初三化学跨学科复习课：碳中和行动方案设计与气体制取专项突破

初三化学跨学科复习课：碳中和行动方案设计与气体制取专项突破一、教学内容分析  本课立足于《义务教育化学课程标准（2022年版）》对“物质的化学变化”主题与社会性科学议题（SSI）整合的要求，是一次深度的专题复习与跨学科实践。从知识技能图谱看，其核心在于“常见气体的实验室制取原理与装置”这一经典实验主题的系统化重构，以及“碳循环与碳中和”这一前沿社会议题的化学本质剖析。前者要求学生能够迁移应用反应原理、发生与收集装置的选择依据，完成从知识点到能力线的跃升，是中考实验探究题的高频考点与能力支撑点；后者则要求学生从宏观现象回归微观本质，理解二氧化碳的源与汇、吸收与转化，是建立“科学技术社会环境”（STSE）关联的关键节点。从过程方法路径而言，本课旨在通过“基于真实问题的项目式学习”（PBL）路径，驱动学生经历“提出问题设计方案评估优化”的完整科学探究流程，将学科思想方法（如控制变量、模型建构）转化为解决复杂问题的实践能力。从素养价值渗透观之，教学内容承载了发展“科学探究与创新意识”、“科学态度与社会责任”核心素养的明确指向。通过设计低碳行动方案，引导学生理解化学在应对全球气候挑战中的角色，培养其批判性思维、协作精神与可持续发展的价值观，实现知识学习与立德树人的深度融合。  学情研判方面，学生正处于中考一轮复习阶段。已有基础是，他们对氧气、二氧化碳、氢气的制取有分散性记忆，对碳中和概念也有一定的社会认知。然而，普遍存在的障碍在于：知识碎片化，难以自主构建系统的气体制取知识网络；将化学原理应用于真实复杂情境的能力薄弱，常陷入“知”与“行”的脱节；在方案设计中，易忽视技术可行性与经济成本的平衡考量。因此，教学过程中将设计“前测诊断单”快速扫描知识盲点，并通过搭建“任务脚手架”与提供“差异化资源包”进行动态调适。对于基础薄弱学生，强化核心原理与基础操作的再认与再现；对于学有余力者，则挑战其进行多方案比较、创新性设计与综合性论证，确保不同认知起点的学生都能在“最近发展区”内获得实质性成长。二、教学目标  知识目标：学生能够系统梳理并深度理解常见气体（O2、CO2、H2）的实验室制取原理、装置选择依据与操作要点，构建起以“反应物状态与条件”为核心的发生装置模型和以“气体密度与溶解性”为核心的收集装置模型。同时，能阐释碳中和的化学内涵，列举并解释基于化学原理的碳减排与碳增汇的主要途径。  能力目标：学生能够综合运用气体制取与性质的知识，为一项具体的校园低碳行动（如“零碳班级”创建）设计包含技术路径、简易实验方案及评估指标的初步方案。在方案设计中，展现信息整合、实验设计（含装置草图）、基于证据进行推理论证及清晰表达的能力。  情感态度与价值观目标：通过聚焦家乡（辽宁）的能源结构转型与生态振兴议题，激发学生运用所学服务社会的责任感。在小组协作设计行动方案的过程中，培养团队合作意识、理性讨论的科学态度以及对技术应用两面性的初步辩证思考。  科学思维目标：重点发展学生的系统思维与模型认知能力。引导他们将零散的实验知识整合成可迁移的“气体制备”思维模型，并运用该模型分析与评价实际问题的解决方案。同时，培养将宏观社会议题（碳中和）分解为可研究的化学科学问题的转化思维。  评价与元认知目标：引导学生依据提供的评价量规，对小组及他组的初步行动方案进行多维度的评价与优化。鼓励学生反思在解决复杂任务过程中，自身知识体系的漏洞与思维策略的得失，初步形成“设计实施评估改进”的工程思维闭环意识。三、教学重点与难点  教学重点：常见气体实验室制取知识体系的系统化重构与迁移应用能力。其确立依据源于课程标准对“发展科学探究能力”的明确要求，以及辽宁省中考化学试题一贯强调的“在真实情境中考查实验探究与综合应用能力”的命题导向。该重点内容是连接基础实验操作与高阶问题解决的桥梁，对后续所有涉及物质制备与性质的综合复习具有奠基性作用。  教学难点：将化学知识与技能创造性应用于设计切实可行的低碳行动方案，并在方案中体现科学性、可行性及创新性的平衡。难点成因在于，这需要学生克服从“解题”到“解决实际问题”的思维跨越，涉及多知识点融合、跨学科思考及对现实约束条件（如成本、安全）的考量。这既是学生认知的难点，也是素养提升的关键增长点。突破方向在于提供结构化的方案设计支架与分层次的思维引导问题链。四、教学准备清单  1.教师准备  1.1媒体与教具：交互式课件（含辽宁能源结构数据图、碳中和知识微视频、气体制取虚拟实验室模块）；实物投影仪；常见气体发生与收集装置模型卡片（可拼接）。  1.2文本与工具：《课堂学习任务单》（含前测、活动记录、后测）；《低碳行动方案设计支架与评价量规》活页；分层巩固训练题卡。  2.学生准备  2.1知识预备：复习九年级上册“制取氧气”、下册“二氧化碳的实验室制取与性质”相关内容。  2.2物品：笔、化学教材、作业本；以46人为一小组，提前分组并确定角色（如组长、记录员、发言员等）。  3.环境布置  3.1座位安排：小组合作式座位排列，便于讨论与展示。  3.2板书记划：预留核心概念区（气体制取模型）、方案生成区（学生点子）、总结提升区（知识网络图）。五、教学过程第一、导入环节  1.情境冲击与问题提出：同学们，先请大家看一段关于我们家乡辽宁近年来在新能源发展和生态建设方面的短片。（播放约1分钟短视频，展示风电、光伏项目、森林城市景观，同时呈现一组辽宁碳排放与吸收的对比数据图）看完后，大家有什么感受？“我们省在绿色转型的道路上正在加速奔跑。但是，‘碳中和’这个宏伟目标，离我们每个人的生活远吗？今天，我们不谈空泛的大道理，就问一个具体的问题：如果我们班级想发起一个‘零碳周’活动，我们能用学过的化学知识做些什么？”  1.1唤醒旧知与明晰路径：要回答这个问题，我们需要两把“化学钥匙”。一把是理解“碳”从哪里来、到哪里去，这就是“碳中和”的化学本质。另一把更具体，就是如何获取和利用那些与碳循环息息相关的物质，比如氧气、二氧化碳。这不正好和我们一轮复习的“常见气体的制取”专项紧密相连吗？所以，这节课，我们就来一场“跨界”复习：一边深入理解碳中和，一边系统攻克气体制取，最终目标是为我们的班级设计一份有化学“含金量”的低碳行动方案。第二、新授环节任务一：重构知识网络——气体制取的“模型大厦”  教师活动：首先，我们来搭建气体制取的知识框架。教师不会带大家从头背诵，而是提出一个核心问题：“如果现在需要你在实验室里安全、高效地制备一种气体，你的决策思路是什么？”我将引导大家从“反应原理”这个源头开始思考。我会用实物投影展示高锰酸钾、双氧水、石灰石与稀盐酸、锌粒与稀硫酸等药品，提问：“大家看，根据反应物的状态和反应条件，我们可以把发生装置大致分为几类？每一类的设计精髓是什么？”接着，我会展示氧气、二氧化碳、氢气的收集方法，追问：“选择收集方法的根本依据，是不是就藏在气体的物理性质里？我们来总结一下这个‘决策树’。”最后，我会将大家的发言进行结构化梳理，在黑板上构建起以“原理→发生装置（固固加热型、固液常温型）→收集装置（向上/下排空气法、排水法）”为主干的知识模型图。同时，我会特别提醒：“装置气密性检查，就像给自行车轮胎打气前要先检查是否漏气一样，是确保实验成功的‘第一步’，千万不能省。”  学生活动：学生以小组为单位，根据教师提问，利用教材和已有知识进行快速回顾与讨论。他们需要合作将教师提供的装置模型卡片进行分类拼接，并尝试用简洁的语言说明分类依据。一位代表将上前，在教师的引导下，将卡片贴在黑板相应位置，参与构建可视化的知识网络。其他学生同步在《学习任务单》上绘制或补充自己的知识结构图。  即时评价标准：1.能否准确依据反应物状态和条件对发生装置进行分类。2.能否清晰表述收集方法与气体密度、溶解性之间的因果关系。3.小组讨论时，成员是否积极参与，贡献观点。4.构建的个人知识图是否逻辑清晰、要点完整。  形成知识、思维、方法清单：  ★气体发生装置选择模型：核心依据是反应物的状态和反应条件。固固加热型（如加热高锰酸钾制氧），装置特点是试管口略向下倾斜；固液常温型（如双氧水制氧、实验室制二氧化碳），装置核心是能控制反应的发生与停止（如用长颈漏斗或分液漏斗，配合有孔隔板或开关）。  ★气体收集装置选择模型：核心依据是气体的密度（与空气比较）和溶解性。排水法适用于不易溶于水且不与水反应的气体（如O2、H2）；排空气法向上（密度比空气大，如CO2、O2），向下（密度比空气小，如H2）。注意：排空气法收集的气体通常不如排水法纯净。  ▲关键操作点：实验前必须检查装置气密性；加热固体制备气体时，实验结束应先将导管移出水面，再熄灭酒精灯，防止水倒吸。  方法提炼：建立“条件装置”的对应模型，是解决未知气体制备问题的通用思维工具。任务二：解码社会议题——碳中和的“化学方程式”  教师活动：有了制备气体的能力，我们再来看看“碳中和”这个宏大目标里，有哪些化学问题。我不直接给出定义，而是引导学生思考：“从化学视角看，‘碳排放’主要是什么物质的排放？（二氧化碳）那么‘碳中和’就好比一个天平，一边是碳排放的‘源’，另一边是什么？”让学生从化学反应的角度去想，哪些过程可以成为二氧化碳的“汇”。我会引导：“大家想想，除了植树造林这种生物吸收，我们学过的哪些化学反应也能‘吃掉’二氧化碳？”（如二氧化碳与碱溶液反应）。进而提出更深层次的问题：“如果不仅要‘吸收’，还要‘利用’，化学家们还在研究哪些将二氧化碳转化为有用物质的途径？”（如合成燃料、塑料等）。在此过程中，我会简要介绍工业上碳捕集、利用与封存（CCUS）技术的化学原理，将学生的视野从实验室引向现代科技前沿。  学生活动：学生聆听并思考教师提出的问题，尝试用化学方程式表达二氧化碳的排放（如化石燃料燃烧）和吸收（如光合作用、与氢氧化钙反应）过程。小组内讨论并列举可能的人工转化二氧化碳的化学途径，并思考其可行性。在任务单上完成“碳的化学循环”简图，标注出主要转化过程及对应的化学反应类型。  即时评价标准：1.能否从化学视角准确界定“碳源”与“碳汇”。2.能否正确书写出至少两个涉及二氧化碳生成与消耗的化学方程式。3.讨论中是否展现出对科技解决环境问题的兴趣与开放性思考。  形成知识、思维、方法清单：  ★碳中和的化学本质：指通过植树造林、节能减排、碳捕集等形式，抵消人类活动产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳的“净零排放”。化学核心是调控碳元素的转化与循环。  ★主要碳汇的化学原理：自然过程：光合作用（6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2）。人工过程：碱液吸收（如CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2O，用于检验CO2）。  ▲前沿方向——二氧化碳的资源化利用：通过催化加氢等反应，将CO2转化为甲醇（CH3OH）、甲酸等燃料或化工原料，实现“变废为宝”。这体现了绿色化学“原子经济性”的思想。  思维转化：将宏观的社会/环境问题（碳中和）拆解为具体的化学科学问题（CO2的排放、捕集、转化），是运用学科知识参与社会议题讨论的关键能力。任务三：设计行动方案（初稿）——我的“零碳班级”蓝图  教师活动：现在，是时候进行“化学创想”了。各小组请领取《低碳行动方案设计支架》。我们的目标是：为班级“零碳周”设计一个具体、可操作、且有化学特色的行动点子。支架上会提供几个方向提示，例如：“如何监测教室内的二氧化碳浓度？（涉及CO2的制取与检验）”、“能否设计一个简易装置吸收同学们呼出的部分CO2？”、“如何利用化学知识促进班级的节能减排？（例如，从反应条件优化角度思考）”。我会巡视各组，提供差异化指导：对思路受阻的小组，通过提问启发（“你们还记得检验二氧化碳的方法吗？这个原理能用上吗？”）；对进展顺利的小组，则挑战他们思考方案的可行性、成本与安全性（“你设计的这个吸收装置，材料容易获取吗？如何确保安全？”）。  学生活动：小组成员围绕选定的方向进行头脑风暴。他们需要结合前两个任务所学的知识，商讨行动的具体内容、所需化学原理、简要步骤或装置草图。记录员在方案设计支架上快速记录关键想法和初步设计。这是知识应用与创意迸发的核心阶段。  即时评价标准：1.方案是否明确运用了本节课或已学的化学原理。2.设计思路是否具有一定的创新性和可操作性。3.小组分工是否合理，讨论是否高效、聚焦。4.初步方案记录是否清晰、有条理。  形成知识、思维、方法清单：  ★方案设计核心要素：一个完整的行动方案需包括：行动名称、化学原理（核心方程式或理论）、简要步骤/装置描述、预期效果。这是将想法落地的结构化框架。  ▲范例启发：方案方向举例：1.“教室空气碳监测”：利用石灰水浑浊程度简易比对不同时段教室CO2浓度。2.“绿色呼吸小助手”：设计一个装有碱石灰的小型便携式空气净化模型。3.“节能灯下的催化剂”：宣传使用LED灯（电能转化为光能效率更高，间接减少发电碳排放）。  方法实践：项目式学习（PBL）的关键步骤——将知识应用于真实问题情境，在设计中整合多重要素，初步体验工程设计的流程。任务四：方案论证与优化——我是“化学项目评审官”  教师活动：各小组已经有了初步构想，现在我们来开一个“微型方案论证会”。我会邀请12个小组上台展示他们的初稿，时间控制在2分钟内。展示后，引导全班同学依据《评价量规》进行点评。量规维度包括：化学原理的正确性、设计的创新性、实施的可行性、表达的逻辑性。我的角色是引导讨论深入：“大家觉得他们这个利用植物吸收CO2的想法很好，但在一周内效果显著吗？我们能不能结合化学，给它加个‘加速器’？”或者“这个收集呼出CO2制取碳酸饮料的想法很有创意，但从实验室安全规范角度看，需要注意什么？”通过集体智慧的碰撞，优化方案。同时，我会点评各组的亮点，并针对共性不足进行补充讲解。  学生活动：展示小组派代表清晰陈述方案。其他小组学生认真聆听，依据评价量规思考，并准备提出建设性意见或疑问。进行同伴互评，提问或补充。所有学生根据讨论中受到的启发，在课后进一步完善本组的方案。  即时评价标准：1.展示者能否清晰、有条理地阐述方案的核心。2.评价者能否依据量规，提出有依据的、建设性的意见。3.互动过程是否尊重、理性、聚焦于方案改进。  形成知识、思维、方法清单：  ★科学方案的评价维度：一个优秀的方案需要兼顾科学性（原理正确）、创新性（思路新颖）、可行性（条件允许、操作安全）、效益性（有一定效果）。这是批判性思维和工程思维的综合体现。  ▲优化思维的触发点：当方案遇到瓶颈时，可以思考：能否替换更绿色、廉价的药品或材料？能否简化操作步骤？能否与其他学科（如生物、物理）知识结合产生更好效果？  素养提升：通过论证与优化，学生从“设计者”转变为“评审者”，视角的转换极大地促进了批判性思维、交流合作能力以及对科学技术社会复杂关系的深入理解。第三、当堂巩固训练  1.基础巩固层（全员完成）：完成《学习任务单》上的“气体制取快问快答”。包含：根据化学方程式判断发生装置类型；根据气体性质选择收集方法并说明理由；指出给定装置图中的错误并改正。（教师活动：巡视批改，快速获取全班基础达标情况，针对普遍错误进行即时纠偏。）  2.综合应用层（大部分学生挑战）：呈现一个情境题：“为验证‘低碳行动’中植物光合作用吸收CO2的效果，需要在光照下测定密闭容器中CO2含量的减少。请从下列仪器中挑选并组装一套发生、净化和收集CO2的装置，并简述用该收集到的CO2进行后续实验的思路。”（教师活动：抽取不同思路的学生答案进行投影展示，引导大家比较优劣，聚焦“实验目的与装置功能匹配”这一核心思维。）  3.挑战拓展层（学有余力选做）：开放性问题：“如果将任务三中的行动方案，扩展为一个面向全校的‘化学助力碳中和’科技实践活动，你认为还需要考虑哪些非化学因素（如宣传、组织、成本评估）？请列出你的项目计划要点。”（教师活动：鼓励创新思考，将优秀想法记录在“班级创新墙”上，作为课后拓展项目的种子。）第四、课堂小结  同学们，今天这节“跨界”复习课，我们完成了两件大事。第一件，我们不是零散地记忆，而是像搭积木一样，重建了气体制取的系统模型。第二件，我们尝试用化学的“眼睛”和“双手”，去触碰“碳中和”这个时代课题，并画出了属于自己的行动草图。现在，请大家花两分钟时间，在任务单的背面，用关键词或简易的思维导图，梳理一下这节课你构建起来的最核心的知识链条和思维路径。（学生自主梳理）课后，请根据我们今天讨论的成果，完成你们小组低碳行动方案的最终版，这将是我们下节课展示和交流的基础。必做作业是完善方案稿；选做作业是，寻找家中或社区里一个与“碳”相关的小现象，试着用化学语言去解释或提出一个微型改进设想。六、作业设计  基础性作业（必做）：  1.整理课堂构建的“气体实验室制取（O2、CO2）”知识网络图，并熟记核心原理、装置选择依据及关键操作要点。  2.以小组为单位，结合课堂讨论与同伴反馈，将本组的“低碳行动方案”完善成一份包含名称、目的、化学原理、简要步骤、所需材料（清单）、预期效果及安全注意事项的最终稿（A4纸一页以内）。  拓展性作业（建议完成）：  3.完成教辅资料《辽宁中考化学一轮复习分层作业本》中“专项突破1：常见气体的制取”的基础达标部分习题，巩固模型应用。  4.调研一种生活中或新闻报道中提及的“低碳技术”（如碳纤维材料、生物柴油、二氧化碳地质封存等），用简短的文字说明其与化学学科的关联。  探究性/创造性作业（选做）：  5.尝试为你的低碳行动方案中涉及的化学操作部分，绘制更详细的装置草图或制作一个简易模型（可使用家庭易得材料）。  6.撰写一篇小型论述短文，题目为《如果我是家乡的“碳中和”顾问——从化学视角看辽宁的绿色发展》，要求观点明确，至少运用两个本节课涉及的化学知识或原理。七、本节知识清单及拓展  1.★气体发生装置模型（两大类别）：固固加热型：反应物均为固体，需加热。典型实验：加热高锰酸钾或氯酸钾（加二氧化锰催化剂）制氧气。关键：试管口略向下倾斜（防水倒流），导管稍伸出胶塞。固液常温型：反应物为固体与液体，无需加热。典型实验：双氧水（加二氧化锰）制氧气、石灰石与稀盐酸制二氧化碳、锌粒与稀硫酸制氢气。装置核心：可通过分液漏斗（或长颈漏斗）控制液体流速，利用有孔隔板（或开关）实现固液分离以控制反应。  2.★气体收集方法选择依据：排水法：气体不易溶于水且不与水反应（如O2、H2）。优点：纯度较高。向上排空气法：气体密度大于空气（如CO2、O2）。向下排空气法：气体密度小于空气（如H2）。排空气法操作简便但不纯，需验满。  3.★实验室制氧气（两种主要方法）：加热高锰酸钾：2KMnO4→K2MnO4+MnO2+O2↑（固固加热型，需在试管口塞一团棉花）。催化分解过氧化氢：2H2O2→2H2O+O2↑（固液常温型，MnO2为催化剂）。  4.★实验室制二氧化碳：CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2↑（固液常温型）。不用硫酸（因生成微溶CaSO4覆盖表面阻止反应），不用浓盐酸（挥发出HCl气体使气体不纯）。  5.★实验室制氢气：Zn+H2SO4（稀）→ZnSO4+H2↑（固液常温型）。氢气密度最小，可用向下排空气法或排水法收集，点燃前务必验纯。  6.★装置气密性检查（通用方法）：将导管末端浸入水中，用手紧握试管（或微热），若导管口有气泡冒出，松开手后导管内形成一段水柱，则气密性良好。  7.★二氧化碳的检验与验满：检验：通入澄清石灰水，石灰水变浑浊（Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O）。验满：将燃着的木条放在集气瓶口，木条熄灭。  8.★氧气的验满：用向上排空气法收集时，将带火星的木条放在集气瓶口，木条复燃。  9.★碳中和（CarbonNeutrality）：指通过植树造林、节能减排、碳捕集与封存等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳的“净零排放”。化学本质是管理碳元素的生物地球化学循环。  10.★主要碳排放源（化学视角）：化石燃料（煤、石油、天然气）的燃烧，主要反应为碳、氢元素与氧气的氧化反应，生成CO2和H2O并释放能量。  11.★主要碳汇（化学视角）：自然碳汇：绿色植物的光合作用（将CO2和H2O转化为有机物和O2）。人工碳汇/利用：碱液吸收（如工业尾气处理）；二氧化碳的资源化利用（如加氢制甲醇：CO2+3H2→CH3OH+H2O）。  12.▲催化剂：在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质。二氧化锰在过氧化氢分解中作催化剂。  13.▲绿色化学：其核心是从源头上减少或消除污染，追求“原子经济性”。二氧化碳的资源化利用是绿色化学的重要研究方向。  14.▲简易气体干燥与净化：可根据气体性质选择干燥剂。如CO2可用浓硫酸干燥，但碱性气体（如NH3）则不能用。除杂需考虑不引入新杂质。  15.思维方法：模型认知法（构建气体制取通用模型）、系统思维法（将碳中和视为一个涉及多环节的复杂系统）、STSE关联法（将科学知识与社会、技术、环境问题相联系）。八、教学反思  （一）教学目标达成度评估从当堂巩固训练反馈与小组方案初稿来看，“气体制取知识体系重构”这一知识目标达成度较高，多数学生能准确匹配原理与装置。能力目标“设计初步行动方案”部分达成，但方案的科学严谨性与可行性差异显著，这恰是后续需要持续指导的重点。情感与价值观目标在课堂热烈讨论中得到了良好渗透，学生对家乡议题展现出真切的关注。科学思维与元认知目标的实现是一个长期过程，本节课成功“播种”，引入了模型构建与方案评价的初步体验。  （二）核心环节有效性剖析任务一（重构网络）采用“问题驱动+卡片建模”的方式，比单纯讲授复习更高效地激活了学生的已有认知，参与度高。任务三（设计初稿）是整节课的“产出”核心，也是差异化体现最明显的环节。提供的“设计支架