“化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化專題復(fù)習(xí)”項(xiàng)目式教學(xué)

王旭斌

摘要：以“暖身貼的原理探究”為實(shí)驗(yàn)主題，學(xué)生通過完成“暖身貼發(fā)熱過程中的化學(xué)原理探究”“鞏固暖身貼電化學(xué)發(fā)熱背后反應(yīng)熱量變化的本質(zhì)原因及原電池工作原理”“暖身貼升溫較快及持久保溫的原理探究”三個(gè)任務(wù)，復(fù)習(xí)鞏固了“化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化”專題的相關(guān)內(nèi)容，同時(shí)也鍛煉了真實(shí)問題的解決能力，體現(xiàn)素養(yǎng)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式教學(xué);暖身貼;化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化;教學(xué)案例

文章編號(hào)：1008-0546（2021）04-0073-05 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.019

一、項(xiàng)目主題內(nèi)容分析

探索有效的教學(xué)模式來提升教學(xué)質(zhì)量，一直以來是教師教學(xué)努力的方向。目前項(xiàng)目式教學(xué)模式在我國(guó)不斷被推廣，是由于項(xiàng)目式教學(xué)能夠使學(xué)生經(jīng)歷成果導(dǎo)向下的綜合任務(wù)完成過程，形成真實(shí)情境下的復(fù)雜問題解決思路，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用及遷移創(chuàng)新能力有著獨(dú)特的功能和價(jià)值[1]。因此，利用高中化學(xué)學(xué)科知識(shí)來解決真實(shí)情境問題的項(xiàng)目式教學(xué)，應(yīng)該是提升復(fù)習(xí)課效率和學(xué)科素養(yǎng)的有效途徑。

“暖身貼的原理探究”是基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)理論設(shè)計(jì)和實(shí)施的蘇教版高中《化學(xué)1》必修課程復(fù)習(xí)課教學(xué)案例，相比以往傳統(tǒng)的知識(shí)梳理、習(xí)題鞏固的復(fù)習(xí)方法不同，本案例讓學(xué)生以“暖身貼發(fā)熱原理”為研究主題，開展以“化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化”專題的相關(guān)重要知識(shí)為依托的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究、交流討論與評(píng)價(jià)的小組合作活動(dòng)，綜合考查了化學(xué)學(xué)科知識(shí)應(yīng)用能力及化學(xué)學(xué)科方法的實(shí)踐能力?！芭碣N的原理探究”活動(dòng)呈現(xiàn)的與“化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化”專題[2]相關(guān)內(nèi)容的聯(lián)系，如圖1。

日常生活中被人們廣泛使用的保暖產(chǎn)品“暖身貼”，其成分中除了蛭石、吸水性樹脂外，鐵粉、水、活性炭、食鹽都是學(xué)生非常熟悉的化學(xué)物質(zhì)，其快速發(fā)熱的原理及持久保溫的特性能很好地激發(fā)學(xué)生興趣。圍繞“暖身貼”的成分功能，使用方法，快速發(fā)熱及保溫持久等方面開展研究，既可以幫助學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固“化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化”專題中“化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”“化學(xué)反應(yīng)中的熱量變化”“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”等相關(guān)知識(shí)，又可以提升學(xué)生利用學(xué)科知識(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究來解決生活實(shí)際問題的能力，形成學(xué)科知識(shí)及學(xué)科方法解決真實(shí)問題的思維方式，達(dá)成復(fù)習(xí)課素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)。因此，將項(xiàng)目學(xué)習(xí)主題確定為“暖身貼的原理探究”，學(xué)習(xí)成果確定為“化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化”專題中相關(guān)知識(shí)鞏固與應(yīng)用。

二、項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

1.通過對(duì)“暖身貼”發(fā)熱原理的探究，認(rèn)識(shí)其持久保溫的原理，鞏固化學(xué)反應(yīng)過程中熱量變化的本質(zhì)原因，原電池工作原理模型及化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素。

2.通過對(duì)“暖身貼”發(fā)熱原理的探究，形成較強(qiáng)的問題意識(shí)（表1中的任務(wù)1和3），通過交流與討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，操作實(shí)驗(yàn)過程，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分享實(shí)驗(yàn)成果等形式來提升學(xué)生的科學(xué)探究能力和信息素養(yǎng)（傳感器的應(yīng)用）。

3.通過經(jīng)歷真實(shí)問題解決過程，幫助學(xué)生形成問題解決的思路方法，認(rèn)識(shí)化學(xué)學(xué)科知識(shí)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用價(jià)值，從而發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平。

三、項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程

項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)應(yīng)該聚焦項(xiàng)目學(xué)習(xí)中關(guān)鍵問題的解決來考慮，即活動(dòng)內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)學(xué)科思想方法的應(yīng)用，活動(dòng)組織順序應(yīng)遵循項(xiàng)目成果達(dá)成或關(guān)鍵問題解決的邏輯順序[3]。依照上述活動(dòng)設(shè)計(jì)思路和教學(xué)目標(biāo)，制定以下項(xiàng)目任務(wù)及教學(xué)流程，如表1所示。

四、項(xiàng)目實(shí)施過程及學(xué)生學(xué)習(xí)成果

1.探究“暖身貼”發(fā)熱過程中的化學(xué)原理

【問題驅(qū)動(dòng)】“暖身貼”是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷谋Ｅa(chǎn)品，而且簡(jiǎn)單實(shí)用，同學(xué)們知道它的發(fā)熱原理嗎？

【布置任務(wù)】請(qǐng)同學(xué)們以小組為單位仔細(xì)閱讀提供給大家的“暖身貼”產(chǎn)品說明書，說說其中的成分組成、使用方法，并交流討論各種成分在其發(fā)熱過程中可能發(fā)揮的作用后進(jìn)行反饋。

【學(xué)生活動(dòng)】6人一小組的形式展開討論，收集組員觀點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一匯報(bào)與交流。

【學(xué)生觀點(diǎn)】產(chǎn)品組成為鐵粉、活性炭、水、食鹽、蛭石、吸水性樹脂，使用方法很簡(jiǎn)單，打開包裝袋就會(huì)發(fā)熱，貼到需要保暖的部位即可，但要注意使用安全。至于發(fā)熱的原因，應(yīng)該是里面的鐵粉、活性炭、水、食鹽之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)放熱所致，但蛭石與吸水性樹脂的作用不明確。

【學(xué)生補(bǔ)充觀點(diǎn)1】包裝未打開前不發(fā)熱，開打包裝才能發(fā)熱，說明空氣中的氧氣也應(yīng)該是發(fā)熱的必須條件，因此，一定是發(fā)生了復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)。

【學(xué)生補(bǔ)充觀點(diǎn)2】我們組有同學(xué)曾經(jīng)打開過“暖身貼”內(nèi)包裝，里面是黑色的混合物，基于前面兩組同學(xué)的觀點(diǎn)，我們思考成分中鐵粉、水、食鹽、活性炭以及氧氣還形成了原電池，也就是可能還有鐵的電化學(xué)腐蝕存在。

【教師總結(jié)評(píng)價(jià)，布置新任務(wù)】同學(xué)們結(jié)合已有的知識(shí)，判斷“暖身貼”發(fā)熱，是因?yàn)樗幤烦煞峙c空氣中的氧氣發(fā)生了復(fù)雜氧化還原反應(yīng)，而且還可能形成了原電池，是電化學(xué)放熱反應(yīng)的過程，同學(xué)們的觀點(diǎn)值得鼓勵(lì)，這是將化學(xué)知識(shí)用于解決真實(shí)問題的行為表現(xiàn)。那么該如何證明發(fā)生氧化還原反應(yīng)而放熱呢？并且還可能形成了原電池？請(qǐng)同學(xué)們進(jìn)行交流與討論，再結(jié)合老師提供的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并驗(yàn)證大家的預(yù)判。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生分成A、B兩大組，A組中的各小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究“暖身貼”發(fā)熱過程中溫度的變化情況以及氧氣濃度的變化情況，①溫度探究：接通溫度傳感器，置于一廣口瓶中，往瓶中加入適量的“暖身貼”藥品（適時(shí)攪拌），記錄數(shù)據(jù);②氧氣濃度探究：接通氧氣傳感器，往廣口瓶中加入適量藥品后，立即塞上帶氧氣傳感器的膠塞（密閉體系下監(jiān)測(cè)氧氣消耗情況），記錄數(shù)據(jù)。B組中各小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究鐵棒、碳棒、氯化鈉溶液能否形成原電池：將適量的飽和氯化鈉溶液置于電解槽中，鐵棒、碳棒插入電解液中，與電壓、電流傳感器連接（形成閉合回路），觀察是否有電流與電壓產(chǎn)生（定性為主）。代表性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)裝置如圖2（選擇了小組中合理的設(shè)計(jì)），活動(dòng)完成后，相互分享、交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

【學(xué)生匯報(bào)結(jié)果】A組代表：從實(shí)驗(yàn)探究可知，①“暖身貼”發(fā)熱過程中溫度上升較快，如圖3（數(shù)據(jù)突躍情況為攪拌藥品過程中增大氧氣與鐵粉的接觸面積所致），反應(yīng)10分鐘后，藥品與空氣接觸邊緣還有棕黃色產(chǎn)物（Fe3+）。②瓶?jī)?nèi)氧氣濃度明顯下降，說明發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，如圖4。B組代表：從實(shí)驗(yàn)探究可知，鐵棒、碳棒、食鹽水的閉合回路可以產(chǎn)生電流（電流不是很穩(wěn)定，數(shù)據(jù)突躍為改變電極間距離所致）、電

【教師總結(jié)評(píng)價(jià)】通過分組實(shí)驗(yàn)探究，同學(xué)們驗(yàn)證了“暖身貼”因鐵粉、水、氧氣之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)而放熱，且屬于構(gòu)成原電池的電化學(xué)放熱過程，同時(shí)，大家在實(shí)驗(yàn)中還體驗(yàn)了傳感器在化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中的創(chuàng)新性和優(yōu)勢(shì)（直觀，定量）。通過活動(dòng)研究，希望同學(xué)們認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)探究才是支撐理論分析的重要手段，更要明白創(chuàng)新技術(shù)給科學(xué)研究帶來的便利。

2.鞏固“暖身貼”電化學(xué)發(fā)熱背后反應(yīng)熱量變化的本質(zhì)原因及原電池工作原理

【布置任務(wù)】①請(qǐng)同學(xué)們從化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)角度說說“暖身貼”的發(fā)熱原理，并畫出能量與反應(yīng)歷程關(guān)系圖;②請(qǐng)同學(xué)們以“暖身貼”中形成的原電池為模型，說說原電池的工作原理及形成條件，并畫出工作原理模型圖。

【學(xué)生匯報(bào)總結(jié)】①由于“暖身貼”發(fā)熱的主要反應(yīng)為：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2，從化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)看，打破2mol Fe，1mol O2，2mol H2O中的化學(xué)鍵吸收的總能量小于形成2mol Fe（OH）2中化學(xué)鍵所放出的總能量，反應(yīng)放熱。如圖7。②從實(shí)驗(yàn)中鐵棒、碳棒、食鹽水形成的原電池可知，一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)（2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2）是構(gòu)成原電池的核心條件，活潑性不同的電極、閉合回路、電解質(zhì)溶液（不一定參與反應(yīng)）也是基本條件;工作原理：外電路負(fù)極物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)（Fe-2e-=Fe2+），失電子經(jīng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到正極，正極物質(zhì)得電子發(fā)生還原反應(yīng)（O2+2H2O+4e-=4OH-），內(nèi)電路電解質(zhì)溶液中的離子為了平衡因電子得失導(dǎo)致兩極附近溶液電荷不平衡而發(fā)生定向移動(dòng)，從而形成閉合回路，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化，如圖8。

【教師總結(jié)評(píng)價(jià)】利用建構(gòu)模型，同學(xué)們很好地鞏固了反應(yīng)放熱的本質(zhì)及原電池的工作原理，希望同學(xué)們能根據(jù)認(rèn)知的模型繼續(xù)去解釋新的問題。

3.暖身貼升溫較快和保溫持久的原理探究

【布置任務(wù)】產(chǎn)品說明上表明“暖身貼”10min可上升到4O℃以上（活動(dòng)探究中也已證明），且指出保溫時(shí)間至少有10h。請(qǐng)大家結(jié)合“蛭石”和“吸水性樹脂”的功能介紹，如圖9所示，再結(jié)合影響反應(yīng)速率的相關(guān)知識(shí)，分組討論升溫快且保溫持久的可能原因。

【學(xué)生觀點(diǎn)】從鐵的電化學(xué)腐蝕以及產(chǎn)物的顏色可知“暖身貼”溫度上升較快應(yīng)該還有一個(gè)原因，即4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3也是放熱反應(yīng)。

【學(xué)生補(bǔ)充觀點(diǎn)1】反應(yīng)過程中形成了原電池可以加快反應(yīng)放熱，且放出的熱量被蛭石及時(shí)“鎖住”，不僅保溫持久，而且也會(huì)使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的環(huán)境溫度升高，加快反應(yīng)速率，促進(jìn)熱量放出。

【學(xué)生補(bǔ)充觀點(diǎn)2】產(chǎn)品成分中鐵以細(xì)小的鐵粉形式參與反應(yīng)，增大了接觸面積，也可加快反應(yīng)速率。

【教師總結(jié)評(píng)價(jià)，布置新任務(wù)】同學(xué)們結(jié)合所學(xué)反應(yīng)速率的相關(guān)知識(shí)，將“暖身貼”發(fā)熱過程中升溫快的原因分析得很到位，其實(shí)通過卡片資料，我們可以了解到“蛭石”以及“吸水性樹脂”的關(guān)鍵用途：吸水性樹脂吸水后混合在產(chǎn)品成分中，起到反應(yīng)發(fā)生所需水分的補(bǔ)給作用，而蛭石的保溫性能不僅讓產(chǎn)品本身的保溫時(shí)間延長(zhǎng)，而且“鎖住”的熱量可以促進(jìn)水變成水蒸氣和升高反應(yīng)環(huán)境的溫度，兩種條件的改變都可加快反應(yīng)的速率，促進(jìn)升溫。所以說，整個(gè)發(fā)熱過程相輔相成，可見小小的“暖身貼”產(chǎn)品，設(shè)計(jì)過程充滿了科學(xué)與智慧。接下來，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)老師提供的實(shí)驗(yàn)材料及儀器，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案，證明原電池的形成確實(shí)可以加快反應(yīng)速率，并分享你們的設(shè)計(jì)方案。

【學(xué)生活動(dòng)】學(xué)生分組討論設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合自己的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，交流分享實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果。

【學(xué)生匯報(bào)結(jié)果】第I小組：取相同兩鐵片，其中一塊用導(dǎo)線與碳棒連接，一起投入稀硫酸中，一段時(shí)間后稱量剩余鐵片的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)與碳棒連接的鐵片質(zhì)量更小，說明形成原電池可以加快反應(yīng);第二小組：取相同兩鎂片，其中一片接上銅導(dǎo)線，一起投入稀硫酸中，發(fā)現(xiàn)接有銅導(dǎo)線的鎂片很快消失了，說明形成原電池可以加快反應(yīng);第三組：取相同兩鐵片，其中一鐵片用導(dǎo)線與碳棒連接，分別投入設(shè)有相對(duì)壓強(qiáng)傳感器兩試管中，再同時(shí)加等量稀硫酸，觀察壓強(qiáng)變化，發(fā)現(xiàn)形成原電池的試管中壓強(qiáng)明顯更大;第四組……

【教師總結(jié)評(píng)價(jià)】通過實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們都驗(yàn)證了原電池的形成可以加快反應(yīng)速率，其實(shí)大家還可以相互比較誰的方法更簡(jiǎn)單、更科學(xué)、更創(chuàng)新。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)探究是解決科學(xué)問題最有效的途徑，而創(chuàng)新意識(shí)更是科學(xué)發(fā)展的助推器，希望同學(xué)們永遠(yuǎn)保持嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)和創(chuàng)新的態(tài)度。

五、項(xiàng)目教學(xué)反思

項(xiàng)目式教學(xué)對(duì)教師及教學(xué)條件都提出了更高的要求，對(duì)一個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)需要教師投入較多的精力與時(shí)間，項(xiàng)目的成功開展必須要有學(xué)校的教學(xué)條件支撐，如本項(xiàng)目活動(dòng)中，傳感器的應(yīng)用是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教學(xué)方式，可是學(xué)校很難完全滿足學(xué)生開展小組實(shí)驗(yàn)的要求，從而就失去了一個(gè)提高信息素養(yǎng)的機(jī)會(huì)。當(dāng)然，本項(xiàng)目在復(fù)習(xí)課中的實(shí)施，切實(shí)的激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，活動(dòng)過程中學(xué)生的表現(xiàn)，真實(shí)反映了學(xué)生解決問題過程中的學(xué)科核心能力及不足之處，可幫助教師做出精準(zhǔn)評(píng)價(jià)從而來提升后期的教學(xué)效率。

文獻(xiàn)摘要

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