初中九年级化学 二氧化碳的实验室制取 分层教学设计

初中九年级化学二氧化碳的实验室制取分层教学设计

一、教学背景与设计理念

（一）课程定位与价值

本节课“二氧化碳的实验室制取”位于人教版九年级化学教材第六单元“碳和碳的氧化物”的核心位置，是初中化学中第一个要求学生系统掌握的气体制备实验。它不仅承载着落实二氧化碳制备原理、装置、检验等具体知识点的任务，更重要的是，它是对前一单元“氧气”制取知识的迁移、深化与应用，是学生初步构建“气体制备的一般思路与方法”模型的关键节点。通过本实验，学生将经历从原理筛选、装置选择、操作实践到气体检验的全过程，体验科学探究的乐趣，培养严谨求实的科学态度，并为后续学习氢气、一氧化碳等其他气体的制备奠定坚实的基础。本设计基于新课程改革理念，强调以学生发展为本，注重科学探究，提倡真实问题情境下的深度学习，力求通过精细化的分层教学设计，满足不同层次学生的学习需求，促进每一位学生的科学素养发展。

（二）核心设计理念

1.素养导向：将化学核心素养的培养贯穿始终。通过实验探究，发展学生的“宏观辨识与微观探析”（如从宏观现象认识反应，从微观角度理解反应本质）、“变化观念与平衡思想”（如理解反应的发生与停止）、“证据推理与模型认知”（如构建气体制备的思维模型）、“科学探究与创新意识”（如设计实验、评价装置、改进方案）以及“科学精神与社会责任”（如安全实验、环保意识）。

2.模型建构：以“气体制备的一般思路”为明线，引导学生回顾氧气的制取，归纳出“反应原理→发生装置→收集装置→检验与验满”的研究程序，并运用该程序自主探究二氧化碳的实验室制法，最终形成解决此类问题的思维模型。

3.分层教学：基于学生认知水平和能力差异，在教学目标的设定、探究问题的提出、实验任务的分工、课后练习的布置等方面进行分层设计，使每个学生都能在原有基础上获得最大程度的提升。既有面向全体学生的基础要求，也有面向学有余力学生的拓展挑战。

4.真实探究：避免“照方抓药”式的验证性实验。通过创设真实问题情境（如选择合适的反应物、设计可控的启普发生器简易装置），引导学生像科学家一样思考和解决问题，在真实的探究过程中获取知识、发展能力、体悟方法。

二、教学目标（分层表述）

（一）基础性目标（面向全体学生，达成基本要求）

1.掌握实验室制取二氧化碳的反应原理，能用化学方程式正确表达：CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑。【基础】【核心】

2.能依据反应物的状态和反应条件，说出实验室制取二氧化碳应选用固液常温型发生装置；依据二氧化碳的密度和溶解性，说出应选用向上排空气法收集。【基础】【重要】

3.能独立完成二氧化碳制取的实验操作，包括装置搭建、药品取用、气体收集和检验。【基础】【高频考点】

4.掌握二氧化碳的检验方法（通入澄清石灰水）和验满方法（燃着的木条放在集气瓶口）。【基础】【必考】

（二）拓展性目标（面向中等及以上学生，促进能力提升）

1.能对比氧气和二氧化碳的制取，归纳总结实验室制取气体的一般思路与方法，初步建立气体制备的思维模型。【重要】【难点】

2.能对不同的固液不加热型发生装置进行分析和评价，理解其优缺点及适用范围（如简易装置、带长颈漏斗的装置、启普发生器原理）。【重要】【热点】

3.能针对实验过程中可能出现的异常现象（如气体收集不满、反应速度过快或过慢等）进行分析和解释，并提出改进措施。【难点】

（三）挑战性目标（面向优等生，鼓励创新思维）

1.能根据启普发生器的原理，利用生活中的废弃物（如饮料瓶、输液管等）设计并制作一套能控制反应发生和停止的简易装置。【创新】【挑战】

2.能对教材实验方案进行评价，提出改进意见（如如何获得平稳气流、如何干燥二氧化碳气体等），并进行简单的实验设计。【探究】【高阶】

3.能从绿色化学的角度（如原料利用率、废物处理等）对实验室制取二氧化碳的方案进行反思和评价。【综合】

三、教学重难点

（一）教学重点

1.实验室制取二氧化碳的反应原理、实验装置和操作步骤。【基础】

2.二氧化碳的检验和验满方法。【基础】

（二）教学难点

1.从氧气制取迁移到二氧化碳制取，引导学生自主构建气体制备的思维模型。【重要】

2.对固液不加热型气体发生装置的理解、评价与创新设计。【难点】【热点】

四、教学准备

（一）仪器与药品

1.仪器：锥形瓶（或平底烧瓶、试管）、长颈漏斗、双孔橡皮塞、单孔橡皮塞、直角导管、橡胶管、集气瓶、玻璃片、铁架台（带铁夹）、量筒、药匙、镊子、火柴、酒精灯、烧杯、试管、试管架、废液缸。

2.药品：大理石（或石灰石，主要成分CaCO₃）、稀盐酸（1:2）、澄清石灰水、紫色石蕊试液、木条。

3.备用与拓展材料：碳酸钠粉末、块状碳酸钙、稀硫酸、浓盐酸、启普发生器模型、各种自制简易装置模型（如用注射器、饮料瓶制作的装置）、干燥管、洗气瓶。

（二）教师课前准备

1.预实验：检查所用药品和仪器的有效性，确保实验成功率。特别是大理石颗粒大小、稀盐酸浓度需调试至产生气流平稳、易于收集为宜。

2.分组：根据学生情况进行异质分组，每组4-5人，明确组长、操作员、记录员、汇报员等角色，便于分层任务的下达和合作学习的开展。

3.学案设计：设计包含基础填空、原理分析、装置选择、实验记录、问题思考和拓展探究等板块的导学案，体现分层学习的梯度。

五、教学实施过程（核心环节）

（一）创设情境，复习引入（约5分钟）

1.教师活动：展示一组图片：汽水中的气泡、灭火器灭火、舞台云雾效果、温室效应示意图。提问：“这些现象都与一种常见气体有关，它是谁？”（引导学生答出二氧化碳）。接着提问：“在前面的学习中，我们是如何获得氧气进行实验的？你能归纳出实验室制取一种气体时，我们需要考虑哪些方面的问题吗？”

2.学生活动：观察图片，思考并回答问题。在教师引导下回顾氧气实验室制法的学习路径，尝试归纳气体制备的一般思路：首先确定反应原理（用什么药品，在什么条件下反应），然后根据原理选择发生装置（反应物状态和反应条件），再根据气体的性质选择收集装置（密度、溶解性、是否与水反应、是否有毒等），最后还要考虑如何检验和验满。

3.设计意图：从生活情境切入，激发兴趣。通过复习旧知（氧气制取），引导学生主动构建研究气体制备的认知框架，为后续探究二氧化碳的制法做好知识和方法上的铺垫，体现“模型认知”的核心素养。

（二）原理探究，方案设计（约12分钟）

1.问题驱动，分层探究：

教师提出核心问题：“如何才能在实验室里制取一瓶纯净的二氧化碳气体呢？”围绕气体制备的一般思路，将大问题分解为几个子问题，并进行分层引导。

（1）反应原理的选择：【基础层】

教师提供几组可能的药品组合：A.碳酸钠粉末和稀盐酸；B.块状大理石和稀盐酸；C.块状大理石和稀硫酸；D.蜡烛燃烧。要求学生小组讨论，分析每组可能产生什么气体，反应速率如何，是否适合实验室制取二氧化碳？【难点】【重要】

学生分组讨论，根据已有的知识（碳酸钠与酸反应剧烈，硫酸钙微溶）和查阅资料（蜡烛燃烧生成二氧化碳但气体不纯且难收集），初步筛选出B组合（大理石和稀盐酸）较为合适。教师引导学生从反应速率、气体纯度、操作简便、成本等角度进行评价。

（2）反应原理的确认与表达：

教师演示大理石与稀盐酸、大理石与稀硫酸、碳酸钠与稀盐酸的反应。引导学生观察现象：大理石与稀硫酸反应一会儿就停止（生成微溶的硫酸钙覆盖表面）；碳酸钠与稀盐酸反应过于剧烈，瞬间产生大量气体，不易收集；大理石与稀盐酸反应速率适中，产生气泡均匀。

引导学生得出结论：实验室通常选用大理石（或石灰石）和稀盐酸反应来制取二氧化碳。并写出化学方程式：CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑。【基础】

（3）发生装置的选择：【拓展层】

提问：“根据我们确定的反应原理（固体和液体反应，不需要加热），应该选择什么样的发生装置？”引导学生回顾氧气制取中用到的“固液不加热型”装置，并展示几种不同的固液不加热装置（如图1简易装置，图2带长颈漏斗的装置，图3带分液漏斗的装置，图4启普发生器模型）。【重要】

要求学生小组讨论：这几种装置分别由哪些仪器组成？它们的优点和缺点分别是什么？哪种装置更适合我们初学者操作？

学生通过对比分析，认识到简易装置最简单，但无法添加酸液；带长颈漏斗的装置可以随时添加酸液，但需要确保长颈漏斗末端液封，防止气体逸出；带分液漏斗可以控制滴加速度从而控制反应速率；启普发生器可以控制反应的发生和停止。最终，教师引导学生结合实验室条件，确定本节课主要采用带长颈漏斗的锥形瓶作为发生装置，并强调液封的操作要点。

（4）收集装置的选择：【基础层】

提问：“二氧化碳有哪些物理性质？这些性质决定了我们可以用什么方法收集它？”引导学生回顾二氧化碳的密度比空气大，能溶于水且能与水反应。

学生很容易得出：不能用排水法（虽然溶解度不大，但能与水反应，且排水法收集的气体含水量大），应该用向上排空气法。【基础】【高频考点】

2.设计意图：本环节将气体制备的思维模型应用于具体问题，通过分层设问和对比实验，引导学生主动参与方案的设计和评价，培养了学生的科学探究能力和证据推理能力。对反应原理和装置的深度讨论，突破了本节课的重点和难点。

（三）实验探究，操作实践（约20分钟）

1.明确任务，强调规范：

教师通过PPT或板书清晰展示本次实验的步骤、操作要点和注意事项。特别强调：

检查装置气密性：在连接好装置后，如何检查？（关闭弹簧夹，从长颈漏斗向锥形瓶内加水，若能形成一段稳定的水柱，则气密性好）。【重要】

药品加入顺序：先加固体（大理石），后加液体（稀盐酸）。

长颈漏斗的末端必须液封。

气体收集：导管要伸入集气瓶底部，是为了排尽空气。【重要】

验满方法：用燃着的木条放在集气瓶口，若木条熄灭，则已满。【基础】【必考】

尾气处理：虽然二氧化碳无毒，但实验后废液应倒入指定废液缸，不能随意倾倒。

2.分组实验，巡回指导：

学生以小组为单位，按照设计方案和步骤进行实验操作。教师在各小组间巡回指导，重点关注：

操作规范：检查气密性的方法是否正确，药品取用是否适量（大理石2-3小块，稀盐酸约10-15mL），液封是否实现。

安全意识：提醒学生正确使用稀盐酸（腐蚀性），轻拿轻放玻璃仪器。

实验观察：指导学生观察锥形瓶内产生的现象（有无色气泡产生，大理石逐渐变小），并思考如何检验生成的气体是二氧化碳。

分层指导：对操作熟练、进度快的小组，鼓励他们尝试用两种不同的方法验满，或者思考如何用澄清石灰水检验刚收集到的气体；对操作生疏、遇到困难的小组，给予耐心细致的帮助，甚至手把手指导关键步骤。

3.检验气体，验证成果：

各小组将收集满二氧化碳的集气瓶用玻璃片盖好，然后进行气体检验：

将一根燃着的木条伸入集气瓶中，观察现象（木条熄灭），验证了二氧化碳不支持燃烧的性质。【基础】

向集气瓶中倒入少量澄清石灰水，振荡，观察现象（澄清石灰水变浑浊），这是检验二氧化碳的专属方法。【基础】【必考】

（可选）用湿润的紫色石蕊试纸放在集气瓶口，观察试纸变红，证明二氧化碳与水反应生成碳酸，但此实验并非本节课重点，可作为拓展观察。

4.设计意图：动手操作是实验课的核心。通过亲身体验，学生将理论知识转化为实践技能，在“做中学”，加深对知识的理解和记忆。教师的巡回指导确保了实验的安全性和规范性，分层指导则照顾了不同层次学生的需求，使每个学生都能体验到成功的喜悦。此环节是本课时占比最重的部分，充分体现了“教学实施过程”的核心地位。

（四）反思交流，模型升华（约8分钟）

1.实验复盘，问题研讨：

实验结束后，组织全班进行交流和反思。教师提出一系列引导性问题：

【基础】“你在实验过程中是否成功收集到了一瓶二氧化碳？遇到了哪些困难？”（例如：气体收集不满、反应太快或太慢、长颈漏斗处漏气、验满不成功等）【重要】

【拓展】“如果气体收集不满，可能的原因有哪些？”（引导学生从装置气密性、药品失效、盐酸浓度过低、集气瓶漏气、验满方法不当等角度分析）

【挑战】“如何改进实验装置，使得我们可以随时控制反应的发生和停止？”（鼓励学生基于启普发生器的原理，设计自己的方案，如使用有孔塑料隔板、注射器、气球等）【热点】【创新】

学生结合自己的实验过程进行反思，并与其他小组交流讨论，共同分析问题产生的原因和解决方案。教师对有创意的想法给予充分肯定和鼓励。

2.归纳总结，建构模型：

教师引导学生再次回到课堂伊始提出的气体制备一般思路，结合本次实验的探究过程，进行归纳总结，形成更加完善的“气体制备认知模型”：

确定气体→选择反应原理（药品、条件）→设计发生装置（依据：反应物状态、反应条件）→设计收集装置（依据：气体的密度、水溶性、毒性等）→检验与验满（依据：气体的化学性质）→分析与反思（异常处理、装置改进、绿色化学）。

强调这是一个可循环、可迁移的思维模型，可以用于指导今后对其他气体的实验室制法的学习。【核心】【重要】

3.设计意图：反思交流环节将感性经验上升为理性认识。通过对实验问题的研讨，培养了学生分析问题和解决问题的能力。最终引导学生总结出气体制备的一般模型，实现了知识的系统化和结构化，达到了“模型认知”核心素养的培育目标。

（五）分层练习，巩固拓展（预留至课后或下一课时前5分钟检查）

1.基础巩固题（面向全体）：

（1）实验室制取二氧化碳常用的药品是______和______，反应的化学方程式是________________________。

（2）实验室制取二氧化碳的发生装置应选用______（填“固固加热”或“固液不加热”）型，收集装置应选用______（填“向上排空气”或“排水”）法。

（3）如何检验一瓶气体是二氧化碳？。如何验满？。

2.能力提升题（面向中等及以上）：

（1）右图是某同学设计的实验室制取二氧化碳的装置图，请找出其中的两处错误，并说明改正方法。

（2）为什么实验室不用稀硫酸代替稀盐酸制取二氧化碳？请用化学方程式解释。

（3）简述如何检查右图所示装置（带长颈漏斗）的气密性。

3.拓展挑战题（面向优等生）：

（1）某化学兴趣小组利用废弃的饮料瓶和吸管，设计了一套能控制反应发生和停止的二氧化碳发生装置。请你画出装置简图，并说明其工作原理。

（2）实验室要制取一瓶干燥的二氧化碳气体，请你从下列装置中选择合适的仪器进行组装，并说明气体流向（可提供：发生装置、浓硫酸洗气瓶、饱和碳酸氢钠溶液洗气瓶、向上排空气法收集装置）。【综合】

（3）查阅资料，比较实验室制取二氧化碳和氧气在反应原理、发生装置、收集装置方面的异同点，并完成表格。

六、教学反思与评价

（一）设计特色

1.模型建构贯穿始终：从复习氧气引入模型，到探究二氧化碳应用模型，再到反思总结升华模型，一气呵成，凸显了学科思想方法的教学。

2.分层教学落实到位：在目标设定、问题设计、实验指导、练习布置等各环节均体现了层次性，既有保底要求，又为学有