主題式實(shí)驗(yàn)探究

李周平 龐立霞

摘要：鋁粉是一種能量密度高、且經(jīng)濟(jì)耐用的金屬粉末。鋁粉和水反應(yīng)放出大量的熱，已在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛應(yīng)用。通過主題式實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究自煮火鍋加熱包的工作原理，讓學(xué)生在質(zhì)疑、探究、生成中學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)能量變化；探究相關(guān)物質(zhì)在加熱包中的作用；感受人類對化學(xué)反應(yīng)釋放的能量的利用。

關(guān)鍵詞：主題式教學(xué)；實(shí)驗(yàn)探究；能量變化；鋁；氧化鈣；氫氧化鈉；碳酸鈉；放熱反應(yīng)

文章編號：1008-0546（2021）11-0088-03中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.022

一、問題提出

從20世紀(jì)40年代起，科學(xué)家就進(jìn)行了鋁與水反應(yīng)的相關(guān)研究[1]。目前，該反應(yīng)已被應(yīng)用于魚雷超空泡、水下推進(jìn)系統(tǒng)以及新能源的制備等。近幾年，隨著消費(fèi)水平的不斷提升和生活節(jié)奏的加快，如今的自熱食品衍生出了自熱米飯、自熱火鍋、自熱粉絲、自熱面條、自熱螺螄粉、自熱冒菜等多個品類。自熱火鍋是近年流行的網(wǎng)紅食品，大多數(shù)自發(fā)熱包是利用物質(zhì)與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時釋放大量能量，為自煮食物加熱。發(fā)熱包是自熱食品能夠達(dá)到自熱條件物品之一，查閱相關(guān)的文獻(xiàn)[2]，綜合比較幾種與水反應(yīng)的金屬密度、能量密度，發(fā)現(xiàn)鋁是最好的燃料，而且鋁既實(shí)用又便宜。對加熱包的加熱原理開展科學(xué)探究既有實(shí)用價(jià)值，又能訓(xùn)練科學(xué)探究的思維方法。本文以探究自煮火鍋加熱包為載體，以現(xiàn)實(shí)的主題式問題誘發(fā)學(xué)生去探究思考，激發(fā)和滿足學(xué)生的認(rèn)知非認(rèn)知發(fā)展需求，將師生互動、協(xié)商、交流、合作、對話的教學(xué)落到了實(shí)處，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)[3]。

二、探究流程

見表1。

三、探究過程：

環(huán)節(jié)一：情境導(dǎo)入

師：展示自加熱火鍋，并用自加熱包煮火鍋。

生：觀看討論，產(chǎn)生興趣。

師：你知道自熱包加熱的原理嗎？根據(jù)你的生活經(jīng)驗(yàn)和所學(xué)的化學(xué)知識，你認(rèn)為自熱包中放的是哪些物質(zhì)嗎？

生：生石灰，氫氧化鈉水溶液的反應(yīng)。

師：展示自熱包的主要成分：鋁粉、氧化鈣、碳酸鈉、氫氧化鈉（少量）

設(shè)計(jì)意圖：通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激發(fā)生成問題，開展有效活動，引導(dǎo)學(xué)生在知識應(yīng)用中加深對知識的理解，促進(jìn)知識重構(gòu)和認(rèn)識轉(zhuǎn)變，力求實(shí)現(xiàn)從虛擬走向真實(shí)，從學(xué)科走向?qū)W生，從經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)，從教學(xué)走向教育[4]。讓學(xué)生用生活的眼光學(xué)化學(xué)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生感受化學(xué)在社會發(fā)展中的重要作用。

環(huán)節(jié)二：探究CaO的作用

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：在錐形瓶中加入4g研磨好的CaO和8mLH2O，用溫度傳感器測出反應(yīng)放出的熱量。

師：通過CaO和H2O反應(yīng)釋放的熱量，能否把火鍋煮沸。

生：不能，因?yàn)樵撨^程中最高溫度為64.4℃，并且高溫持續(xù)時間短，因此不能把火鍋煮沸。

師：多媒體展示資料卡片

師：根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，哪一種金屬與水反應(yīng)單位體積產(chǎn)生的能量最大。

生：單位體積的鋁與水反應(yīng)放出的能量最大。

師：鋁與水反應(yīng)用于水下推進(jìn)劑，是超高速魚雷動力推進(jìn)系統(tǒng)的最佳能源選擇。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中體會CaO和H2O反應(yīng)雖然是放熱反應(yīng)，但是放出的熱量較少，并且高溫時間短，不能為自熱包提供較多熱量，從而推動學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的探究意識。通過多媒體展示幾種金屬與水反應(yīng)的能量密度，打破了認(rèn)為鋁和H2O不能反應(yīng)的錯誤認(rèn)識。將“情境”“活動”“問題”“知識”“認(rèn)知”有效地整合，學(xué)生在既熟悉又陌生的情境中，體驗(yàn)探究、反思經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)深度學(xué)習(xí)能力，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)[6]。

環(huán)節(jié)三：探究Al粉的作用

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：在錐形瓶中加入4gAl和8mLH2O，用溫度傳感器測出反應(yīng)放出的熱量。

師：鋁加到水中，為什么溫度幾乎沒有變化，這是為什么呢？

生：因?yàn)樵阡X的表面有一層氧化膜，阻止了鋁與水的反應(yīng)。

師：怎么除去鋁表面的氧化膜呢？

生：用鹽酸或氫氧化鈉等強(qiáng)酸或強(qiáng)堿。

師：如果除去自加熱包中鋁粉表面的氧化膜用酸還是用堿好呢？

生：用強(qiáng)堿，可用氫氧化鈉或氧化鈣與水反應(yīng)的產(chǎn)物氫氧化鈣除去鋁表面的氧化膜。

設(shè)計(jì)意圖：讓理論和實(shí)驗(yàn)發(fā)生沖突，再一次激發(fā)學(xué)生的思維和探究精神。讓學(xué)生在活動中認(rèn)識探究、體驗(yàn)探究、學(xué)會探究[7]。

環(huán)節(jié)四：探究NaOH的作用

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：分別取4g鋁粉和等質(zhì)量的氫氧化鈉、氧化鈣研磨，將研磨好的混合物放到兩個錐形瓶中，在錐形瓶中加入水，用溫度傳感器測出反應(yīng)放出的熱量，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

生：有氫氧化鈉的錐形瓶中加入水立即產(chǎn)生大量的氣泡，反應(yīng)劇烈，放出大量的熱。有氧化鈣的錐形瓶中加入水開始沒有明顯的變化，3分鐘后，開始出現(xiàn)了緩慢反應(yīng)。

師：根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加熱包中的氫氧化鈉的作用是什么呢？

生：除去鋁粉表面的氧化膜，引發(fā)反應(yīng)；反應(yīng)開始后，氫氧化鈉的作用又是除去鋁與水反應(yīng)后附著在鋁表面的氫氧化鋁。

師：是否可以在加熱包中添加大量的氫氧化鈉呢？

生：因?yàn)殇X與氫氧化鈉反應(yīng)非常劇烈，反應(yīng)難以控制；由于氫氧化鈉易潮解，且有強(qiáng)的腐蝕性。

師：多媒體展示資料卡片

原料價(jià)格：Na2CO3：2000元/噸CaO：2800元/噸NaOH 3000元/噸

為什么加熱包只加少量的NaOH，其作用是什么？根據(jù)原料的價(jià)格如何才能降低成本呢？

生：少量的NaOH的作用是為了快速除去鋁表面的氧化膜；用Na2CO3和CaO反應(yīng)生成NaOH，即能降低反應(yīng)的速率，又能降低反應(yīng)的成本。

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)探究體會NaOH在自熱包中的作用是除去鋁表面的氧化膜，從而引發(fā)鋁與水的反應(yīng)。又通過問題為什么只加入少量的NaOH？使學(xué)生進(jìn)行深度思考，通過對比三種原料的價(jià)格，得到用Na2CO3和CaO制備NaOH，比直接使用NaOH更廉價(jià)，加入Na2CO3和CaO的作用是為了產(chǎn)生NaOH。將原教材知識內(nèi)容進(jìn)行主題式的情境創(chuàng)設(shè)，通過實(shí)驗(yàn)探究、解決問題過程中的知識應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對主題知識的網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)[8]。

環(huán)節(jié)五：探究Na2CO3的作用

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：在一個錐形瓶中加入1gCaO、2g Na2CO3和1gAl粉再加入8mL H2O，在另一個錐形瓶中加入2gCaO和2gAl粉再加入8mL H2O。用溫度傳感器測出反應(yīng)放出的熱量。

師：以上兩個實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有何異同？你認(rèn)為哪個反應(yīng)更適合于自加熱包？

生：兩個反應(yīng)的高溫溫度基本都在95℃，加入Na2CO3時高溫持續(xù)的時間比較長，因此加Na2CO3更適合自加熱包中的反應(yīng)。

師：Na2CO3在此過程中的作用是什么？

生：Na2CO3與CaO的水溶液反應(yīng)生成NaOH使反應(yīng)比較緩和，能逐步產(chǎn)生NaOH，有效控制反應(yīng)速率，可使高溫持久。

設(shè)計(jì)意圖：通過對比分析兩組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的異同，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中得到加入Na2CO3的作用。通過真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展多種探究活動，能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。這與新課程標(biāo)準(zhǔn)的基本理念“重視探究教學(xué)”“素養(yǎng)為本”是相契合的[9]。

環(huán)節(jié)六：歸納總結(jié)，優(yōu)化方案

師：①通過以上實(shí)驗(yàn)的探究，你認(rèn)為自加熱包中的成分在加熱包工作時起到什么作用？

②使用加熱包需要注意什么？

③你期待著什么的自加熱包出現(xiàn)？

生1：加熱包中的供能物質(zhì)是CaO、水和Al粉，Al粉是主要的供能物質(zhì)；Na2CO3的作用是和Ca（OH）2反應(yīng)生成NaOH，使高溫持續(xù)時間較長。加熱包中少量NaOH的作用是，除去Al粉表面的氧化膜，引發(fā)反應(yīng)。

生2：加水不能太少也不能太多，嚴(yán)格按照水位線加水；防止液體飛濺；保證透氣孔暢通，防止飲盒內(nèi)壓強(qiáng)過大。

生3：我期待沒有強(qiáng)腐蝕性的自熱包出現(xiàn)；能產(chǎn)生大量的熱，不產(chǎn)生氫氣。

生4：能夠循環(huán)利用的加熱包出現(xiàn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)驗(yàn)探究培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)精神與社會責(zé)任”，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價(jià)值的問題，讓學(xué)生體會化學(xué)對社會發(fā)展的重大貢獻(xiàn)，具有可持續(xù)發(fā)展意識和綠色化學(xué)觀念，能對與化學(xué)有關(guān)的社會熱點(diǎn)問題做出正確的價(jià)值判斷。

四、反思

主題式教學(xué)是以某個主題為中心，是對教學(xué)主體的辯證統(tǒng)一和“教程”與“學(xué)程”的整合；使課堂教學(xué)從“有限封閉”向“無限開放”的轉(zhuǎn)化；是融靜態(tài)性與動態(tài)性于一體的、充分彰顯教師與學(xué)生主體性的整體性教學(xué)[10]?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》強(qiáng)調(diào)重視“素養(yǎng)為本”的教學(xué)模式，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，這無疑對當(dāng)代化學(xué)教育工作者提出了新要求——選取適切教學(xué)模式進(jìn)行“素養(yǎng)為本”的課堂教學(xué)與實(shí)踐。主題式教學(xué)是一種以“學(xué)生學(xué)習(xí)興趣”為出發(fā)點(diǎn)，圍繞“某一鮮明主題”進(jìn)行核心知識、資源整合的教學(xué)模式，能夠?yàn)榭缭綄W(xué)科領(lǐng)域的知識建構(gòu)與學(xué)習(xí)提供可能，也能夠滿足學(xué)生個性化、多樣化的學(xué)習(xí)需求[11]。

化學(xué)是一門綜合性、實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，必須堅(jiān)持“學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一”的教育理念[12]。主題式教學(xué)中具有推進(jìn)課程整合、提升思維能力、促進(jìn)自主發(fā)展的作用。近年來，核心素養(yǎng)導(dǎo)向的高考命題凸顯真實(shí)復(fù)雜情境下的任務(wù)驅(qū)動。通過對自熱火鍋構(gòu)建主題式教學(xué)模式，扎實(shí)推進(jìn)化學(xué)教學(xué)改革，促進(jìn)學(xué)生形成快樂學(xué)習(xí)、善于思考、篤于踐行的良好習(xí)慣，從而全面提升學(xué)生化學(xué)綜合素養(yǎng)。主題式教學(xué)的課堂圍繞教學(xué)主題展開，通過真實(shí)問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展多種探究活動，能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。這與新課程標(biāo)準(zhǔn)的基本理念“重視探究教學(xué)”“素養(yǎng)為本”是相契合的。為實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)，教師可以將主題作為課堂教學(xué)的靈魂，以學(xué)生的發(fā)展為目的，設(shè)計(jì)實(shí)效化的教學(xué)環(huán)節(jié)，豐富課堂教學(xué)的內(nèi)涵[13]。

主題式實(shí)驗(yàn)探究以課標(biāo)為依據(jù)，以實(shí)驗(yàn)為載體，對教材中原有實(shí)驗(yàn)的主題再設(shè)計(jì)，能對高中化學(xué)學(xué)科進(jìn)行高效復(fù)習(xí)。把實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合理的歸類、主題式組合，既避免原實(shí)驗(yàn)的簡單重復(fù)，又將實(shí)驗(yàn)及相關(guān)知識進(jìn)一步系統(tǒng)化。通過主題式教學(xué)的探究有助于學(xué)生對知識的網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)。主題式教學(xué)的視野和意義遠(yuǎn)大于專題式教學(xué)，教師應(yīng)加以重視。

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