探究二氧化碳的性质、制备与转化-基于项目式学习的初中科学教学设计

探究二氧化碳的性质、制备与转化——基于项目式学习的初中科学教学设计一、教学内容分析  本节课内容属于浙教版初中科学八年级下册第三章《空气与生命》的核心组成部分，聚焦于“二氧化碳”这一具体物质，是学生系统学习元素化合物知识、深化对物质性质与变化认识的关键节点。从课程标准解构，本课需达成三个层面的深度整合：在知识技能图谱上，学生需从物理性质、化学性质（特别是与水和石灰水的反应）、实验室制法及对生命与环境的意义四个维度，构建对二氧化碳的系统认知，其认知要求从识记（如密度、颜色）跃升至理解与应用（如解释灭火原理、设计制备装置），并作为后续学习“碳循环”、“温室效应”及酸碱盐知识的逻辑基石。在过程方法路径上，课标强烈蕴含“科学探究”这一核心思想方法，本课将其转化为“基于真实问题（如碳中和）驱动实验探究验证模型建构解释”的连贯活动链，引导学生体验“提出问题猜想假设实验设计证据收集结论解释交流评价”的完整探究流程。在素养价值渗透上，知识载体背后指向“科学观念与应用”（理解物质性质决定用途）、“科学思维与创新”（基于证据推理）、“科学探究与交流”（合作完成实验）、“科学态度与责任”（认识二氧化碳的双重角色，树立环保与社会责任意识）四大核心素养，规划通过“碳中和”议题讨论及实验方案优化，实现素养的“润物无声”。  基于“以学定教”原则，学情研判如下：已有基础与障碍方面，学生已掌握氧气的基本性质与制法，具备一定的对比学习基础，并对“温室效应”有生活化认知。可能的认知误区在于：易将二氧化碳的“不助燃”性质绝对化（忽略活泼金属镁等特例）；对二氧化碳与水的反应本质（生成碳酸）理解停留在表象，对碳酸的不稳定性认识不足；在装置选择与优化上缺乏系统思维。过程评估设计将贯穿课堂：通过导入提问评估前概念；在小组实验与讨论中，通过巡视观察、聆听对话、分析任务单进行动态诊断；利用分层巩固练习进行即时反馈。教学调适策略将体现差异化：对于基础薄弱学生，提供图文并茂的“学习支架卡”明确操作步骤与观察要点；对于思维敏捷学生，设置“挑战性问题链”引导其深入探究反应本质与装置优化；通过异质分组，确保各类学生在协作中都能获得支持与提升。二、教学目标  1.知识目标：学生能系统阐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）及关键化学性质（不燃烧不支持一般燃烧、能与水反应生成碳酸、能使澄清石灰水变浑浊），并能基于这些性质解释其灭火、制汽水、检验等典型用途；能准确说明实验室制取二氧化碳的原理（碳酸钙与稀盐酸反应）、装置要点及收集方法。  2.能力目标：学生能够以小组为单位，安全、规范地完成二氧化碳的制取与性质验证系列实验，并能清晰记录、描述实验现象；能够基于实验证据，通过分析、比较、归纳，推理出二氧化碳的相关性质，并尝试设计简单的实验方案区分氧气、空气和二氧化碳。  3.情感态度与价值观目标：通过参与实验探究，学生能体验科学发现的乐趣，养成严谨求实的科学态度和合作意识；通过对二氧化碳“功”（光合作用原料）与“过”（温室效应主角）的辩证讨论，能初步形成一分为二看待事物的哲学观点，并增强节能减排的社会责任感。大家想想看，我们呼出的气体中就有二氧化碳，它怎么就变成“环境问题”的代名词了呢？  4.科学思维目标：重点发展“证据推理”与“模型认知”思维。学生能够将观察到的实验现象（如蜡烛熄灭的先后顺序、石蕊试纸的颜色变化）作为证据，通过逻辑推理得出性质结论；能够将具体的实验装置（如固液常温发生装置）抽象为适用于一类反应的气体制备模型。  5.评价与元认知目标：学生能依据教师提供的实验操作量规，对自身或同伴的实验操作进行初步评价；能在课堂小结时，运用思维导图等工具梳理知识脉络，并反思“我是通过哪些关键实验和推理，一步步认识二氧化碳的？”三、教学重点与难点  本课的教学重点是二氧化碳的化学性质（特别是与水和石灰水的反应）及其探究过程。确立依据有三：其一，课标将此列为学生必须掌握的核心概念，是理解物质多样性及其转化的关键；其二，这些性质是解释大量生活现象和应用原理（如灭火、岩石溶蚀、碳酸饮料）的直接基础；其三，对其的探究过程（设计实验、观察、推理）是培养学生科学探究能力的绝佳载体，在学业水平考试中常以实验探究题形式重点考查。  本课的教学难点在于引导学生理解“二氧化碳与水的反应”并非简单的溶解过程，而是发生了化学变化生成了新物质“碳酸”，并且碳酸不稳定易分解。难点成因在于该反应无明显剧烈现象，学生易受前概念“气体溶解于水”干扰；对石蕊试液变红原理的理解需要跨越微观层面。预设突破方向是设计对比实验（干燥与湿润的紫色石蕊小花）制造认知冲突，并借助数字化传感器或动画模拟，将微观过程可视化，从而帮助学生建构正确的化学变化观念。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“碳中和”议题微视频、实验演示动画、知识结构图）；板书设计（左侧主板书呈现知识脉络，右侧副板书用于记录学生生成性观点）。  1.2实验器材与药品（按小组配备）：    •二氧化碳制取与性质验证组合装置（锥形瓶、长颈漏斗、双孔塞、导管、集气瓶、玻璃片）。    •药品：大理石（或石灰石）、稀盐酸、紫色石蕊试液、澄清石灰水、蒸馏水。    •其他器材：烧杯、阶梯蜡烛、火柴、塑料瓶、喷壶、干燥的紫色石蕊小花（提前制备）。  1.3学习材料：分层学习任务单（含基础任务与挑战任务）、实验操作与安全评价量规、课堂巩固练习卷。2.学生准备  复习氧气相关性质；预习课本二氧化碳部分，并思考“你知道二氧化碳有哪些‘功’与‘过’？”；以46人为一科学探究小组，明确分工（操作员、记录员、发言员等）。3.环境布置  教室桌椅调整为小组合作模式，确保实验空间安全、通畅；准备废液回收桶。五、教学过程第一、导入环节  1.情境创设与问题驱动：同学们，请先观看一段关于“碳中和”目标的新闻短片。视频中提到，减少二氧化碳排放是应对气候变化的关键。那么，我们为什么要如此关注这种气体？它到底是一种怎样的物质？（稍作停顿，让学生思考）今天，我们就化身小小科学家，通过亲手实验，来全面揭秘二氧化碳的“档案”。  1.1唤醒旧知与明确路径：还记得我们是如何研究氧气的吗？对，从性质到制法再到用途。今天，我们将沿着相似的科学探究路径，但使用更富挑战性的实验，来研究二氧化碳。我们将首先利用大理石和稀盐酸制取它，然后用它完成一系列“闯关任务”，揭开它的真面目。请大家先猜一猜，二氧化碳可能有哪些性质？你是根据什么生活经验猜的？第二、新授环节任务一：搭建系统，智取二氧化碳  教师活动：首先，我们不急于动手。请大家回忆实验室制取氧气的两套典型装置。（板书或课件呈现）。今天我们要用大理石（固体）和稀盐酸（液体）反应，在常温下制取二氧化碳。该选择哪类装置模型呢？为什么？请小组讨论1分钟。好，请第三组代表说说你们的想法。嗯，选择固液常温型，分析得很到位！这体现了“反应物状态和反应条件决定发生装置”这一核心原则。那么收集方法呢？如何证明集气瓶中已收集满？请大家根据二氧化碳的预测性质（提示：密度、溶解性）来决定。看，通过理性分析，我们的实验方案就清晰了。接下来，请大家根据任务单上的步骤提示，组装装置并开始制取，用向上排空气法收集两瓶二氧化碳，注意验满操作。  学生活动：小组讨论，对比氧气装置，推理选择固液常温发生装置和向上排空气法收集的理由。随后分工协作，安全、规范地组装仪器，制备并收集二氧化碳，完成验满。  即时评价标准：1.方案论证：能否准确说出选择装置与收集方法的依据（原理理解）。2.操作规范：装置气密性检查、长颈漏斗液封、导管伸入集气瓶底部、正确验满等关键操作是否到位。3.协作效率：小组成员是否分工明确，操作有序，在预定时间内成功收集到气体。  形成知识、思维、方法清单：★实验室制取二氧化碳的原理：CaCO₃+2HCl→CaCl₂+H₂O+CO₂↑。★核心装置模型：固液常温型发生装置（适用范围广）。★收集方法：向上排空气法（依据：ρ_CO₂>ρ_空气）。★验满方法：将燃着的木条放在集气瓶口，若木条熄灭，则证明已收集满。▲装置优化思考：长颈漏斗下端管口为何要液封？多功能瓶（洗气瓶）在净化和干燥气体时如何连接？任务二：巧设阶梯，揭秘密度与不支持燃烧性质  教师活动：我们已成功制取了两瓶二氧化碳。它看不见摸不着，如何证明它的存在和性质呢？我们来设计第一个趣味实验。请看，这是一个自制的阶梯状蜡烛台，高低不同的两支蜡烛在燃烧。如果我将一瓶二氧化碳像倒水一样从高处缓缓倾倒下去（边说边做），大家预测会看到什么现象？（学生预测：下面的蜡烛先灭？一起灭？）注意观察！“咦，是下面的蜡烛先熄灭！”这说明了二氧化碳的哪些性质？为什么是下面的先灭？这和我们平时说的“二氧化碳不支持燃烧”完全等价吗？有没有例外？（展示镁条在二氧化碳中燃烧的视频）所以，准确的说法是什么？  学生活动：观察教师演示的“阶梯蜡烛”实验，描述并记录现象（下层蜡烛火焰先熄灭）。分析现象，推理得出二氧化碳的密度比空气大，且一般情况下不支持燃烧。通过观看特例视频，理解科学表述的严谨性。  即时评价标准：1.观察与描述：能否准确、有序地描述实验现象。2.证据推理：能否从“下层先灭”这一关键现象合理推理出密度大和不支持燃烧两个性质。3.辩证思维：能否认识到一般规律可能存在特例，形成严谨的科学表述。  形成知识、思维、方法清单：★物理性质：通常状况下，二氧化碳是一种无色无味的气体，密度比空气大。★关键化学性质：一般情况下，二氧化碳既不燃烧，也不支持燃烧。▲科学表述的严谨性：需注意“一般情况”的限定，如镁等活泼金属可在二氧化碳中燃烧。★科学方法：利用对比实验（空气与二氧化碳环境）和类比（像倒水一样倾倒）来探究物质性质。任务三：制造冲突，探究与水的化学反应  教师活动：二氧化碳能溶于水，这是物理变化。但仅仅是溶解吗？我们来做一个“会变色的纸花”实验。这里有四朵用紫色石蕊溶液染成的干燥纸花。（展示）第一朵，直接放入干燥的二氧化碳中；第二朵，喷上水；第三朵，先喷水再放入二氧化碳中；第四朵，先放入二氧化碳再喷水。请大家分组实验，仔细观察并记录每朵花的颜色变化。开始！……（巡视指导）大家发现了什么？只有第三朵花变红了！这个对比实验告诉我们什么？为什么干燥的花或只接触水或只接触二氧化碳都不变红？有同学说，是不是二氧化碳和水“合作”产生了新东西？太棒了！这个新物质就是碳酸（H₂CO₃），正是它使石蕊变红。但碳酸有个“小脾气”——不稳定。我们把变红的小花拿出来在空气中晾一会儿，或者用热风吹吹看。（学生操作）看，红色又褪回紫色了！这说明碳酸怎么了？对，分解了。这个“变色褪色”的过程，就是一场生动的化学变化。  学生活动：小组合作完成“四朵纸花”对比实验，记录现象。分析对比结果，推理出二氧化碳与水反应生成了新物质碳酸（化学变化）。随后进行碳酸分解的验证实验，观察红色褪去，理解碳酸的不稳定性。  即时评价标准：1.控制变量意识：实验操作中是否明确对比了不同条件（干燥/湿润、单独/组合）。2.归纳推理能力：能否从复杂的对比实验现象中，归纳出二氧化碳与水反应的必要条件及生成物特性。3.微观想象力：能否尝试用分子、原子的观点初步解释化学变化的本质。  形成知识、思维、方法清单：★核心化学反应：CO₂+H₂O⇌H₂CO₃（碳酸）。这是一个可逆反应，碳酸不稳定，易分解。★二氧化碳的检验方法Ⅰ：通入紫色石蕊试液，试液变红（因生成碳酸）。★科学探究关键方法：控制变量法在对比实验中的核心应用。★从宏观到微观：颜色变化是宏观现象，其本质是微观上二氧化碳分子与水分子作用生成了新的碳酸分子。任务四：学以致用，掌握特性检验方法  教师活动：除了使石蕊变红，二氧化碳还有一个更特征、更稳定的“身份验证”反应。请大家向澄清石灰水[Ca(OH)₂溶液]中缓缓通入我们自制的二氧化碳，注意观察变化。“大家看到了什么？对，澄清的溶液变浑浊了！”这个白色沉淀就是碳酸钙（CaCO₃）。这个反应非常灵敏，常用于检验二氧化碳的存在。请写出这个反应的化学方程式。思考：如果继续往变浑浊的液体中通入过量二氧化碳，又会看到什么现象？（演示或提示）浑浊又变澄清了！这又是为什么？生成了可溶性的碳酸氢钙[Ca(HCO₃)₂]。这个“澄清浑浊再澄清”的过程，正是自然界溶洞中钟乳石、石笋形成原理的微型模拟！  学生活动：进行二氧化碳与澄清石灰水反应的实验，观察并记录“澄清变浑浊”的现象。书写化学反应方程式。在教师引导下，理解通入过量二氧化碳后发生的后续反应及其自然界的应用。  即时评价标准：1.现象观察与记录：能否准确描述“澄清变浑浊”这一特征现象。2.化学用语规范：能否正确书写化学反应方程式。3.知识迁移：能否将实验中“再澄清”的现象与自然界的岩溶景观进行初步联系。  形成知识、思维、方法清单：★二氧化碳的特性反应（检验方法Ⅱ）：CO₂+Ca(OH)₂→CaCO₃↓+H₂O（使澄清石灰水变浑浊）。★拓展反应：CaCO₃+CO₂+H₂O→Ca(HCO₃)₂（沉淀溶解，溶液又变澄清）。★STS联系：该反应是检验二氧化碳的权威方法，也是解释溶洞地貌形成、石灰浆抹墙变硬等实际问题的化学原理。任务五：整合归纳，构建性质用途联结  教师活动：通过一系列实验，我们为二氧化碳绘制了一张清晰的“性质图谱”。现在，请大家以小组为单位，开展一个“快问快答”接龙：根据性质说出用途，或根据用途反推性质。例如，“二氧化碳为什么可用于灭火？”（密度比空气大、不支持燃烧）。“干冰（固态二氧化碳）制冷和人工降雨利用了什么性质？”（升华吸热）。“碳酸饮料中的‘气’是什么？怎么来的？”（二氧化碳，加压溶解于水）。“进入久未开启的菜窖前，为什么要做灯火实验？”……看，当我们把性质与用途紧密联系起来时，知识就“活”起来了。  学生活动：参与小组“性质用途”接龙游戏，快速建立性质决定用途、用途反映性质的化学基本观念。思考并回答教师提出的各类生活化问题。  即时评价标准：1.知识关联能力：能否迅速、准确地在性质与具体应用之间建立正确联结。2.知识迁移应用：能否运用所学解释新的、简单的生活现象或实际问题。  形成知识、思维、方法清单：★性质决定用途的核心观念：所有应用均源于物质的内在性质。★二氧化碳的主要用途：灭火（密度大、不支持燃烧）、制冷剂（干冰升华吸热）、化工原料（制纯碱、尿素）、气体肥料（光合作用）、制碳酸饮料（能溶于水并与水反应）。★安全知识：进入可能聚集大量二氧化碳的密闭空间前，需做灯火实验以防窒息。第三、当堂巩固训练  现在，我们通过一组分层练习来巩固和挑战自己。请同学们根据自己的情况，至少完成A、B两组。  A组（基础应用）：1.选择题：鉴别氧气、空气、二氧化碳三瓶气体最简便的方法是（）。2.填空题：实验室用大理石和稀盐酸制取二氧化碳，该反应化学方程式为__________，收集方法可用__________，因为二氧化碳__________。  B组（综合运用）：3.简答题：某同学用右图装置制取并检验二氧化碳性质。请指出装置中至少两处错误，并说明理由。4.推理题：将混合有少量二氧化碳的一氧化碳气体通过某纯净物，可以除去二氧化碳而得到干燥的一氧化碳。该纯净物可能是什么？请说明原理。  C组（挑战探究）：5.项目思考题：为践行“碳中和”，校园科技节计划开展“模拟碳捕获”小项目。请查阅资料，利用本课知识，设计一个简易方案，利用石灰水“捕获”空气或呼出气体中的二氧化碳，并估算其效果，思考该方案的优缺点。  反馈机制：A、B组练习通过同桌互评、教师投影典型答案集体讲评的方式快速反馈。C组作为开放性作业，鼓励学生课后形成简要方案，下节课前展示交流，教师给予过程性评价。第四、课堂小结  同学们，今天的探究之旅即将结束。请大家暂停一下，不要看笔记，尝试在任务单的空白处，用关键词、图示或思维导图的形式，梳理本节课的核心知识结构，特别是二氧化碳的性质、制法、检验这三条主线。谁愿意上来分享一下你的知识网络？（请12位学生板演或口述）。很好，大家的总结都抓住了要害。我们不仅认识了二氧化碳这种具体的物质，更经历了完整的科学探究过程：提出问题→设计实验→获取证据→推理结论→联系应用。这才是我们今天最大的收获。  作业布置：必做作业：1.整理课堂笔记，完善知识结构图。2.完成练习册本节基础习题。选做作业（二选一）：1.家庭小实验：利用白醋（含醋酸）和鸡蛋壳（含碳酸钙）反应模拟制取二氧化碳，并尝试用简易方法验证。录制短视频或拍照记录过程。2.撰写一篇科学短文：《二氧化碳的“功”与“过”——从我身边说起》。  下节课，我们将把视角从一种物质拓展到整个生态系统，探讨大气中的二氧化碳如何参与生命的循环。请大家提前思考：绿色植物是如何“吃掉”二氧化碳的？六、作业设计  基础性作业（全体必做）：  1.知识梳理：绘制二氧化碳的性质、制法、检验与用途的知识网络图。  2.巩固练习：完成教材本节后配套练习，以及练习册中关于二氧化碳物理化学性质、实验室制法原理与操作的基础性选择题和填空题。  拓展性作业（建议大多数学生完成）：  3.情境应用题：阅读关于“地窖储粮”或“泡沫灭火器原理”的科普短文，运用本节课所学知识，解释其中涉及的二氧化碳相关原理，并分析其中需要注意的安全事项。  4.微型项目设计：设计一个“鉴别三瓶无色气体（空气、氧气、二氧化碳）”的完整实验方案，要求写出实验步骤、预期现象及结论，并尽可能使用多种方法进行交叉验证。  探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：  5.家庭探究实验：利用家中易得的材料（如白醋、小苏打、矿泉水瓶、气球等），设计并实施一个能证明二氧化碳某项性质（如密度比空气大、不支持燃烧）的创新实验。以实验报告或视频日志形式提交，重点阐述设计思路、过程与安全注意事项。  6.议题调研报告：围绕“二氧化碳与碳中和”议题，搜集资料，撰写一份500字左右的简要报告，阐述二氧化碳在自然界碳循环中的作用、人类活动对其平衡的影响、以及至少一项你感兴趣的“碳减排”或“碳捕获”技术原理。七、本节知识清单及拓展  ★1.二氧化碳的物理性质：通常状况下为无色、无味的气体。标准状况下密度约为1.977g/L，比空气大。能溶于水（1体积水约溶解1体积CO₂）。在一定压强和低温下可变为固态，俗称“干冰”，干冰升华时吸收大量热。  ★2.二氧化碳的化学性质（不活泼酸性氧化物）：(1)一般不燃烧也不支持燃烧（注意：活泼金属如镁等例外）。(2)与水反应：CO₂+H₂O⇌H₂CO₃，生成碳酸，使紫色石蕊试液变红。碳酸不稳定，受热或久置易分解：H₂CO₃→H₂O+CO₂↑。(3)与碱反应（特征反应）：与澄清石灰水反应：CO₂+Ca(OH)₂→CaCO₃↓+H₂O（现象：澄清变浑浊，用于检验CO₂）。通入过量CO₂，沉淀溶解：CaCO₃+CO₂+H₂O→Ca(HCO₃)₂（溶液又变澄清）。  ★3.二氧化碳的实验室制法：原理：CaCO₃（大理石/石灰石）+2HCl（稀）→CaCl₂+H₂O+CO₂↑。发生装置：固液常温型（同过氧化氢制氧）。收集方法：向上排空气法（因密度比空气大）。验满：将燃着的木条放在集气瓶口，木条熄灭则满。注意事项：不能用浓盐酸（挥发出HCl气体使气体不纯）、不能用硫酸（生成微溶CaSO₄覆盖大理石表面阻止反应）、不能用碳酸钠粉末（反应太快难以控制）。  ★4.二氧化碳的检验方法：(1)通入澄清石灰水，溶液变浑浊。(2)通入紫色石蕊试液，试液变红（但其他酸性气体也可使其变红，此法非特性检验）。  ▲5.二氧化碳的用途：基于性质决定用途。灭火（密度大、不支持燃烧）；制冷剂、人工降雨（干冰升华吸热）；化工原料（制纯碱、尿素等）；气体肥料（温室大棚增施，促进光合作用）；制碳酸饮料（溶于水并部分转化为碳酸）。  ▲6.自然界的碳循环与温室效应：二氧化碳是碳循环的重要介质，通过光合作用被固定，通过呼吸、燃烧、分解等过程释放。大气中CO₂等气体含量增加会导致温室效应加剧，引发全球气候问题。“碳中和”旨在实现CO₂排放与吸收的平衡。  ▲7.碳酸与碳酸盐：碳酸（H₂CO₃）是弱酸，不稳定。碳酸钙（CaCO₃）是难溶于水的白色固体，是石灰石、大理石的主要成分。碳酸氢钙[Ca(HCO₃)₂]可溶于水，其形成与分解是溶洞地貌形成（CaCO₃+CO₂+H₂O→Ca(HCO₃)₂）和水垢产生（Ca(HCO₃)₂→CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O）的原理。八、教学反思  一、教学目标达成度分析：从课堂观察和巩固练习反馈来看，(一)知识目标基本达成，绝大多数学生能准确陈述二氧化碳的主要性质与制法，但在“碳酸的不稳定性”和“与石灰水反应的通入过量问题”上，部分学生理解仍显模糊，需在后续课程中通过习题变式加以强化。(二)能力与过程目标达成较好，小组均能成功完成系列实验，记录详实。在“任务三”的对比实验设计与分析环节，学生的控制变量意识和推理能力得到有效锻炼，课堂生成了“为什么必须是湿润的二氧化碳？”等精彩讨论。(三)情感与素养目标有一定体现，“碳中和”议题的引入引发了学生的关注，但在有限的课堂时间内，对二氧化碳“功过”的辩证讨论深度尚有提升空间。  二、教学环节有效性评估：(一)导入环节的“碳中和”视频起到了聚焦问题、激发学习社会价值感的作用，效果良好。(二)新授环节五大任务环环相扣，遵循了“制备→验证→深化→应用”的认知逻辑。其中，“任务三（四朵纸花实验）”作为突破难点的核心探究活动，成功制造了认知冲突，是本节课的高光时刻。我观察到学生从最初的困惑到恍然大悟的表情变化，这正是探究式学习的魅力所在。(三)巩固与小结环节的分层练习满足了不同学生的需求，但课堂时间稍显紧张，对C组挑战题的讨论不够充分，可将部分内容移至课后或下节课起始。  三