感性铺垫。过程方法路径上，本课旨在引导学生经历“问题提出→原理分析→装置设计→实践操作→数据处理→结论反思”的完整微型项目探究过程，系统体验“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”等学科思想方法。其素养价值渗透于多重维度：在组装调试中培育工程思维与动手能力，在数据分析中强化证据意识与科学态度，在联系空气污染现实议题时，激发社会责任感与可持续发展观念，实现“知行合一”的育人目标。

授课对象为五四学制八年级（相当于九年级）学生，他们正处于从形象思维向抽象逻辑思维过渡的关键期。已有基础方面，学生已了解空气的主要成分，具备基本的实验操作规范意识，并对环境问题有朴素的关注。潜在障碍主要存在于三方面：一是将离散的化学性质（如二氧化碳使澄清石灰水变浑浊）整合为解决真实问题的系统性方案（检测站原理）存在思维跨度；二是初步接触半定量测量时，对“变量控制”、“对比观察”等科学方法的理解尚处经验层面；三是面对多部件组装任务时，可能因细节疏忽导致功能失效。教学将采取“原型示范→关键点拆解→分组协作→即时调试”的策略予以支持，并通过“任务阶梯化”和“过程性量规评价”动态评估与调适，为能力较强的学生提供优化检测方案的挑战，为需要支持的学生搭建图文并茂的操作指引“脚手架”。二、教学目标

知识目标：学生能系统阐述微型空气质量检测站的工作原理，清晰说明其中涉及的化学变化（如二氧化碳与澄清石灰水的反应）及其现象作为检测依据的逻辑；能准确指认装置各组成部分的功能，并辨析其设计与物质性质之间的对应关系。

能力目标：学生能够以小组协作形式，遵循流程规范完成检测站的组装、气密性检查与基础调试；能够运用控制变量思想，设计简单的对比实验，使用自组装置对不同地点的空气样本进行采集与初步分析，并尝试对观测现象进行合理解释与记录。

情感态度与价值观目标：在探究活动中，学生能表现出对科学实验的严谨态度与协作精神；通过将化学知识应用于环境监测的真实情境，增强运用所学服务社会的意识，初步树立绿色生活与可持续发展的观念。

科学思维目标：重点发展学生的“模型建构”与“证据推理”思维。引导其从具体检测装置中抽象出“采样→检测→指示”的功能模型；并学会从观察到的实验现象（如浑浊程度）出发，推理论证空气中特定成分的相对含量，建立“现象—证据—结论”的逻辑链条。

评价与元认知目标：引导学生使用简易量规对小组组装成果进行自评与互评；在活动结束后，通过结构化问题（如“哪一步调试最困难？你是如何解决的？”），反思实践过程中的策略选择与得失，提升对探究学习过程的自我监控与调节能力。三、教学重点与难点

教学重点：微型空气质量检测站的工作原理与系统性组装流程。其确立依据在于，原理理解是连接物质性质与工程应用的核心枢纽，体现了“性质决定用途”的化学大观念；而规范组装则是将原理转化为可操作实践的关键能力，是后续进行有效科学探究的物理基础，也是学业评价中考查学生科学探究与实践素养的常见载体。

教学难点：学生自主进行装置的气密性检查与故障排除，以及从半定量实验现象中获取有效信息并合理推论。难点成因在于，气密性检查需要综合运用气压知识与细致观察，对学生的动手能力和系统思维要求较高；而从定性现象（如变浑浊）推断相对含量（如二氧化碳浓度可能较高），需要克服“非黑即白”的绝对化思维，理解科学测量的相对性与复杂性，这对学生的证据意识和逻辑思维是一个挑战。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含原理动画、组装微视频）、板书设计（预留原理区、装置图区、数据记录区）。1.2实验器材（按小组配置）：微型空气质量检测站套件（包括注射器、三通阀、具支试管、橡胶管、澄清石灰水小试剂瓶等）、备用零件、盛有不同浓度二氧化碳气体的气囊（模拟空气样本A、B）、实验记录单、安全护目镜。1.3学习材料：分层任务卡、课堂过程性评价量规（自评/互评用）。2.学生准备2.1知识预习：回顾空气成分及二氧化碳的化学性质。2.2小组预分工：课前完成4人小组组建，初步协商角色（如操作员、记录员、观察员、汇报员）。3.环境布置3.1座位安排：实验室采用小组岛式布局，便于协作与器材取用。3.2展示区：设置成果展示台，用于陈列各小组组装完毕的检测站。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题驱动：同学们，请大家看屏幕上的这两张图片，一张是我们城市晴空万里的景象，另一张是雾霾笼罩下的同一地点。大家想一想，我们如何判断哪一天的空气质量更优呢？仅仅凭肉眼观察可靠吗？“没错，我们需要更科学的手段。今天，我们就化身环境监测工程师，动手组装一个能‘捕捉’空气秘密的微型检测站。”2.核心任务提出与路线图勾勒：本节课的核心任务是：组装并运行我们自己的微型空气质量“检测站”，并尝试用它来比较不同空气样本的差异。我们将分三步走：首先解密它的工作原理，这是设计的灵魂；然后动手让它从零件变成一个整体，这是工程师的挑战；最后，让它为我们“说话”，解读数据，这是科学家的视角。第二、新授环节任务一：解密“检测站”——从化学性质到工作原理教师活动：首先，我会展示一个预先组装好的检测站工作模型，并演示其抽取空气、使澄清石灰水变浑浊的过程。“大家看，当空气被缓缓推入，澄清石灰水发生了什么变化？这个现象背后是谁在‘捣鬼’？”引导学生回顾二氧化碳的检验反应。接着，提出核心问题：“一个简单的检验实验，如何升级成一个能持续采样的‘检测站’？”我将利用动画分解装置，逐一讲解注射器（动力与定量采样）、三通阀（气流方向控制）、具支试管（反应与观测室）的功能，并特别强调：“设计的关键在于，让空气按照我们设定的‘路线图’流动，并恰好与检测试剂相遇。”我会请一位同学上来，根据我的指令（如“现在需要抽取空气”）模拟操作气阀的转向，检验理解情况。学生活动：学生观察演示实验，回顾并书写化学反应方程式。观看原理动画，跟随教师讲解，在任务单上标注各部件功能。参与模拟操作互动，尝试口头描述空气流经装置的完整路径。小组内互相讲解原理，确保每位成员理解。即时评价标准：1.能准确描述演示实验中的现象及对应的化学成分。2.能在装置示意图上正确指认主要部件并说明其功能。3.能清晰、有条理地向同伴解释装置的“气体流路”。形成知识、思维、方法清单：★检测站核心原理：利用特定化学试剂（如澄清石灰水）与目标污染物（如二氧化碳）的特征反应，将不可见的成分转化为可见的现象（浑浊），从而实现定性或半定量检测。▲装置设计中的系统思维：一个功能性装置是由多个相互关联的部件组成的系统，设计需统筹考虑采样、反应、观测、控制等子系统。●回顾与关联：这是对“二氧化碳使澄清石灰水变浑浊”这一基础性质的具体化、功能化应用，体现了“性质决定用途”。任务二：挑战工程师——协作组装与气密性检查教师活动：“原理清晰了，现在轮到各位工程师上场了！”分发套材前，我先通过一段简短的微视频，全景展示标准组装流程，重点慢放三通阀与管路连接的细节。“请大家特别注意，连接橡胶管时，可以蘸取少量水润湿，这样既省力又能增强密封性——这是一个小窍门。”随后，我将气密性检查作为重点突破环节进行演示：“组装完毕，如何知道我们的‘检测站’是不是‘天衣无缝’？看，关闭所有通道，向外拉注射器活塞然后松手——如果活塞能自动回弹到原位，说明什么？对，说明内部形成了负压且没有漏气。”我将巡视各小组，针对组装困难提供个性化指导，并鼓励已完成的小组尝试用不同的方法检查气密性。学生活动：学生以小组为单位，依据视频和说明书，协作完成装置组装。重点练习橡胶管与玻璃器件的连接技巧。按照教师示范的方法，对组装好的装置进行气密性检查，并记录检查结果。小组内部进行调试，排除漏气等故障。即时评价标准：1.组装流程规范、有序，组员间有明确分工与协作。2.能成功完成装置的气密性检查，并能解释检查方法的原理。3.遇到连接或密封问题时，能尝试运用技巧或寻求组内讨论解决，而非轻易放弃。形成知识、思维、方法清单：★气密性检查的原理与方法：利用装置内外气压差产生的现象（如活塞回位、液面差稳定）来判断系统密封性，这是确保实验数据可靠的首要前提。▲工程实践中的细节意识：在实验装置组装中，微小的连接不当（如橡胶管未插紧）可能导致整体功能失效，培养严谨、细致的操作习惯至关重要。●故障排除思维：当装置不工作时，应系统性地从气路连通性、阀门状态、密封点等可能环节逐一排查，建立结构化的问题解决思路。任务三：实战演练——采样检测与初步数据分析教师活动：“我们的检测站已整装待发！现在有两份‘神秘’的空气样本A和B，它们可能来自教室角落和通风良好的窗口。我们的任务是：用同样的检测站、同样的检测剂量、同样的观察时间，比较哪份样本让石灰水变得更浑浊？”我将引导学生明确对比实验的关键——控制变量。“大家开始前，先和组员确认一下，我们要保证哪些条件完全相同？”在学生实验过程中，我将穿梭指导，提醒规范操作，并抛出递进性问题：“浑浊程度不同，直接说明了什么？能否绝对地说A样本的二氧化碳含量是B的两倍？为什么？”引导学生认识半定量测量的意义与局限。学生活动：小组讨论并确定对比实验方案，明确控制变量。分别使用注射器抽取等体积的样本A和B，注入各自检测站，观察并记录澄清石灰水变浑浊的速度与最终浑浊程度。对比两组现象，进行组内分析，尝试得出初步结论。完成实验记录单的填写。即时评价标准：1.能清晰表述本组对比实验的设计，突出对“变量控制”的应用。2.操作规范，能进行等体积采样与注入。3.观察记录细致，能对现象差异进行基于证据的描述和初步推理。形成知识、思维、方法清单：★对比实验与变量控制：科学比较必须基于单一变量原则，确保其他条件一致，才能使观测到的差异归因于目标变量（此处是空气样本）。★从现象到结论的证据推理：实验现象（浑浊程度）是推理的依据，结论（样本A的二氧化碳相对含量可能更高）是对证据的解释，二者需逻辑一致。▲科学测量的相对性认识：本实验属于半定量测量，能比较相对高低，但不能给出精确浓度值，理解不同测量工具的精度层次是科学素养的一部分。任务四：成果展示与思维深化教师活动：邀请23个小组上台展示他们的检测站成品，并汇报对样本A、B的检测结果与推理过程。“请向大家说说你们看到了什么，以及由此得出的判断是什么。”我将引导全班关注汇报的逻辑性与证据的充分性。随后，提出升华问题：“我们组装的是针对二氧化碳的检测站。如果我想监测空气中的可吸入颗粒物（PM2.5），这个装置的设计思路可以借鉴吗？哪些部分需要彻底改变？”以此推动学生将模型思维进行迁移应用。学生活动：展示小组进行成果汇报，其他小组聆听并思考。全班共同讨论教师提出的迁移性问题，思考不同污染物检测原理的根本差异，探讨通用设计（如采样、气流控制）与特异性设计（检测模块）的结合。即时评价标准：1.展示汇报时，语言清晰，逻辑连贯，能结合装置和实验现象进行说明。2.能积极参与迁移性问题的讨论，提出有依据的设想（如“测PM2.5可能需要用到光学传感器而不是化学试剂”）。形成知识、思维、方法清单：★模型的普适性与特异性：本“检测站”是一个“采样检测指示”的功能模型，此框架具有普适性；但具体的“检测”模块需根据被测物的物理化学性质进行特异性设计。▲科学技术的跨学科性：真实的空气质量监测融合了化学（反应原理）、物理（流体力学、传感器技术）、工程学（结构设计）、数据科学等多学科知识。●表达与交流：清晰地陈述实验过程、现象和基于证据的结论，是与他人分享科学发现、接受同行评议的重要环节。任务五：反思优化与拓展遐想教师活动：分发课堂过程性评价量规，引导学生以小组为单位，从“原理理解”、“组装质量”、“合作效率”、“数据记录”等方面进行自评与互评。“请大家想一想，在刚才的活动中，哪个环节你觉得最有挑战？如果时间允许，你希望如何优化你的检测站？（比如，能否实现连续监测？数据如何更直观？）”鼓励学生提出任何改进的奇思妙想。学生活动：小组参照量规进行自评与互评，开展反思性讨论。分享活动中遇到的困难及解决方法。畅想装置的改进方案，如增加多个检测池、设计量化比色卡、连接电子传感器等，并进行简要记录。即时评价标准：1.能依据量规客观评价自己及他人的表现，评价言之有物。2.反思内容具体，能识别个人或小组在知识、技能或协作上的成长点与不足。3.提出的优化设想能体现一定的创新意识或对装置性能提升的思考。形成知识、思维、方法清单：★评价促进发展：利用明确的评价标准进行自我审视和同伴互评，有助于精准发现优势与短板，明确后续改进方向。▲工程设计的迭代性：任何设计和产品都有优化空间，基于测试结果和反思进行改进，是工程实践的核心循环。●创新思维萌芽：鼓励在理解基本原理的基础上进行合理改进与想象，是培养创新能力的起点。第三、当堂巩固训练

1.基础层：请在下图所示的检测站简化流程框图中，填写空缺部分的关键部件名称或功能。（图示：空气样本→(？：实现抽气与定量)→(？：控制气流方向)→(？：发生反应并产生现象)→观察记录）“想一想，哪个部件是动力的来源，哪个是反应的‘舞台’？”

2.综合层：小组的检测站在检查气密性时，发现拉动注射器活塞后，松手活塞不能回位。请你分析可能导致此现象的两种原因，并说明对应的解决方法。“从‘哪里可能漏气’和‘阀门状态对不对’两个角度去思考。”

3.挑战层：现有一份空气样本C，检测发现其使澄清石灰水变浑浊的速度和最终程度均大于我们之前测试的样本A。有同学直接得出结论：“样本C的二氧化碳浓度最高。”你认为这一结论是否严谨？请说明理由，并指出如何使结论更可靠。“记住，我们的比较基准是什么？只比较C和A足够吗？”

反馈机制：基础层题目通过集体核对方式快速反馈；综合层与挑战层题目，先由小组讨论，再请不同小组分享答案，教师进行点评和梳理，特别展示对挑战层问题的多角度分析，强化证据推理的严谨性。第四、课堂小结

“今天这节课，我们从一张雾霾照片出发，完成了一次奇妙的化学工程之旅。”引导学生一起回顾：“我们解密了检测站的化学原理，动手实现了从零件到整体的组装，运用它进行了对比检测并分析数据，最后还反思和畅想了优化可能。这条‘原理实践数据反思’的路径，正是许多科学探究与工程实践的缩影。”请学生用一两句话写下本节课最大的收获或仍存的疑惑，作为下课前的自我梳理。

作业布置：必做作业：完善实验记录单，并绘制一份检测站的工作原理示意图，用箭头标注空气流动路径。选做作业（二选一）：1.设计一个方案，利用家庭中易得材料（如吸管、小瓶），制作一个超简易的“呼气中二氧化碳检测器”。2.查阅资料，了解一种真实环境中用于监测空气质量（如PM2.5、二氧化硫）的仪器或传感器，其基本原理是什么？与我们的化学检测法有何异同？下节课我们将分享这些有趣的发现。六、作业设计基础性作业：全体学生必做。1.整理并完成课堂实验记录单，确保实验目的、步骤、现象、结论记录完整、清晰。2.在笔记本上绘制微型空气质量检测站（以二氧化碳检测为例）的装置简图，并用文字简要说明其工作流程。目的是巩固课堂核心知识与实践记录规范。拓展性作业：大多数学生可完成。情境化应用：假设你是社区环保宣传员，需要向居民解释“为什么机动车尾气会影响空气质量？”。请结合本节课所学，设计一个简短的讲解方案（可配图示），说明如何用简单的化学方法初步验证尾气中含有二氧化碳。此作业旨在促进知识的生活化迁移与表达。探究性/创造性作业：学有余力学生选做。微型项目设计：基于“检测站”模型，提出一个针对教室或家庭室内空气质量（除二氧化碳外）的你感兴趣的监测小项目构想（如监测烹饪产生的油烟影响、植物对空气的净化作用等）。撰写一份简要的项目计划书，包括：想监测的目标、推测其可能具有的化学或物理性质、设计监测方法的基本思路（无需具体组装）、计划如何呈现数据。此作业强调开放探究、跨学科联系与创新规划能力。七、本节知识清单及拓展

★1.微型空气质量检测站的功能模型：其核心是一个“采样→传输→检测→指示”的系统。采样部分（如注射器）负责获取定量空气样本；传输与控制部分（如管路、三通阀）负责引导气流按设定路径流动；检测部分（如盛有试剂的具支试管）是发生特征化学反应的核心区域；指示部分即反应产生的可见现象，作为判断依据。

★2.二氧化碳的化学检测原理：利用二氧化碳(CO₂)与氢氧化钙(Ca(OH)₂)溶液反应生成不溶于水的碳酸钙(CaCO₃)沉淀，从而使澄清石灰水变浑浊。化学方程式为：CO₂+Ca(OH)₂=CaCO₃↓+H₂O。这是本检测站设计的化学基础。

★3.对比实验中的变量控制思想：为探究某一因素（如不同地点空气）的影响，必须保证其他可能影响结果的条件（如检测试剂量、反应时间、采样体积、观察标准等）完全相同，才能使实验差异有说服力地归因于目标因素。这是科学探究的基本方法。

★4.装置气密性检查的原理与方法：通过人为制造装置内外气压差（如抽拉活塞制造内部负压），观察气压平衡恢复的情况（如活塞是否回位）。若装置密封良好，则外部气压会推动活塞回位；若有漏气，则内外气压迅速平衡，活塞不动。这是确保实验成功的第一步。

▲5.半定量测量与定性测量的区别：定性测量只回答“有没有”（如是否变浑浊），而半定量测量能初步比较“有多少”（如浑浊程度更深）。我们的检测站属于半定量测量，它能比较相对含量，但无法给出如“毫克/立方米”这样的精确绝对数值。

▲6.从证据到结论的推理逻辑：科学结论必须建立在观察到的证据之上，并合理解释证据。例如，“因为样本A使石灰水变得更浑浊（证据），所以样本A中二氧化碳的相对含量可能更高（结论）”。要避免无证据的断言或过度推理。

●7.工程组装中的系统思维与细节意识：一个功能性装置是由多个部件协同工作的系统。组装时需理解整体流程，同时关注每一个连接点的细节（如橡胶管是否插紧、阀门方向是否正确），细节失误可能导致整个系统失效。

●8.科学实践中的协作与交流：在小组探究中，有效的分工、及时的沟通、共同的决策是高效完成任务的关键。清晰地向他人展示成果、阐述观点，并能倾听和评价他人的工作，是重要的科学交流能力。

▲9.真实环境监测的复杂性：真实的空气质量监测站监测的指标远不止二氧化碳，还包括PM2.5、PM10、二氧化硫、氮氧化物、臭氧等，每种物质的检测原理不同（物理、化学、光学等），且需要高精度传感器、自动连续采样和远程数据传输等复杂技术。

▲10.化学在环境科学与工程中的角色：化学提供了识别和测定污染物的基本原理与方法（如特征反应）。环境工程则运用这些原理，设计并制造出能够自动、连续、准确工作的监测与治理设备，是化学知识在实际问题中的工程化应用。八、教学反思

（一）目标达成度分析：从课堂观察和学生活动产出看，知识目标与能力目标达成度较高。绝大多数小组能成功组装并运行检测站，并能合理解释其原理。在“当堂巩固训练”中，基础层与综合层题目正确率良好，表明核心知识与关键技能得到了落实。情感与价值观目标在小组协作和联系环境议题的讨论中得到自然渗透，学生参与热情高。科学思维目标中的“模型建构”通过装置分解与整合得以体现，“证据推理”在数据分析环节有初步应用，但深度有待加强。元认知目标通过最后的反思评价环节实现，学生开始有意识回顾过程，但系统性的策略反思仍需长期培养。

（二）环节有效性评估：导入环节的情境对比图片迅速抓住了学生注意力，驱动问题明确。新授环节的五个任务层层递进，逻辑线清晰。“任务二”的组装与气密性检查是耗时最多但也最出彩的环节，学生在此处遇到了真实的挑战（漏气、阀门弄错），而恰恰是解决这些问题的过程，极大地深化了他们对装置系统性、严谨性的理解。我当时的巡视指导策略是“先观察，后介入；问原因，给提示”，效果较好。“任务三”的对比实验设计，部分小组起初忽略了“等体积采样”，通过即时提问“你们打算各抽多少空气？”