沪科版《高中拓展型课程（化学）》第五章第3节《化工生产》-《实验室模拟纯碱的工业制法》说课稿

实验室模拟纯碱的工业制法
说课文稿
一、使用教材
本实验选自上海科学技术出版社出版的《高中拓展型课程（化学）》第五章第3小节《化工生产》部分，本教材供高考选择化学作为加三科目的同学学习。
二、实验器材
本实验分为学生课堂实验以及探究实验两个部分，所需要的的实验器材如下：16g装二氧化碳钢瓶、微型减压表、试管、锥形瓶、橡胶塞（配套玻璃管以及橡胶管）、加热磁力搅拌器、一次性胶头滴管，在探究实验过程中需要用到光固化3D打印机、透明塑料瓶。
三、实验创新要点
图1
配有减压阀的二氧化碳小钢瓶
使用16g二氧化碳小钢瓶以及微型减压阀（如图1所示）来作为纯碱制备过程中稳定的二氧化碳气源，能够根据反应需求来进行调节二氧化碳的流速，同时钢瓶中液态二氧化碳气化时会吸收大量的热量，确保反应顺利进行。
图2
加热浓氨水制取氨气
使用加热磁力搅拌器对氨水进行可控温度条件下的加热，确保生成的氨气流速稳定（如图2所示），将两种气体先后通入盛有饱和食盐水的试管后，可在试管中生成碳酸氢钠固体（如图3所示），使得原先很难在实验室中模拟的化工生产过程展现在同学们的眼前，帮助他们更好地理解相关知识。
图3
反应产生的碳酸氢钠沉淀
在学生实验之后，引导学生在现有的实验基础上进行探究，针对实验过程中二氧化碳吸收效果很差的问题，利用三维建模以及3D打印来制作微型的碳化塔，如图4和图5所示。
图4
塔板三维结构与3d打印出的零件
图5
装配好的的微型碳化塔结构
利用制作的碳化塔进行实验，与试管实验相比具有更好的效果，突出化工生产的“多、快、好、省”的原则。
四、实验原理以及设计思路
本实验是在书本知识的基础上进行适当的拓展，带领同学们以工程师的思维来找寻实验中存在的问题，并且加以解决。
本实验设计原理：工业上以食盐（氯化钠）、石灰石（经煅烧生成生石灰和二氧化碳）、氨气为原料来制取纯碱。先使氨气通入饱和食盐水中而成氨盐水，再通入二氧化碳生成溶解度较小的碳酸氢钠沉淀和氯化铵溶液。
其化学反应原理是：NaCl＋NH3＋H2O＋CO2→NaHCO3↓＋NH4Cl
将经过滤、洗涤得到的NaHCO3微小晶体，再加热煅烧制得纯碱产品，化学反应方程式为：2NaHCO3→Na2CO3＋H2O＋CO2↑放出的二氧化碳气体可回收循环使用，本实验主要模拟碳酸氢钠的生成过程。针对在化工生产教学过程中的痛点，提出实验室模拟的实验方案。
实验设计思路：实验在设计时立足于书本知识，同时进行了适当的拓展；让学生自己动手进行实验，实践中检验自己所学的知识；实验过程中注重学生跨学科与团队协作能力的培养。
本实验属于化工生产过程的模拟，需要解决的问题是如何持续地产生温度的二氧化碳和氨气的气流，在进行实验设计时采用了16g装微型二氧化碳气罐来提供二氧化碳，用加热氨水的方式来获得稳定的氨气气流，使得整个实验装置微型化，可以在试管中模拟整个反应。
在完成实验之后同学们继续进行拓展研究，针对反映过程中二氧化碳的吸收效率低的问题，同学们利用三维建模以及3D打印来制作微型的吸收塔装置，进一步模拟工业上的生产过程，并且对设计制作出来的装置进行评价，同时针对实验过程中出现的问题留给同学们作为课外探究的小课题。
五、实验教学目标
1、通过实验探究，加深对纯碱工业基本原理的理解。
2、通过解决真实问题，经历完整的科学探究过程，发展探究能力与创新意识。
3、通过实验探究过程中的分析、比较、改进，发展学生实验设计与评价能力。
4、通过化工生产基本原理的运用，领悟化工生产中“多、快、好、省”的要求，增强社会责任感。
5、通过小组探究活动，体验团结合作的意识和求真务实的科学态度。
六、实验教学内容
学情分析：上海市浦东复旦附中分校是一所创建于2012年的市实验、示范性高中，招收的学生水平较高，有相当一部分同学高考的目标定位在全国一流大学的理工科专业，而这些专业对学生的理化知识要求很高，日常的基础教学已经不能满足于这些同学的需求，因此需要设置一门实验选修课程来传授给这些学生课堂以外的化学知识以及实验技能，训练他们的科学思维方法，提升自身科学素养，为将来进入更高层次的学校做好准备；学生在进行实验之前已经完成化工生产有关知识的学习，有一定的知识储备；学生在学校特色课程中经历过跨学科学习的探索。
本节课为书本知识纯碱的工业制法拓展实验课程，本节课的实验解学内容分为以下三个环节：
环节一：实验引入。复习实验原理，交代在实验室模拟过程中出现的问题以及解决方案。
环节二：学生实验，完成模拟纯碱的工业制法。
环节三：学生讨论，找出实验中还存在的问题，并提出解决方案。
环节四：课外拓展，部分有兴趣的同学完成进一步的研究。
七、实验教学过程
实验准备：为每个小组准备好实验所需器材，打开通风橱电源
整个实验流程如下：
（一）实验内容引入：
同学们进行文献调研内容分享，主要分为以下两个部分：
（1）了解工业上的生产设备——碳化塔，归纳工业生产过程中存在的问题以及工业上的解决方案
（2）已有的两种实验室模拟纯碱工业制法方案分析，总结它们的优缺点
根据以上的文献调研内容，总结出实验室模拟的制约因素为稳定的气体来源以及反应过程中的热量控制，据此来提出实验方案。
（二）学生实验：
图6
学生正在进行实验
对整个实验流程进行演示，学生两人一组开始实验（如图6所示）
（三）分组交流讨论：
学生在实验之后，发现二氧化碳吸收的过程非常缓慢，需要消耗大量的时间，由此提出实验的改进方案，利用胶头滴管制作简易起泡器（如图7所示）。
图7
简易起泡器
实验过程中同学们发现如果在扎孔过程中力度控制不好则会造成胶头滴管上孔的大小不一样，二氧化碳会从最大的孔中跑出，影响鼓泡效果；同时如果孔洞过小，则极易被生成的碳酸氢钠所堵塞。
（四）实验的再改进：
教师归纳实验过程中出现的最主要的问题就是二氧化碳吸收效率太低，碳化过程耗时过长。
因此在后续的课上老师让同学们寻找提升二氧化碳吸收效率的办法，同学在查阅大量化学反应器的相关文献之后，决定模拟工业上吸收塔的结构设计二氧化碳与氨盐水的反应装置，利用工程与计算机方面的知识进行三维设计并且使用3D打印机进行实物制作，进行后续实验对该装置的吸收效果进行检验，取得了较好的实验效果。
八、实验效果评价
1、学生能够亲手去感受原本只能“意会”的知识，直观体验工业的生产过程。
2、将不同学科的知识有机融合，利用工程的思维来解决问题，发展分析解决与化学有关的实际问题的能力。
3、在模拟碳化塔的实验探究过程中，体会化工原理转化为化工生产的过程的复杂性。