李焱 孙慧杰 赵薇 李慧云

关键词：高中化学;负压救护车;真实情境;科学探究

中图分类号：G633.8    文献标识码：B    文章编号：1009-010X（2023）32-0061-04

本节课的教学内容是人教版《化学（九年级上册）》第一单元课题2“化学是一门以实验为基础的科学”的第2课时，隶属于《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）学习主题一“科学探究与化学实验”。本节课的主要内容包括两个方面：一是通过实验探究认识比较人体吸入的空气和呼出的气体中CO2、O2和水蒸气含量多少的方法，并体验控制变量学科方法的运用;二是基于实验过程，认识科学探究的“发现问题——提出问题——作出猜想——设计方案——进行实验——收集证据——得出结论——反思评价”的一般思路。

本节课的关注点有：一是分析吸入与呼出气体中气体含量发生了哪些变化;二是按照教材的方案进行实验验证;三是在实验过程中体验科学探究的要素和控制变量这一学科方法的运用。如何创设真实的学习情境，引导学生在解决真实问题的过程中自然地体验科学探究的过程，并认识化学的学科价值是我们设计本节课时着重突破的难点。

一、教学目标

第一，通过对负压救护车相关问题的探究，认识科学探究的一般思路和方法。

第二，通过比较氧气、二氧化碳、水蒸气含量的科学探究过程，体会化学的学科特点，并体验控制变量学科方法的运用。

第三，通过探究“负压救护车中是否需要不断换气”和“防护眼镜上水雾产生的原因”等真实情境问题，体验化学学科的价值之一是解决实际问题。

二、教学思路

教师通过医疗常用的防护设备“负压救护车”和“护目镜”创设学习情境，并基于学习情境将本节课分为三个教学环节（图1所示是本节课的教学思路）。

三、教学实录

环节一：创设学习情境，提出问题。

教师展示负压救护车的图片，并提出问题：你对负压救护车有哪些了解或疑惑？

学生纷纷发言，进了如下交流：

针对学生的讨论，教师类比“负压原理”在生活实际——抽油烟机中的应用，引导学生分析负压救护车的“负压”原理。

教师给出图2所示的资料卡片，资料显示：负压净化装置和负压隔离仓的造价几乎占了负压救护车总造价的二分之一。于是，提出新的问题：“我们只要制造一个封闭的救护车即可实现带有传染性病菌的空气不外逸，为什么还要花费如此高的代价制造不断换气的负压救护车呢？”

学生讨论后认为人体呼出的气体与吸入的空气成分不同，并根据初中生物课中所学的人体的呼吸作用的变化“有机物+氧气→二氧化碳+水+能量”，作出合理的猜想与假设：人体呼出的气体与吸入的空气相比，CO2含量增加、O2含量降低、水蒸气含量增加。

环节二：探究负压救护车中是否必须不断换气。

探究1  验证人体吸入和呼出气体中O2含量的变化。

首先经小组内讨论确定实验依据：“氧气具有助燃性”，然后进行小组合作实验。图3所示是学生设计的3种不同的实验方案和观察到的实验现象。

实验后教师组织学生对3种方案进行充分讨论：方案3由于没有控制吸入和呼出气体的体积相同，故该方案不合理，方案2现象不明显，故相比之下方案1是最佳方案。由此强化了学生对控制变量这一学科方法的认识，同时引导学生注意在验证猜想假设时，确保实验现象明显也是实验方案科学性的一个方面。

经过充分讨论，全体学生最后达成共识：呼出气体中O2含量降低了。

探究2  验证人体吸入和呼出气体中CO2含量的变化。

教师将图4所示生物教材的内容作为资料呈现给学生，然后提出如下问题：请利用所给仪器和药品，设计实验验证吸入与呼出气体中CO2含量的变化。

仪器和药品：集气瓶、澄清石灰水、吸管、注射器、胶头滴管和量筒。

请两位同学到讲台上演示自己设计的实验方案。

在探究1的基础上，两位同学已经形成了控制变量的意识，分别收集吸入的空气和呼出的气体各1瓶，然后向其中加入相同体积、相同浓度的澄清石灰水，不同的是两位同学分别选用了注射器和胶头滴管控制加入石灰水的体积。由此说明在探究1的基础上，学生对控制变量的运用由“无意识”转化为“有意识”行为。

通过实验得出结论：呼出气体中CO2含量较高。

探究3  模拟封闭不换气体系中的呼吸作用，观察CO2和O2含量的變化。

图5所示是一个自制的带有二氧化碳和氧气传感器的全封闭不换气模拟装置。请2位同学通过消过毒的呼吸面罩在这个封闭体系中进行呼吸，实验数据见下表：

通过模拟实验学生更加清晰地感受到人体在呼吸过程中确实会引起CO2含量的升高和O2含量的降低。那这是否就是负压救护车不断换气的原因呢？

探究4  理论计算，进一步理性分析。

教师给出图6所示的资料卡片，提出如下问题：若负压救护车内空气的体积约8000L，负压救护车内同时有医护人员和病人共计5人。请计算多长时间后车内5人开始出现不适症状？

同学们很快完成如下两个运算：

8000升×（21%-19%）÷21升/小时÷5人≈1.5小时/人

8000升×1%÷（9升/分钟×4%）÷5人≈44分钟/人

教师引导学生根据数据分析不断换气的原因：（1）二氧化碳含量升高的影响高于氧气含量降低的影响;（2）实际上呼吸既消耗氧气又产生二氧化碳，双重影响会缩短人的生存时间;（3）由于负压救护车内载有呼吸急促的病人，更加需要新鲜空气的供给。进而确定负压救护车不断换气确实与人的呼吸有关系。

探究5  模拟封闭定向换气体系中的呼吸作用，并观察CO2和O2含量的变化。

图7所示是在探究3中的装置（即图6所示）基础上加装一个抽气泵后的封闭定向换气模拟装置（类似负压救护车中的换气情况），然后重新请2位同学再次进行呼吸，发现装置中二氧化碳和氧气的浓度都几乎不发生变化。

经过上述探究活动，同学们清晰地认识到：负压救护车中不断换气与人体的呼吸有着密切关系，必须要不断换气确保医务工作者和病人吸入的空气质量，这也是保证他们生命安全的屏障之一。

环節三：探究医护人员防护眼罩上水雾产生的原因及去除方法。

教师通过短视频介绍：负压救护车因拥有负压医疗舱、负压隔离弹夹舱和医护人员的防护装备三重防护作用，被称为移动的N95口罩;但医护人员长时间佩戴护目镜后，镜片上往往会出现大量水雾。

提出问题：你认为防护眼镜上产生大量水雾的原因有哪些？

学生经过分析，认为主要原因有两个：（1）呼出气体中水蒸气含量升高;（2）呼出的水蒸气遇到冷的镜片发生了液化（即主要是温度变化的影响）。

实验1：每小组用组内某同学的眼镜进行实验，向其中右侧镜片上哈气。

学生认为该实验中左、右两侧镜片的温度不同，不足以说明呼出的气体中水蒸气含量升高了。教师给出图8所示的关于氯化钴试纸的资料卡片，并组织学生进行分组实验。

实验2：分别将氯化钴试纸放入盛有吸入的空气和呼出气体的两个集气瓶中。根据实验现象学生得出结论：人体呼出气体中水蒸气含量确实比吸入的空气中要高。

课后实践作业：有什么方法可以帮助医护人员免除雾气的干扰？请同学应用今天学习的科学探究的过程和方法进行探究，可探究护目镜材质、玻璃厚度、防护液浓度等因素的影响。要求同学做好探究过程的记录和整理，并在课上进行分享交流。

四、教学反思

（一）创设真实的问题情境，基于问题解决认识化学的学科价值

《课标》明确指出“化学是推动人类社会发展的重要力量，在应对能源危机、环境污染、突发公共卫生事件等人类面临的重大挑战中发挥着不可替代的作用。”

本节课用转运病人的负压救护车创设真实的学习情境，以人体的呼吸作用切入，以物理学科中的压强和生物学科中植物的呼吸作用等知识为基础，以化学实验、定量计算、自制模型、传感技术等为支架展开教学，学生通过观察、讨论、操作、记录、计算、模拟、评价反思等多种方式，在不断质疑中探寻问题的答案。学生在真实情境中探索学习，以情境中的问题为起点，以化学实验与探究为手段，融趣味性、知识性、实践性于一体，深刻地感受到了化学在人类面临的重大挑战中发挥的作用。

（二）强化学科核心素养，将课程目标深植于学生的学习活动中

《课标》基于大概念构建的五个学习主题，每个学习主题中都增加了“……的思路和方法”的内容要求。本节课用转运病人的负压救护车创设学习情境，基于负压救护车引导学生发现“负压原理是什么”“为什么不断换气”“护目镜上大量水雾的原因”等问题，然后基于问题引导学生构建了“进行合理的猜想假设——设计实验方案——进行实验收集证据——分析证据得出结论——反思评价”科学探究的一般思路。在整个探究过程中，不断引导学生对二氧化碳、氧气和水蒸气含量测定的实验方案进行评价反思，旨在促进学生对控制变量学科方法的理解和应用。科学探究的一般思路和控制变量的学科方法都是科学探究的基础，也是促进学生科学思维形成的有效途径，为后期学生学习化学打下了坚实的基础。

“运用简单的技术设计、制作与使用有关模型”是科学探究与实践能力的一个方面。本节课通过实验探究使学生认识了人呼出的气体与吸入的空气相比氧气含量降低、二氧化碳含量升高了，但这是否就是“负压救护车不断换气”的原因呢？教师通过图5和图7所示的自制装置，并辅助于二氧化碳和氧气传感器，创造性地模拟了密闭和负压换气状态下二氧化碳和氧气含量变化的实际情况，为学生创造了真实而又深刻的学习体验，很好地落实了新课标的课程目标。

【责任编辑 史   盼】