九年级化学沪教版上册·第五章：气体制备模型建构与跨学科实践-实验室二氧化碳制取的探究式教案

九年级化学沪教版上册·第五章：气体制备模型建构与跨学科实践——实验室二氧化碳制取的探究式教案

一、课程标准与教材定位

（一）【核心素养·关键能力】层级化解读

依据《义务教育化学课程标准（2022年版）》及2025年秋季修订版教材实施建议，本教学设计确立“大概念统领—核心知识结构化—科学实践情境化”的三阶设计框架。在学科大概念“化学科学本质”及“物质制备与转化”统领下，将本课题定位为初中化学气体制备的“模型定型课”与“思维跃升课”-1-6。本课不仅是氧气制取知识迁移的终点，更是高中化学气体制备、实验设计及工业流程思维的逻辑起点。课程以“实验室二氧化碳制取”为载体，实现从“具体物质制取”向“一类物质制备通用思路”的认知跨越，完成学科核心素养中“模型认知”与“科学探究”维度的关键进阶。

（二）【大单元·结构化】教学内容整合

本课处于沪教版九年级上册第五章“奇妙的二氧化碳”第二节，前承二氧化碳性质探究，后启自然界碳循环及碳中和实践-10。教学设计打破传统单课时孤立讲授模式，以“气体制备思维模型建构—跨学科问题解决—社会责任担当”为主线，将药品筛选、装置优化、气体收集检验等知识点有机嵌入“真实任务链”。通过“原理论证—装置迭代—工程优化—社会应用”四阶递进，实现学科知识、科学思维与工程实践的深度融合。

二、学情精准画像与【难点·痛点】诊断

（一）认知起点与发展区间

【知识储备】学生已完成氧气的实验室制取学习，掌握固体加热型及固液不常温型两套发生装置，初步了解气体收集方法；已学习二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊、不支持燃烧等性质-6-10。

【能力水平】具备基本实验操作技能（药品取用、装置连接、气密性检查），能进行简单实验现象的观察记录。但多数学生处于“照方抓药”阶段，对“为何选择这套装置”“能否改进”“评价标准是什么”缺乏元认知能力。

【【重要】·【高频考点】】从区域统测数据及中考阅卷反馈看，学生失分重灾区集中于：①反应原理选择依据说不清（死记硬背）；②装置气密性检查表述不规范；③简易启普发生器工作原理理解浅表化；④无法在新情境中迁移气体制备模型。

（二）【难点】层级拆解

第一层级（操作难点）：长颈漏斗液封控制、多孔隔板简易装置的组装与启停操作。

第二层级（思维难点）：从“氧气制取装置”到“二氧化碳制取装置”的类比推理中，对“反应物状态—反应条件—装置类型”三要素关联的逻辑闭环。

第三层级（迁移难点）：将气体制备一般思路迁移至工业尾气处理、实验室新气体（如氢气、氨气）制备方案设计。

三、【核心素养·四维】教学目标

（一）【科学探究与实践·重要】能基于真实问题“如何为蔬菜大棚精准供应二氧化碳”，经历“原理论证—药品筛选—装置选配—优化改进—产品评价”完整探究历程；通过对比实验与装置迭代，发展控制变量思想与工程思维-5-9。

（二）【证据推理与模型认知·核心】在评价五种产生二氧化碳方案的过程中，建构“可行性评价指标体系”（原料、速率、纯度、安全、能耗）；通过装置组装与对比，抽象出“发生装置选择模型”与“收集装置选择模型”，并能用于预测未知气体的制取方案。

（三）【宏观辨识与微观探析·一般】从离子反应视角理解碳酸钙与盐酸反应的微观本质，建立“宏观现象—符号表征—微观解释”三重表征；能正确书写化学方程式，从量的角度理解反应物配比。

（四）【科学态度与社会责任·热点】通过“双碳目标”背景下的二氧化碳捕集、利用与封存技术延伸，辩证认识二氧化碳的环境价值与资源属性；在实验设计中渗透绿色化学理念（微型化、循环利用）。

四、【教学重难点·等级定位】

（一）【重中之重·高频考点】实验室制取二氧化碳的反应原理确定（药品选择依据、化学方程式书写）；发生装置与收集装置的选择依据及规范组装；气密性检查、验满与检验的操作标准。

（二）【难点·拉分题】基于启普发生器工作原理的简易装置设计与改进；气体制备一般思路模型的抽象与迁移应用。

五、教学策略与数智赋能矩阵

（一）教学模式：“情境锚点—任务驱动—模型迭代—评价嵌入”四阶探究模式-2-6。

（二）数智赋能：【创新融合】

1.课前：AI学情诊断——通过智慧作业平台分析学生对氧气制取装置的掌握盲区，定制差异化学案。

2.课中：①实验操作AI辅助纠错——高清摄像头捕捉学生组装置细节，实时投屏对比讲评；②希沃智能体实时答疑——针对装置改进中的生成性问题提供即时知识支撑-6；③虚拟仿真实验室——用于启普发生器内部结构透视及工作原理动画解构。

3.课后：个性化拓展作业——基于学生课堂表现推送分层任务（基础巩固/装置创新/跨学科设计）。

六、教学准备与【安全·特别提示】

（一）教师准备：多媒体课件、希沃白板5、投屏系统、智能体程序；分组实验器材（见下文清单）；创新改进器材（注射器、塑料瓶、三通阀、有机玻璃板、热熔胶枪、3D打印简易启普发生器模型）；对比实验用药品（碳酸钙粉末、块状石灰石、稀盐酸、稀硫酸、碳酸钠）。

（二）学生准备：复习氧气制取思维导图；预习教材并完成“产生二氧化碳的方法”调查表。

（三）【【重要】·实验安全】强调浓盐酸挥发性对气体纯度的影响，明确使用稀盐酸（1:2）浓度；警示硫酸与碳酸钙反应生成微溶硫酸钙包裹现象；指导学生规范闻气体气味方法，废液集中处理。

七、【教学实施过程·核心篇幅】两课时贯通设计（90分钟）

第一课时：原理论证与装置建构——像科学家一样思考

（一）【情境锚点·跨学科导入】“双碳”背景下的大棚工程师挑战（5分钟）

【教师活动】播放2025年智慧农业纪录片片段：山东寿光蔬菜大棚冬季二氧化碳亏缺，需人工补碳至800ppm。发布核心任务：“作为农业科技公司的实习工程师，请你设计一套能够在温室现场、就地取材、持续稳定制取二氧化碳的微型装置。”投影展示真实需求清单：原料易得、反应可控、气体纯净、安全无毒、成本低廉。

【学生活动】明确角色身份，认知任务边界；调动生活经验，初步提出用酸与碳酸盐反应产生气体的猜想。

【设计意图】【一般】将学科知识置于真实社会情境与职业场景中，打破“为做题而实验”的功利取向，植入工程思维与成本意识。跨学科融合农业科学，回应“双碳”教育政策要求-3-5。

（二）【任务一·难点突破】产气方案论证与指标体系建构（15分钟）

【【重要】·环节定位】本环节是破除“死记硬背反应原理”的关键，必须让学生经历“充分发散—标准约束—聚焦收敛”的完整思维过程。

【教师活动1】出示学生课前完成的“产生二氧化碳的方法”调查高频结果（呼吸作用、木炭燃烧、蜡烛燃烧、煅烧石灰石、碳还原氧化铜、大理石与盐酸、碳酸钠与酸、小苏打与酸等）。提问：“这些方法都能产气，为什么实验室偏偏选大理石和稀盐酸？”

【学生活动1】小组合作，头脑风暴评价维度。教师从旁以追问引导：“古人煅烧石灰石可行吗？”“消防演练用灭火器里是什么药品？”“充气饮料生产用什么原料？”逐步收敛出五大评价指标：①原料易得性（价格、储量）；②反应速率（是否适中可控）；③气体纯度（是否含杂质、是否易分离）；④操作安全性（是否需要高温高压、有无毒副产物）；⑤能耗与设备要求。

【【高频考点】·模型建构】师生共同构建“实验室制备气体可行性评价指标体系”雷达图（可视化模型）。据此对上述各种方案逐项打分。

【核心论证】聚焦三大竞争性方案对比：

1.碳酸钙粉末+稀盐酸——速率极快，无法控制，气体夹带酸雾。

2.石灰石+稀硫酸——反应初始进行，生成硫酸钙微溶包裹石灰石表面，阻止持续反应。

3.石灰石+稀盐酸——速率平缓稳定，持续产气，价格低廉。

【学生活动2】观看教师演示实验（投影放大）：三支试管分别装入上述组合，观察气泡产生速率及持续性。记录现象，依据雷达图进行决策。

【结论】实验室制取二氧化碳最佳药品组合：块状石灰石（或大理石）与稀盐酸。

【【必考】方程式书写】CaCO₃+2HCl===CaCl₂+H₂O+CO₂↑

【教师追问】盐酸浓度为何不能太高？（浓盐酸挥发混入HCl气体，导致CO₂不纯）。

【设计意图】将“知识结论”转化为“决策过程”，培养学生基于证据的论证能力。指标体系是思维工具化的标志，超越碎片化知识，达至大概念理解。

（三）【任务二·模型迁移】发生装置的选择与迭代（20分钟）

【教师活动1】复习先行组织者：“实验室制氧气有几种发生装置？选择的依据是什么？”投影学生课前绘制的氧气制取装置思维导图，调用已有图式。

【学生活动】回忆并陈述：高锰酸钾/氯酸钾制氧气——固体加热型；过氧化氢制氧气——固液不加热型。

【【核心】·模型建构】教师引导归纳：“发生装置的类型，不是由‘制取什么气体’决定，而是由‘反应物状态和反应条件’这两个变量决定。”板书核心关系式：

反应物状态（固+固/固+液/液+液）+反应条件（是否加热/催化剂）→发生装置模型

【教师活动2】“根据上述模型，石灰石（固体）与稀盐酸（液体），常温反应，应选择哪类装置？”学生齐答：固液不加热型。

【【重要】·实验活动】发放实验器材盘（含：锥形瓶、平底烧瓶、试管、烧杯、集气瓶、双孔塞、单孔塞、长颈漏斗、分液漏斗、直角导管、橡胶管、弹簧夹、铁架台等）。任务：“不看书，不上网，凭你对气体制备原理的理解，至少组装出一套能稳定产气的装置，并向同伴解释每一部分的功能。”

【学生活动】分组组装。教师巡视，手机抓拍典型装置。

【【高频错点】·即时反馈】投屏展示学生组装的几种典型装置：

A.试管单孔塞+导管——基础版

B.锥形瓶+双孔塞+长颈漏斗+导管——加料版

C.锥形瓶+分液漏斗——控速版

D.错误案例：长颈漏斗下端未液封、导管伸入液面下等

【师生对话·思维进阶】

师：“装置B相比A，最大优点是什么？”

生：“可以随时加酸，不用拔塞子。”

师：“装置C相比B呢？”

生：“分液漏斗有活塞，可以逐滴滴加，控制反应速率，节约药品。”

师：“长颈漏斗使用时铁律是什么？为什么？”

生：“末端必须液封！否则气体会从漏斗口逸出。”

师演示：未液封装置，用燃着木条靠近漏斗口，木条熄灭——证实漏气。

【设计意图】从“模仿”到“理解功能而设计”，实现深度学习。通过错误资源化利用，将操作规范内化为功能需求，而非僵化记忆。

（四）【任务三·认知冲突】气体收集方法的实证与辩论（12分钟）

【教师提问】依据前期所学，收集气体有哪些方法？选择依据是什么？

【学生复习】排水法（难溶或不溶于水）、向上排空气法（密度比空气大，不与空气反应）、向下排空气法（密度比空气小）。

【推演】已知CO₂密度1.977g/L，空气1.293g/L；能溶于水（1:1体积比）。初步结论：向上排空气法。

【【难点】·探究生成】教师追问：“二氧化碳真的完全不能用排水法吗？如果能用，需要什么条件？不能用，根本原因是什么？”——制造认知冲突。

【微型探究】教师提供资料卡：20℃时CO₂溶解度0.169g/100g水（体积比约1:0.8）；水中溶解损失并非100%；工业上洗涤CO₂常用碳酸氢钠溶液抑制溶解。

【分组实证】三组学生分别用向上排空气法、未经处理的排水法、用饱和NaHCO₃溶液代替水的“改进排水法”收集CO₂，用燃着木条验满，再用澄清石灰水检验气体浓度。

【实证结果】向上排空气法最快验满；普通排水法收集速度慢且浓度偏低；饱和NaHCO₃溶液排水法可获得较纯CO₂。

【原理深化】NaHCO₃溶液抑制CO₂溶解（同离子效应），且可吸收可能挥发出的HCl气体。

【结论】【一般·拓展视野】常规条件下实验室仍首选向上排空气法，但排水法并非绝对不可用，关键看需求与条件。打破非黑即白的思维定势。

【验满与检验辨析】【高频考点】验满：燃着木条置于集气瓶口，熄灭则满。检验：将气体通入澄清石灰水，变浑浊则为CO₂。两者目的与操作位置完全不同。

（五）【形成性评价·思维可视化】第一课时小结与作业（3分钟）

【师生共建】思维导图：气体制备一般思路模型

真实需求→确定气体→依据性质定收集法←┐

↓↑

原料成本/反应速率/安全性→选择原理←依据状态/条件定发生装置

↓

优化改进（控速、启停、除杂）

【课后作业】基础类：完成教材课后习题，整理课堂笔记；拓展类（选做）：查阅资料，设计一套“随开随用、随关随停”的二氧化碳发生装置草图，材料不限。

第二课时：装置工程优化与社会价值延伸

（一）【回顾衔接·聚焦问题】（3分钟）

【教师】展示上节课优秀装置草图，共性诉求：“如何让反应在需要时立刻开始，停止时立刻终止？”以此引入气体制备装置的最高级形态——启普发生器。

（二）【任务四·【难点】攻坚】启普发生器原理认知与简易装置迭代（20分钟）

【【重要】·实验创新】

1.虚拟仿真拆解：利用3D交互软件展示启普发生器内部构造（球形漏斗、容器、导气管）。动态演示：打开活塞，容器内压强减小，酸液从球形漏斗底部上升与固体接触→反应发生；关闭活塞，气体压强增大将酸液压回球形漏斗，固液分离→反应停止。

2.原理归纳：控制反应发生与停止的本质是——通过压强改变实现固液接触/分离。

【工程挑战】教师提供生活化材料：塑料瓶、气球、吸管、透明胶、止水夹、青霉素瓶、注射器、有孔塑料片。任务：“不使用价格昂贵的启普发生器，用这些材料制作一套‘简易启普发生器’。”

【【高频考点】·装置改进】分组进行工程设计—组装—测试—汇报。典型成功方案：

方案A（注射器方案）：注射器装入稀盐酸，针头穿过胶塞插入锥形瓶，瓶底置石灰石，侧管连集气瓶。推入盐酸→反应；抽回盐酸→停止。

方案B（塑料瓶方案）：去底塑料瓶倒置，瓶口配单孔塞导管；瓶内上部悬空装石灰石（用网袋或带孔瓶盖托住），瓶口旋紧带长颈漏斗的胶塞；装置浸入盛水烧杯，上拉塑料瓶使酸液进入与固体接触；放下则固液分离。

方案C（试管+有孔塑料片）：试管底部热熔胶固定带孔塑料片，石灰石置片上，试管口双孔塞插长颈漏斗及导管；弹簧夹夹导管，酸液上升没固体→反应；打开弹簧夹，酸液下降分离。

【交互评价】每组阐述设计思想，师生根据“控效性、稳定性、成本、便携”四维度评分。

【设计意图】将化学实验提升至STEAM工程实践，培养系统思维、批判性思维与物化能力。中考实验探究压轴题常从此处变式。

（三）【任务五·迁移升华】从实验室制气到工业应用与社会责任（12分钟）

【【热点】·跨学科·思政】

1.情境延伸：“如果我们为大棚设计的微型装置取得成功，工厂准备规模化生产。但工业上大规模制取CO₂还是用实验室这套方法吗？为什么？”

【资料卡】工业制CO₂方法：①煅烧石灰石（CaCO₃→CaO+CO₂↑）；②合成氨工业副产气；③乙醇发酵副产气。

【对比辨析】工业与实验室制气的核心差异：成本结构不同（追求原料极限低价、设备大型化、连续生产）；纯度要求不同（工业品有时允许微量杂质）。

2.“双碳”视角再审视：工业副产CO₂若不回收直接排放，加剧温室效应。介绍当前CCUS技术（碳捕集、利用与封存），展示我国首个百万吨级CCUS项目。启发学生：我们制取CO₂的同时，更应思考如何“消化”CO₂。

【小组微项目】讨论并设计：如何将实验室制取CO₂的尾气进行吸收或转化？联系二氧化碳性质，提出用石灰水吸收（生成碳酸钙建材）、用植物光合作用吸收（通入水藻培养瓶）等方案。

【设计意图】实现从“制气”到“用气”再到“治气”的认知三级跳，将学科知识与社会重大议题深度融合，培育高阶社会责任感。

（四）【任务六·终极建构】气体制备通用思维模型2.0版（5分钟）

【师生共建】在上一课时模型基础上，增加“优化改进”与“社会价值”模块，形成完整闭环：

┌─────────────┐

│真实情境与需求│←碳中和/农业生产/实验探究

└─────────────┘

↓

┌─────────────┐

│明确目标气体│

└─────────────┘

↓

┌─────────────────────────┐

│原理选择│←可行性指标体系（易得/速率/纯度/安全/成本）

└─────────────────────────┘

↓

┌─────────────────────────┐

│装置设计│←发生（状态+条件）→收集（密+水+毒）

└─────────────────────────┘

↓

┌─────────────────────────┐

│优化迭代│←控速/启停/除杂/微型化/数字化

└─────────────────────────┘

↓

┌─────────────────────────┐

│应用与评价│←社会效益/环境代价/技术伦理

└─────────────────────────┘

【【核心素养】·点睛】化学，不仅在于“制出物质”，更在于“理性地、负责地制出物质”。

（五）【教-学-评一体化】课堂表现性评价（5分钟）

【评价工具】发放本节课《实验探究与工程实践评价量规》，包含四个维度：

1.原理论证（是否参与指标体系讨论，能否清晰陈述选择理由）

2.装置建构（组装的规范性、创新点）

3.模型认知（能否用“状态+条件”解释装置选择）

4.社会责任（是否提出有建设性的尾气处理或应用设想）

【实施方式】学生自评30%+组内互评30%+教师观察与成果评价40%。评价结果不用于排名，而是用于针对性指导。

八、【板书设计·思维全景图】（黑板+交互白板融合）

主板书（左侧，全程留痕）：

课题：气体制备的模型建构——以CO₂实验室制取为例

一、原理·择优

评价标尺：易得·平缓·纯·安·廉

胜出：CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑

二、装置·适配

发生：固+液→常温→锥形瓶+分液漏斗（控速）

铁律：长颈漏斗必液封

收集：向上排空气法（密度）

三、工程·迭代

启普原理：压强差控固液接触

简易化：有孔塑料片+弹簧夹

四、模型·迁移

气体实验室制法通用思路框图（见上）

副板书（右侧，随堂生成）：

学生典型错误装置解剖图；创新装置设计草图；雷达图指标。

九、【作业设计·分层递进】

（一）基础巩固类（必