基于分层理念与核心素养导向的初中科学教学设计-以“二氧化碳的性质与转化”为例

基于分层理念与核心素养导向的初中科学教学设计——以“二氧化碳的性质与转化”为例一、教学内容分析  本节课位于《义务教育初中科学课程标准（2022年版）》“物质的结构与性质”及“物质的转化”主题交汇处，是学生系统认识元素化合物知识、建构“结构性质用途”认知模型、理解自然界碳循环的重要节点。从知识技能图谱看，学生需从物理性质、化学性质（如水溶液酸性、与碱反应、不支持燃烧等）两个维度掌握二氧化碳的核心属性，并理解其与温室效应、碳中和等社会议题的关联，这既是对氧气、燃烧等前序知识的深化，也为后续学习酸碱盐、碳循环乃至高中化学打下坚实基础。过程方法上，课标强调“科学探究”与“证据推理”，本节课将通过“探究二氧化碳溶解性”、“验证二氧化碳与澄清石灰水反应”等系列实验活动，引导学生经历“假设设计操作结论”的完整探究流程，训练其控制变量、规范操作、基于现象推理本质的科学思维。在素养价值层面，本课是培育“科学观念”（物质观、变化观）、“科学思维”（模型建构、推理）、“探究实践”（实验设计与实施）和“态度责任”（环保意识、社会参与）的绝佳载体。通过探讨二氧化碳的“功”（光合作用原料、灭火）与“过”（温室气体），引导学生辩证看待科技发展与环境保护的关系，树立可持续发展的价值观。  基于“以学定教”原则，八年级学生已具备一定的实验观察能力和微观粒子初步概念，对二氧化碳不陌生，但认知多停留在“能灭火”、“是气体”的浅层，易混淆其“不支持燃烧”与“能灭火”的逻辑关系，对“碳酸不稳定”等微观动态过程理解困难。部分学生动手能力强但归纳总结弱，另一部分则擅长理论推演但实验操作生疏。因此，教学需设计多层次、多感官的探究任务，满足不同认知风格学生的需求。课堂中，我将通过“前测问答”、“实验过程观察记录单”、“小组讨论贡献度”等形成性评价手段，动态捕捉学生理解盲点与思维火花。针对基础薄弱学生，提供“实验操作步骤提示卡”和“核心概念填空式学案”；针对学有余力者，则设置“挑战性问题”（如：设计实验证明汽水中的气体是CO₂）和“拓展阅读材料”（如：二氧化碳跨临界制冷技术），实现个性化支持与调适。二、教学目标  知识目标：学生能系统描述二氧化碳的物理性质（无色无味气体、密度比空气大、能溶于水）和关键化学性质（与水反应生成碳酸、与澄清石灰水反应、不支持燃烧也不可燃），并能基于“性质决定用途”的模型，解释其用于灭火、制汽水、人工降雨等的原理，初步构建起对二氧化碳的立体认知图景。  能力目标：学生能小组合作，规范、安全地完成“阶梯蜡烛熄灭”和“二氧化碳与水反应”的探究实验，准确记录现象并分析原因；能基于实验证据，运用归纳、演绎等方法进行推理，并清晰表述探究过程与结论，初步形成基于证据的科学论证能力。  情感态度与价值观目标：通过了解二氧化碳在自然界循环中的作用及过量排放的影响，学生能认识到人类活动与生态环境的相互依存关系，在讨论“低碳生活”措施时，能表现出理性的环境关切与社会责任感，愿意将所学知识应用于日常决策。  科学思维目标：重点发展学生的“模型认知”与“证据推理”思维。通过将分散的性质归纳整合，并关联其广泛用途，引导学生主动建构“结构性质用途”的认知模型；通过“为什么下层蜡烛先熄灭？”等追问，训练其从宏观现象出发，进行微观解释和逻辑推理的思维路径。  评价与元认知目标：引导学生利用“实验探究评价量规”进行小组自评与互评，反思在实验设计、操作规范性、团队协作中的得失；在课堂小结环节，鼓励学生绘制本节课的思维导图，并分享“我是如何记住二氧化碳性质的？”，从而提升对自身学习策略的监控与调节意识。三、教学重点与难点  教学重点为二氧化碳的化学性质，特别是其与水和氢氧化钙溶液的反应原理及现象。确立依据在于：其一，课标将此列为“理解”层次的核心概念，是构成“物质的转化”大概念的关键组成部分；其二，该知识点是后续学习碳酸盐检验、酸碱中和反应的重要基础，在学业水平考试中常以实验探究、物质推断等形式出现，分值高且综合性强。掌握这些性质，方能真正理解二氧化碳在自然界和工业生产中的多样角色。  教学难点在于引导学生从微观角度理解二氧化碳与水反应的动态过程，以及辨析“二氧化碳不支持燃烧”这一性质的普适性与相对性。难点成因在于：该反应涉及分子层面的变化，抽象性强，学生容易记住现象但难以理解本质；同时，学生受“水能灭火”等前概念影响，容易将“不支持燃烧”绝对化，难以理解镁条等活泼金属可在二氧化碳中燃烧的反例。预设通过数字化传感器直观显示溶液酸碱性变化、动画模拟分子作用过程、提供对比实验（镁条在CO₂中燃烧）等策略，搭建认知桥梁，促成概念转变。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含动画、图片、挑战性问题）、板书设计框架图。1.2实验器材（分组及演示）：1.二氧化碳制备与性质实验组合装置（锥形瓶、导管、集气瓶）。2.“阶梯蜡烛”实验装置（烧杯、高低不同的两支蜡烛、火柴）。3.“二氧化碳溶于水”探究套装（塑料瓶、水、盛满CO₂的集气瓶）。4.“二氧化碳与石灰水、石蕊溶液反应”试剂与仪器（澄清石灰水、紫色石蕊试液、滴管、试管）。5.（拓展）镁条、酒精灯、坩埚钳。1.3学习材料：分层学习任务单（含基础任务卡与挑战任务卡）、实验记录表、课堂巩固练习卷、“我的收获”反思便签。2.学生准备6.复习氧气的性质及燃烧条件。7.预习课本，尝试列举已知的二氧化碳相关事实。8.以小组为单位就座，便于合作探究。3.环境布置9.实验室桌椅分组排列，确保实验安全通道畅通。10.黑板预留核心概念区、探究过程区及学生生成区。五、教学过程第一、导入环节  1.创设认知冲突情境：同学们，今天我们先来看两段短视频。第一段，是森林火灾时直升机投下干粉灭火弹；第二段，是消防员正用高压泡沫枪扑灭油库大火。（播放视频）大家发现了吗？它们扑灭的都是烈火，但使用的“武器”却好像不一样。这背后有什么科学道理呢？再看这个（出示一瓶剧烈摇晃后打开的汽水），为什么一打开就有大量气体涌出？这些气体又是什么？  1.1提出核心驱动问题：看来，这种看不见摸不着的气体，既能“降服”火焰，又能“藏身”于饮料中带来清凉。它，就是我们今天要深入认识的“熟悉的陌生人”——二氧化碳。它究竟有哪些不为我们所熟知的本领（性质）？这些本领又如何决定了它在灭火、制汽水乃至影响全球气候中的不同角色（用途）呢？  1.2明晰学习路径：本节课，我们将化身科学侦探，通过一系列精心设计的实验探究，亲手揭开二氧化碳性质的神秘面纱。我们会先从它的物理性质入手，再重点探究它的几个关键化学性质，最后用我们发现的“线索”（性质），去解释和解决生活中的实际问题。准备好你们的观察眼和思考脑，我们的探究之旅，现在开始！第二、新授环节任务一：侦探初体验——感知二氧化碳的物理性质  教师活动：首先，请大家观察老师提前收集好的几瓶二氧化碳气体。来，靠近看看，能看见吗？扇闻一下（演示规范闻气味动作），有特殊气味吗？好，大家描述得很准确。现在，我有一个问题：如果我想像倒水一样，把集气瓶A中的二氧化碳“倒”进集气瓶B，能做到吗？怎么证明它确实“流”过去了呢？别急，我们先看一个经典实验。看，老师这里有一个烧杯，里面有两支一高一低的点燃的蜡烛。现在，我将一瓶二氧化碳气体像倒水一样缓缓倾倒入烧杯（边说边做）。大家屏住呼吸，仔细观察，蜡烛发生了什么变化？“哦！下面的先灭了，上面的后灭！”这说明了什么关于二氧化碳物理性质的关键信息？  学生活动：观察二氧化碳颜色、状态，尝试在教师引导下用正确方法闻气味。观察“阶梯蜡烛”实验，被有趣的现象吸引，热烈讨论“为什么下面的蜡烛先熄灭”。根据现象推理：二氧化碳是无色无味的气体；它能像水一样被倾倒，说明密度比空气大；它使蜡烛熄灭，可能与燃烧有关。  即时评价标准：1.观察是否全面、细致（如是否注意到蜡烛熄灭的先后顺序）。2.推理是否基于实验现象，结论表述是否清晰。3.能否将“倾倒”动作与“密度比空气大”这一性质建立逻辑联系。  形成知识、思维、方法清单：★二氧化碳的物理性质：通常状况下是无色、无味的气体。★密度比空气大：标准状况下密度约为1.977g/L，大于空气平均密度（约1.29g/L）。这是它能被“倾倒”并像“毯子”一样覆盖在可燃物表面的关键原因。▲方法提示：研究气体物理性质，通常从色、态、味、密度、溶解性等方面有序观察。“阶梯蜡烛”实验是证明二氧化碳密度大于空气的经典实验，现象鲜明，推理直接。任务二：解密“消失”的气体——探究二氧化碳的溶解性  教师活动：二氧化碳能溶于水吗？生活经验告诉我们，汽水里就有二氧化碳。但怎么用实验证明呢？我给每组准备了一个装满二氧化碳的塑料瓶和适量水。请大家先拧紧瓶盖，猜猜看，如果向瓶内加水并迅速拧紧，瓶子会有什么变化？（听取学生猜想）好，现在请各组按照任务单上的步骤一，动手做一做，并记录现象。“大家动作要快，加水后立刻盖紧哦！”巡视指导，提醒注意安全。实验后提问：“瓶子变瘪了！这说明了什么？是气体‘消失’了还是‘躲’到水里去了？”  学生活动：根据猜想设计简单步骤，动手进行实验：向充满CO₂的塑料瓶中加入约1/3体积的水，迅速旋紧瓶盖，振荡，观察瓶子形状变化。看到瓶子明显变瘪，感到惊奇并讨论原因。得出结论：二氧化碳能溶于水，瓶内气体减少导致压强减小，外界大气压将瓶子压瘪。  即时评价标准：1.实验操作是否规范、迅速（确保气体不大量逸散）。2.能否将“瓶子变瘪”的宏观现象与“气体减少、压强变化”的微观解释联系起来。3.小组分工是否明确，合作是否有效。  形成知识、思维、方法清单：★二氧化碳能溶于水：在通常状况下，1体积水约能溶解1体积二氧化碳，增大压强会溶解得更多。汽水、啤酒就是利用了这一性质。★科学探究中的证据转化：将不易直接观察的气体溶解现象，转化为可视的“瓶子形变”，体现了科学实验中“转化法”的巧妙运用。思维进阶：溶解是物理变化吗？溶解后的二氧化碳还是原来的二氧化碳吗？为下一任务埋下伏笔。任务三：变色的“魔术”——探究二氧化碳与水的化学反应  教师活动：二氧化碳溶于水，仅仅是一个物理过程吗？溶解后，它还是“安分”的二氧化碳分子吗？我们让石蕊试剂来当“侦察兵”。紫色石蕊试液遇酸会变红，这是它的特性。现在，我将二氧化碳气体通入盛有紫色石蕊试液的试管（演示）。看，颜色变了！真的是二氧化碳使它变红吗？有同学皱眉头了，是不是在想：会不会是水的作用？或者是二氧化碳气体本身？我们如何设计实验来一一排除这些可能？请大家以小组为单位，参考任务单上的“实验方案设计框架”，讨论并设计一组对比实验。  学生活动：观察演示实验，产生认知冲突（二氧化碳本身不是酸，为什么能使石蕊变红？）。小组合作，在教师提供的框架下设计对比实验方案：可能包括（1）向石蕊试液中加入干燥的CO₂气体；（2）向石蕊试液中加入水；（3）将CO₂通入水中，再将所得溶液滴入石蕊试液。通过讨论，明确控制变量的思想。在教师引导下实施关键实验，发现只有方案（3）中石蕊变红。  即时评价标准：1.设计的对比实验方案是否科学，能否有效控制变量、设置对照。2.能否清晰地阐述每一步实验设计的目的是什么（如：方案1是为了排除CO₂气体本身的影响）。3.能否根据实验现象链，得出“CO₂与H₂O反应生成了酸性物质”的合理结论。  形成知识、思维、方法清单：★二氧化碳与水反应：CO₂+H₂O=H₂CO₃（碳酸）。这是二氧化碳最重要的化学性质之一。★碳酸的特性：碳酸能使紫色石蕊试液变红，但酸性较弱，且不稳定。▲易错点提醒：是二氧化碳与水反应生成的碳酸使石蕊变红，不是二氧化碳本身。必须通过严谨的对比实验才能确证。★科学思维——控制变量法：这是科学探究中寻找因果关系的核心方法。在设计实验时，必须明确“改变什么？”（变量）、“保持什么不变？”（控制变量）、“和什么比较？”（对照）。任务四：捕捉气体的“指纹”——探究二氧化碳与澄清石灰水的反应  教师活动：如果有一种试剂，遇到二氧化碳就会产生独一无二、非常明显的现象，那它就可以作为检验二氧化碳的“身份证”。这种试剂存在吗？回想一下，我们学过的澄清石灰水，它的主要成分是氢氧化钙。现在，我向澄清石灰水中缓缓通入二氧化碳气体（演示）。“快看！发生了什么？”“变浑浊了！”对，产生了白色沉淀。这个白色沉淀是什么呢？它的生成，告诉我们二氧化碳具有什么化学性质？这个反应在生活中有何应用？比如，建筑工地上用石灰浆抹墙，开始时是软的，过一段时间会变硬，这和空气中的什么有关？  学生活动：观察教师演示实验，看到澄清溶液变浑浊，现象非常直观。在教师引导下，尝试书写反应化学方程式。联系生活实际（如石灰浆抹墙、久置的石灰水试剂瓶壁上的白膜），理解该反应的真实存在和应用。明确该反应是检验二氧化碳的特征反应。  即时评价标准：1.能否准确描述实验现象（“澄清石灰水变浑浊”）。2.能否将实验现象与生成新物质（碳酸钙）联系起来，理解这是化学变化的证据。3.能否列举至少一个该反应在生活中的应用实例。  形成知识、思维、方法清单：★二氧化碳与澄清石灰水反应：CO₂+Ca(OH)₂=CaCO₃↓+H₂O。这是检验二氧化碳气体的特征反应，现象非常明显（生成白色沉淀）。★碳酸钙：白色固体，难溶于水，是石灰石、大理石的主要成分。▲应用广泛：此反应不仅用于实验室检验CO₂，也用于解释建筑工业的“硬化”过程、解释山洞中钟乳石、石笋的形成原理（涉及碳酸钙的溶解与析出）。任务五：性质大盘点——建构“性质用途”认知模型  教师活动：经过一系列探究，我们发现了二氧化碳的诸多性质。现在，请各小组合作，完成学习任务单上的“性质用途连连看”活动，并将你们的连线结果和理由贴在黑板的知识地图上。同时，思考一个更深层次的问题：二氧化碳通常不支持燃烧，能用于灭火，这是绝对的真理吗？我们来看一个挑战性实验（演示：用坩埚钳夹持一段镁条，在酒精灯上点燃后，迅速放入盛满二氧化碳的集气瓶中）。天哪！镁条居然在二氧化碳中剧烈燃烧，发出耀眼的白光！这颠覆了我们的认知吗？我们该如何理解这个“例外”？  学生活动：小组合作，梳理二氧化碳的性质，并将其与灭火、制汽水、人工降雨（干冰）、气体肥料、化工原料等用途进行匹配，说明理由（如：密度比空气大且不支持燃烧→可用于灭火）。将成果展示到黑板。观看镁在CO₂中燃烧的震撼实验，产生强烈的认知冲突，进行深度思考和辩论。在教师引导下理解：物质的化学性质有其适用范围和条件，“不支持燃烧”是相对于大多数可燃物（如木材、蜡烛）而言；对于像镁这样非常活泼的金属，二氧化碳能提供氧元素，支持其燃烧。这体现了科学的严谨性和辩证思维。  即时评价标准：1.“性质用途”匹配是否准确，理由阐述是否基于“性质决定用途”的原理。2.面对“反常”实验现象，是简单地否定原有知识，还是能尝试从反应本质（燃烧条件、氧化还原）进行更深入的分析。3.小组展示时，逻辑是否清晰，表达是否自信。  形成知识、思维、方法清单：★性质决定用途：这是化学学科的核心观念之一。所有应用都根植于物质的内在性质。★二氧化碳的用途综述：灭火（密度大、不支持一般燃烧）；制汽水、啤酒（能溶于水）；制冷剂、人工降雨（固态干冰升华吸热）；气体肥料（光合作用原料）；化工原料（制纯碱、尿素等）。▲科学的辩证观：科学规律常有适用范围和条件。镁在CO₂中燃烧的反例，恰恰深化了我们对燃烧条件和二氧化碳化学活性的认识，说明科学是在不断修正和完善中发展的。第三、当堂巩固训练  基础层（全体必做）：1.判断并改错：(1)二氧化碳能使紫色石蕊试液变红。(2)因为二氧化碳能灭火，所以任何火灾都能用二氧化碳灭火器扑灭。2.用化学方程式解释：为什么用石灰浆抹的墙壁，一段时间后会“出汗”并变硬？  综合层（多数学生完成）：3.（情境题）地质队员在深山洞穴中探险，有时会携带火把。若发现火把的火焰突然变弱甚至熄灭，可能预示着什么？从二氧化碳性质的角度分析原因。4.设计一个简单实验，证明人体呼出的气体中含有二氧化碳。  挑战层（学有余力选做）：5.（跨学科联系）结合生物学知识，解释在密闭的蔬菜大棚中，为什么农民有时会在夜间补充二氧化碳气体？这反映了物质的什么转化？6.查阅资料，了解什么是“碳捕集、利用与封存（CCUS）”技术，它主要利用了二氧化碳的哪些性质？  反馈机制：基础层练习通过全班齐答或互批方式快速核对，针对共性错误（如第1题第(1)小题）进行精讲。综合层练习先由小组讨论，再请不同小组代表分享设计方案，教师点评其科学性和创新性，展示优秀案例。挑战层问题作为课后延伸思考，鼓励有兴趣的学生形成简短的书面报告或制作科普小报，在班级“科学角”展示。第四、课堂小结  同学们，今天我们像侦探一样，通过实验探究层层剥开了二氧化碳的“神秘外衣”。现在，请大家合上课本，尝试用自己喜欢的方式（比如思维导图、概念图或者几个关键词）来梳理一下本节课的核心内容，重点是二氧化碳的性质网和由此衍生的用途网。给大家3分钟时间。“可以思考一下，哪个实验给你的印象最深？它让你明白了哪个关键点？”之后邀请几位同学分享他们的知识结构图，并引导大家互评。通过总结，我们再次强化“结构性质用途”的认知模型和“基于证据进行推理”的科学思维方法。今天的作业将分为三个层次，请同学们根据自身情况选择完成。最后，留一个思考题作为下节课的引子：二氧化碳被认为是主要的温室气体，但地球生命又离不开它。我们应该如何科学、辩证地看待二氧化碳的“功”与“过”？这将是我们在“碳循环”单元要继续探讨的重大议题。六、作业设计  基础性作业（必做）：1.完成课本本节后的基础练习题。2.整理课堂笔记，用表格形式系统列出二氧化碳的物理性质、化学性质（包括反应方程式和现象）及对应的主要用途。3.列举三项日常生活中你能做到的“低碳”行为，并与家人分享。  拓展性作业（建议完成）：4.【家庭小实验】取一个玻璃杯，倒入少量食醋，再将一枚鸡蛋壳（主要成分碳酸钙）碎片放入，观察并记录现象。尝试用化学方程式解释你观察到的现象，并与本节课所学知识建立联系。5.撰写一篇简短的科普说明文《二氧化碳：我不是“坏气体”》，要求结合本节课所学，客观阐述二氧化碳在自然界和人类生产生活中的重要作用。  探究性/创造性作业（选做）：6.【项目式学习】以小组为单位，利用家庭或实验室简易材料，设计并制作一个“二氧化碳灭火器”模型，并录制一段不超过3分钟的微视频，讲解其工作原理和操作步骤。7.【资料分析与论证】搜集关于“温室效应”和“碳中和”的资料，从科学原理和社会行动两个层面，撰写一份观点报告，论述“为什么实现‘碳中和’需要科技创新与全球合作”。七、本节知识清单及拓展  ★物理性质：通常为无色无味气体；密度比空气大（标准状况下约1.977g/L）；能溶于水（1:1）；固态俗称“干冰”，升华吸热。  ★化学性质1：与水反应：CO₂+H₂O=H₂CO₃。生成的碳酸能使紫色石蕊试液变红，但酸性较弱且不稳定，易分解：H₂CO₃=CO₂↑+H₂O（加热或震荡时分解加速）。  ★化学性质2：与碱反应（以氢氧化钙为例）：CO₂+Ca(OH)₂=CaCO₃↓+H₂O。现象：澄清石灰水变浑浊。此反应是实验室检验二氧化碳的常用方法。生成的碳酸钙是白色沉淀。  ★化学性质3：不支持燃烧，也不可燃：一般情况下，二氧化碳不能支持大多数可燃物（如木条、蜡烛）的燃烧，本身也不燃烧。这是其用于灭火的主要化学依据。但注意，这不是绝对的，某些活泼金属（如镁）可以在二氧化碳中燃烧：2Mg+CO₂=点燃=2MgO+C。  ★核心观念：性质决定用途：密度大、不支持燃烧→灭火；能溶于水并反应→制碳酸饮料；干冰升华吸热→人工降雨、制冷剂；参与光合作用→气体肥料；与碱反应→用于工业废气处理、检验。  ▲碳酸与碳酸盐的转化：碳酸钙（CaCO₃）等碳酸盐能与酸（如盐酸、醋酸）反应生成二氧化碳气体，这是实验室制取CO₂及检验碳酸根离子的原理。  ▲温室气体：二氧化碳是主要的人为温室气体之一，能吸收地面辐射的热量，导致全球气候变暖。理解其环境效应是培养社会责任感的重要切入点。  ▲科学方法：本节课重点运用了观察法、实验法（特别是对比实验、控制变量法）、模型法（建构性质用途模型）和推理法（从宏观现象推论微观本质）。八、教学反思  （一）目标达成度分析从预设的形成性评价点看，大部分学生能准确完成“性质用途”的匹配，实验操作规范度在任务单引导下有明显提升，表明知识与能力目标基本达成。情感目标方面，学生在讨论“低碳生活”时能提出具体措施，但在将认知转化为持久的行为动机上，仍需后续课程与活动持续强化。科学思维目标中，“模型认知”通过小结环节的思维导图得以可视化，多数学生能画出以CO₂为核心的发散结构；“证据推理”在任务三的对比实验设计中面临挑战，部分小组设计不够严谨，需要教师搭建更细致的“脚手架”。  （二）环节有效性评估导入环节的视频与现象冲突迅速聚焦了学生注意力，驱动性问题有效。新授环节的五个任务环环相扣，逻辑链条清晰。其中，任务三（对比实验设计）是思维训练的高潮，也是耗时最多、学生表现差异最大的部分。我发现，直接给出设计框架对中等及以下学生是必要的支持，但也可能限制了部分优生的创造性思维。下次可尝试提供“基础框架”与“开放挑战”两个版本的任务卡。任务五的“镁条燃烧”演示实验震撼力十足，成功引发了深度思