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验证呼吸作用确实产生了二氧化碳气体的实验设计

【教学目标】
1.培养学生学会由实验目的出发，找寻相应的实验方法，从而得出实验结论的常规思路。
2.培养学生科学谨慎的实验态度，学会考虑和排除对实验结论可能会产生的干扰因素，逐步渗透设计对比实验的思想。
3.初步了解气体的检验装置和气体除杂装置中的注意事项。
4.培养学生学会根据相关现象及对一些简单数据信息的理解，确定吸收二氧化碳和检验二氧化碳气体所需试剂的基本要求，并明确其中的原理。
5.初步培养学生学会根据实验的需要，对实验装置进行简单组装的能力，及对组合实验进行协调控制的能力。
【实验内容】
1.实验来源
该实验设计来自于2012年上海教育出版社初三化学教材第46页习题的第9题。
题目内容如下：我们已经知道，呼吸作用产生二氧化碳。你能否设计一个实验验证呼吸作用确实产生了二氧化碳气体。
题目并配有两副插图，图片及边上注解分别如下：

2.实验名称
《验证呼吸作用确实产生了二氧化碳气体》
3.实验器材
仪器：锥形瓶（5只），双孔橡皮塞（四只，并配有长短玻璃导管），弹簧夹（两只），Y形管（一只），乳胶管
试剂：氢氧化钠溶液，澄清石灰水
4.实验装置：

装置图1 装置图2

装置图3 装置图4

【设计思路及说明】
本节课的授课学生对象是苏州市培东少年科技班的学生，他们思维相对活跃，理解能力较强，教师在实施教学上有一定的拓展和提升空间。本实验设计源于一道课后思考题，无固定实验器材和实验装置，有利于开发学生对实验设计的探究能力。
本实验设计首先从最简单的二氧化碳的性质检验入手，容易让学生产生轻视心理，这为下面的实验教学能制造出“看似简单而不简单”的实验效果做好心理上的铺垫，有利于培养学生在探究实验时所需要的严谨的科学态度。
然后教师开始通过引导学生注意题目和插图文字及数据，培养学生应该学会全面审题，并学会对出题者的意图进行思考和领会，这样才能得出更加准确的实验结论。通过设计对比实验，向学生渗透实验设计中可能存在对实验结论产生干扰的因素，并逐步介绍装置2在检验气体性质时的设计原理及应用。
其次，在上述对比实验的基础上，学生虽然已经得出空气中原有的二氧化碳浓度较稀，短时间内不足以使澄清石灰水变浑浊的结论。但是在没有设计刚才的对比实验之前，也不清楚空气中原有的二氧化碳到底会不会对实验结论产生干扰。为了摆脱隐患，教师提示可以考虑事先把吸入的空气中原有的二氧化碳给除去。新问题的提出，又让学生眼睛一亮，课堂再次充满生机。在此，教师还培养学生学会利用数据找寻信息。在大家一起讨论之下，顺利解决吸收二氧化碳气体和检验二氧化碳气体所需试剂的基本要求，并同时将装置2在气体除杂实验设计中进行拓展和应用。教师紧接着在学生现有的知识水平上，趁机展示组合实验的装置，有利于开发学生对组合实验进行协调控制的能力。
最后环节，教师又提出了如果假设开始吸入的混合气体中，二氧化碳浓度不太低，或是万一实验室里配制的NaOH溶液很稀，如何确保二氧化碳是否已被氢氧化钠完全吸收干净的问题，在此将本节课的内容得到升华，学生情绪也热情高涨。大家在老师激励下，都摩拳擦掌，争相展示自己的能力，最终成功解决问题。这部分内容的设计，对提升学生的实验综合能力，更好培养学生在实验探究中严谨的治学态度进行了更为大胆的尝试。
【教学过程】
1轻松引入，暗藏陷阱
在讲完第二章第二节《奇妙的二氧化碳》新课之后，进入到书后习题的巩固。教材第46页习题的第9题。题目内容表述如下：我们已经知道，呼吸作用产生二氧化碳。你能否设计一个实验验证呼吸作用确实产生了二氧化碳气体。
【教师设疑】：刚学完二氧化碳的性质，我想这个问题肯定难不倒大家，请问怎么来验证呼吸作用中产生了二氧化碳了呢？我们请个代表来讲讲，请注意验证物质的语言表达哦，大家一起回忆，验证物质要有“方法、现象、结论”！
【设计意图】：这个问题看似简单，容易让学生产生轻视心理，从而可以为下面的实验教学制造出“看似简单而不简单”的实验效果，培养学生探究实验需要有严谨的科学态度。
【学生回答】：用一根玻璃管不断向澄清石灰水中吹气，会看到澄清石灰水变浑浊，从而证明呼吸作用中产生了二氧化碳。
【教学实况】：下面学生一致同意上述同学的回答，这是二氧化碳的典型性质，不容置疑。
【学生实验】：教师将准备好实验器材和试剂放在实验台上，请学生按装置1，用玻璃管不断向澄清石灰水中吹气共30秒钟，提醒学生换气时，嘴巴要离开玻璃导管。实验时很快看到澄清石灰水变浑浊，顺利完成了他们的实验设想。大家也觉得这道实验设计题已经成功解决，心理上处于完全放松状态。
【设计意图】：为了与下面的实验产生对比，我对学生的吹气时间进行了控制和记录，吹气共30秒叫停！
2.审视题意，对比实验
用这个方法来验证呼吸作用中产生二氧化碳气体，真的是天衣无缝了吗？同学们有没仔细注意一下题目下方的插图及图边上的文字和相关数据呢？
【设计意图】：培养学生注意全面审题，对出题者的意图进行思考和领会。预计大多数同学并不能领会为什么出题者开始告知出空气中原有的二氧化碳的含量。
【学生活动】：大家在教师的提醒下，看插图并阅读图中注解。
【教师设疑】：请问大家在研究之后，有什么想法？同学们可以随便发表自己的观点。
【设计意图】：给学生表达观点的机会，了解学生的想法，便于站在学生的角度去解决问题，并可以挖掘和提升学生对问题的探究能力及语言表达能力。
【学生活动】：有学生主动站起来发言，并有人提出吸入的空气的成分中含有二氧化碳，这样能使澄清石灰水变浑浊会不会是空气中本来的二氧化碳呢？
【教师点评】：对，想法非常好，这就是我们要值得谨慎对待的。吸入的空气成分很复杂，主要是氮气和氧气，而出题者为什么偏偏把含量较少的二氧化碳的体积分数特意标出来，所以我们要注意到这个细节。
【教学效果】：学生在老师的点拨下，已初步学会考虑对实验结论可能会产生干扰的因素。
【教师设疑】：那么，现在给我们带来的新的问题就是，空气中原有的二氧化碳到底能不能使澄清石灰水变浑浊呢？我们又该怎样来证明呢？
【设计意图】：引导学生在遇到问题时，如何积极寻找应对的方法，并给学生思考提供引导台阶和帮助。
【教师设疑】：展示装置2中的锥形瓶和带有长短导管的双孔橡皮塞。提示学生在锥形瓶中加入澄清石灰水，至将长导管浸没在澄清石灰水中为止，完成装置2的搭配。请大家考虑如何利用这样的装置来验证空气中原有的二氧化碳是否能使澄清石灰水变浑浊呢？
【学生活动】：大家在讨论，怎样让空气与澄清石灰水反应？也有人说锥形瓶中本来就有空气啊？或者可不可以把空气吹入或是吸入呢？
【教师提示】：锥形瓶内的空气在澄清石灰水的上方，与澄清石灰水的接触面积不大，我们要想办法让空气与溶液充分接触，该怎么操作呢？
【设计意图】：给学生一个阶梯，在老师的帮助下，慢慢让学生感受较为复杂的实验装置，并逐步理解该实验装置在以后实验设计中的应用。
【教学效果】：学生对这种开放性的问题讨论很感兴趣，并互相评价大家提供的方案，如有学生提出不能采用吹入空气的方法，吹气很容易让呼出的气体一并随空气进入到锥形瓶中。
【学生活动】：为了给下面的组合实验做好铺垫，在这里我建议大家可采取减小内压的方法。学生在我的提示下，再次讨论得出，应该采用吸入空气的方法，让空气与澄清石灰水充分接触，既简单又可行。
【教师提示】：那空气是从较长的导管进入还是从较短的导管进入呢？嘴巴又是从哪根导管进行洗气呢？
【设计意图】：慢慢渗透在检验气体性质时长进短出的基本原理。
【学生活动】：学生讨论，很快得出，嘴巴应该接触短导管处，从长导管不能将空气吸入锥形瓶中，且会把溶液直接吸入嘴中。
【教师设疑】：请问如果从短导管不断吸气的话，装置中会有什么现象呢？
【学生活动】：学生纷纷预测现象，并想上来进行尝试。派了一名学生代表上台，下面学生在全神贯注观察。发现当用嘴巴从短导管处吸气时，锥形瓶中长导管处不断有气泡产生。为了与上面的吹气实验产生对比，在这对学生的吸气时间也进行了控制和记录，吸气30秒叫停！但此时并未像刚才用玻璃管向澄清石灰水中吹气那样，很快看到锥形瓶中的澄清石灰水明显变浑浊。
【教师提示】：别着急，我们延长实验时间，再继续吸气30秒，提醒学生注意换气时，嘴巴要离开玻璃导管，不能向瓶中吹气，我们一起耐心等待。
【学生演示】：学生继续吸气，发现锥形瓶中的澄清石灰水仍然无明显变化。
【教师设疑】：请问大家，从短导管将瓶中气体往外吸时，为什么会有大量气泡经过长导管从溶液中冒出？这样做的目的是什么？
【设计意图】：新授实验知识的学习，一定要充分理解其中的原理，才能做到印象加深，以至灵活运用。
【学生回答】：从短导管往外吸气时，锥形瓶内压强减小，在大气压的作用下，将瓶外的空气经过长导管压到瓶中，所以在长导管口会看到有气泡产生的现象。由于长导管浸没在澄清石灰水，可以让空气充分与溶液进行接触，便于空气中的二氧化碳与澄清石灰水充分反应。
【教学效果】：在教师的层层提问和逐步渗透中，学生基本了解了吸气的基本原理，及导管长短在实验设计上的妙用。
【教师总结】：说得很好，这个装置在以后实验设计中会经常用到。它可以用于某种气体与溶液反应时产生特殊现象来检验气体的性质；也可以用来除去气体中混有的某种杂质气体，其原理就是通过溶液将杂质气体反应或吸收掉。关键操作的要点是：气体要从长导管进，短导管出，简称“长进短出”。
【教师设疑】：那么，对我们做过的吹气实验和刚才的吸气实验，从澄清石灰水的变化上，你能获得哪些实验结论呢？请同学们进行讨论。
【设计意图】：回顾实验现象，提醒学生进行对比，对实验结论作初步判断。
【学生回答】：呼出的气体能使澄清石灰水变浑浊，吸入的空气中虽然含有二氧化碳气体，但在短时间内不能使澄清石灰水变浑浊。
【教师设疑】：那么能不能说明呼吸作用中产生了二氧化碳气体？
【学生回答】：可以，因为呼出的气体使澄清石灰水很快变浑浊，可以说明呼出的气体中二氧化碳的含量增大了。
【教学效果】：学生清晰地根据上述两个实验现象的对比，已经意识到考虑问题应更加深入，并能对实验结论作出客观的评价。同时让学生感知“看似简单而不简单”的道理，渗透科学严谨的探究态度。
【教师总结】：通过这两个实验的对比，确实可以得出呼吸作用确实产生了二氧化碳气体，因为空气中原有的二氧化碳短时间内不能使澄清石灰水变浑浊。设计对比实验，可以帮助我们得到更加真实可靠的实验结论。
3.统筹规划，组合实验
虽然大家刚刚看到了空气中原有的二氧化碳浓度较稀，短时间内不足以使澄清石灰水变浑浊，但我们在没有设计刚才的对比实验之前，也不清楚空气中原有的二氧化碳到底会不会对我们实验产生干扰。为了摆脱隐患，我们可不可以事先把吸入的空气中原有的二氧化碳给除去呢？
【学生活动】：大家在我的提议下，眼睛一亮，刚刚解决上一个问题，又有新的问题接踵呈现，课堂顿时又充满了生机。
【教师设疑】：那么怎样才能做到我们吸入的空气不含二氧化碳呢？
【设计意图】：初步培养学生有根据实验的需要，对混合气体的干扰气体进行除杂的思想。
【学生活动】：可以用某种物质把空气中的二氧化碳反应掉或是吸收掉。
【教学效果】：刚刚在介绍“长进短出”原理时，渗透的气体除杂思想已初步端倪。
【教师设疑】：思路很好，那用什么物质来吸收空气中的二氧化碳呢？请大家讨论。
【学生活动】：下面同学各抒己见。有的说直接用水吸收掉空气中二氧化碳，因为二氧化碳能溶于水；也有的说先用一份澄清石灰水把空气中的二氧化碳反应掉；也有的说用氢氧化钠溶液。因为根据我们在新授课的实验教学中，大家从视觉上直接感知到氢氧化钠对二氧化碳的吸收能力很强，当时往盛满二氧化碳的矿泉水瓶中倒入少量氢氧化钠溶液时，矿泉水瓶瞬间就瘪掉了，而往盛满二氧化碳的矿泉水瓶中倒入等体积的蒸馏水时，瓶子体积变化并不明显。
【设计意图】：调动学生对旧知识进行回忆，根据相关现象，初步让学生意识到选择除杂试剂的基本要求，并为下面讨论吸收二氧化碳和检验二氧化碳在对应试剂上的区别做好准备。
【教师提示】：为了帮助大家做出正确的选择，老师再给大家提供一组数据
室温下，100g水中最多能溶解Ca(0H)2 0.2g，能溶解NaOH 109g
请问从这组数据你能得到什么信息呢？
【设计意图】：初步培养学生对实验数据的感知能力。
【学生活动】：Ca(0H)2在水中能溶解的量很少，比NaOH少很多。
【教师设疑】：那如果用澄清石灰水Ca(0H)2溶液来吸收二氧化碳气体，会有什么问题呢？
【学生活动】：师生一起讨论得出，由于溶解的Ca(0H)2的量太少，可能不能完全保证二氧化碳气体能被吸收干净。
【继续设疑】：那能用水来吸收二氧化碳吗？
【学生活动】：不能，二氧化碳在水中的溶解度不大，而且二氧化碳与水反应形成的碳酸很容易再次分解而释放出二氧化碳气体。
【教师总结】：所以，尽管空气中二氧化碳的含量较低，但为了保证实验的准确性，我们最好应选择浓度较大的NaOH溶液，确保空气中的二氧化碳能被除尽。
【教学效果】：大家一起根据对新授课实验现象的回忆，和对教师所给实验数据的启发，在除去二氧化碳的试剂选择上达成了共识。
【教师设疑】：吸收除去二氧化碳我们选择NaOH溶液，那我们检验二氧化碳气体为什么选择澄清石灰水Ca(0H)2溶液呢？
【设计意图】：让学生明确选择吸收二氧化碳和检验二氧化碳气体对应试剂的基本要求，并明确其中的原理。
【学生活动】：因为二氧化碳与澄清石灰水反应会产生明显的变浑浊的现象，而与NaOH溶液反应时无明显现象，所以用澄清石灰水来检验二氧化碳气体。
【教师设疑】：再次展示实验装置2，如用该装置吸收除去空气中原有的二氧化碳，锥形瓶中应该放什么液体？空气从长导管进入还是从短导管进入呢？
【设计意图】：让学生更加具体明白除杂装置的基本原理。
【教学效果】：在前面检验气体性质的讨论铺垫中，学生很轻松回答出，空气应该从长导管进入，充分与NaOH溶液反应后，再由短导管出来。
【教师演示】：现在我有两个锥形瓶，并配有长短导管的双孔橡皮塞。我还准备了一个特殊形状的玻璃管，形状像字母Y，我们也将之成为“Y形管”，现在我用乳胶管将他们三者连接起来，并在“Y形管”的两下端的乳胶管处，准备两个弹簧夹，以控制装置中气流的方向。展示装置图3。利用这个装置我们可以做到将吸入的空气中二氧化碳气体先去除，然后再检验呼出的气体中含有的二氧化碳气体确实是呼吸作用中产生的。这个实验装置比较复杂，老师先帮大家组装好。
【教师设疑】：请问，从左到右，这两个锥形瓶中分别盛装什么液体？还有如何用这两个弹簧夹来控制装置中气流的方向？
【设计意图】：初步培养学生对组合实验的理解及控制能力。
【学生活动】：学生纷纷举手，讨论热烈。
【互动归纳】：左边的锥形瓶应该盛放NaOH溶液，用于吸收空气中原有的二氧化碳气体，右边的锥形瓶应该盛放Ca(0H)2溶液，用于检验呼出的二氧化碳气体。实验时，先打开左边弹簧夹，关闭右边弹簧夹，从Y形管上端进行吸气，吸入的空气从左侧长导管进入，吸气后，关闭左边弹簧夹，打开右边弹簧夹，将体内的气体呼出，气体通过长导管通向右侧锥形瓶中，与澄清石灰水充分反应。
【学生演示】派一名代表按大家讨论的方案进行实验演示，顺利得到了明显的实验现象。
【教学效果】：说明前面的知识铺垫在这个组合实验中起了很好的效果。教师对学生的快速反应预期不足。
【教师总结】真没想到，同学们的反应如此之快，思路如此清晰，老师有点小瞧大家了，早点这个实验装置交给大家来组装了，以后老师会给同学们更过挑战的机会。
4.综合提升，拓展实验
现在大家思路越来越活跃，研究问题也越来越严谨了，非常好！不过现在面对这套装置（指装置3），我还有一个问题，想跟大家商量。
【教师设疑】：什么问题呢？就是我们用NaOH溶液来去除二氧化碳气体时，并没有看到什么明显的现象。虽然说空气中二氧化碳气体浓度较低，但是如果假设我们开始吸入的混合气体中，二氧化碳浓度不太低，或是我担心万一实验室里配制的NaOH溶液很稀的话，有可能也会导致二氧化碳吸收不干净啊。同学们你们说我这个想法有没道理？如果有道理，你们能想出什么办法来化解我的担心呢？
【设计意图】：初步尝试提升学生的实验综合能力，更好培养学生在实验探究中严谨的治学态度。
【学生活动】：大家热情高涨，在老师刚才语言的激励下，都在摩拳擦掌地想展示自己的能力，帮助老师解决问题。果然有个别学生提出了问题的要害之处。学生回答可以再加一个装有澄清石灰水的锥形瓶，看看通过NaOH溶液后出来的气体能不能使澄清石灰水变浑浊了，如果这里的澄清石灰水不变浑浊了，就可以证明混合气体中原有的二氧化碳气体已被NaOH溶液吸收干净了。
【教师点评】：说实话，我都被你们震撼了，大家真是太聪明了，将来都是研究化学的好能手。既然大家这么厉害，下面我就请同学上来把你们所要添加的装置及试剂给我组合上去。
【学生活动】：两名学生代表上台，在大家的七嘴八舌之下，协助完成实验组装，并且很自然地保证气流从左到右都是“长进短出”的流向。
【教学效果】：本节课内容也在此得到升华，很多同学在这节课上逐步体验到了挑战自我、不断完善、享受成功的快乐。最终通过这组严密的组合实验，不仅可以一步到位，而且真正做到“确确实实”可以验证呼吸作用产生了二氧化碳气体。
【教师总结】：这节课，虽然我们只跟大家讨论了一道习题，但从这道题目的实验设计过程中，我们越来越感觉到“严谨”这个词语在科学探究中的重要性，在实验探究中，大家既对所学知识进行了巩固，又体验到了对比实验和组合实验的妙处，以后在实验设计方面，我们会给大家更多学习和展示的机会，今天的学习内容到此结束！
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