運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究自制暖寶寶原料最佳比

徐敏

摘要：學(xué)生在社團(tuán)課“自制暖寶寶”項(xiàng)目化實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)自制的暖寶寶開(kāi)始發(fā)熱慢、升溫也慢、熱效率低，運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制變量設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探究自制暖寶寶中鐵粉、蛭石、活性炭粉、食鹽和水五種原料發(fā)熱的最佳質(zhì)量比，以利于教師課堂演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：新課標(biāo)：項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；暖寶寶

文章編號(hào)：1008-0546（2023）10-0093-02

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.019

一、問(wèn)題和解釋

2022年義務(wù)教育化學(xué)新課程標(biāo)準(zhǔn)頒布，新課標(biāo)倡導(dǎo)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，重視跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)。[1]學(xué)生在社團(tuán)課“自制暖寶寶”項(xiàng)目化實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)自制的暖寶寶開(kāi)始發(fā)熱慢、升溫也慢、能達(dá)到的最高溫度不高、熱效率低。教師在“金屬的冶煉與利用復(fù)習(xí)”一課中也讓學(xué)生開(kāi)展分組實(shí)驗(yàn)“自制暖寶寶”，也出現(xiàn)了同樣的問(wèn)題。為更好地解決這個(gè)問(wèn)題，尋找到“自制暖寶寶”的原料最佳質(zhì)量比，教師以“暖寶寶”為關(guān)鍵詞在知網(wǎng)搜索，分析搜索結(jié)果中與制作暖寶寶有關(guān)的論文研究發(fā)現(xiàn)：

周良駿老師利用氧氣、二氧化碳和溫度傳感器探究密閉容器中暖寶寶的發(fā)熱原理是鐵與氧氣和水的原電池反應(yīng)放熱。[2]周文榮老師利用壓強(qiáng)、溫度、氧氣和濕度傳感器探究暖寶寶的發(fā)熱原理，同時(shí)利用溫度傳感器測(cè)定了5 g鐵粉與1.5 mL水、1 g氯化鈉和0.5g活性炭粉混合后的發(fā)熱效果，并與5g市售暖寶寶的發(fā)熱效果作對(duì)比。[3]蔡元啟、吳家俊、吳俞翰三位同學(xué)通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)組得出鐵粉和活性炭質(zhì)量比過(guò)大或過(guò)小都會(huì)減緩暖寶寶的反應(yīng)速率，兩者較合適的質(zhì)量比約為5：1，食鹽水濃度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使反應(yīng)速率降低，最佳濃度在10%左右。[4]劉晴老師在課堂上讓學(xué)生根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算出自制暖寶寶的原料最佳質(zhì)量比為：鐵粉占59%、水占22 %、活性炭占4%、吸水材料占0.3%、NaCI占3%、蛭石占11.5%.[5]

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、過(guò)程和結(jié)論

上述教師和學(xué)生的實(shí)驗(yàn)中基本都是運(yùn)用了對(duì)比實(shí)驗(yàn)手段，粗略測(cè)定了自制暖寶寶的原料最佳質(zhì)量比，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中試劑用量都比較大，本著綠色化學(xué)的理念和方便學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)的原則，教師重新設(shè)計(jì)了不同實(shí)驗(yàn)組（表1），并利用氧氣傳感器測(cè)定密閉體系中氧氣濃度的變化曲線，利用溫度傳感器測(cè)定溫度的變化曲線，通過(guò)氧氣濃度的變化探究鐵粉發(fā)生緩慢氧化的速率，通過(guò)溫度的變化探究自制暖寶寶的發(fā)熱效率。

實(shí)驗(yàn)中選用的自制暖寶寶的原料有：還原鐵粉、活性炭粉、食鹽、蛭石和水。實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)一采用500mL三頸燒瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖1），分別利用威尼爾氧氣傳感器和溫度傳感器測(cè)定不同原料質(zhì)量比下的氧氣濃度變化曲線（圖2）和溫度變化曲線（圖3）。

分析實(shí)驗(yàn)所得曲線，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組中第6組原料比無(wú)論在單位時(shí)間耗氧量還是在單位時(shí)間溫度升高值方面都明顯優(yōu)于其他實(shí)驗(yàn)組。實(shí)驗(yàn)13，氧氣濃度下降和溫度升高都非常緩慢。實(shí)驗(yàn)14和15組，氧氣濃度下降速率比實(shí)驗(yàn)13稍快些，實(shí)驗(yàn)14溫度略有升高，實(shí)驗(yàn)15由于多加了水，溫度反而下降。實(shí)驗(yàn)12是增加的一組實(shí)驗(yàn)，探究在第6組實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上再增加鐵粉的質(zhì)量，能否獲得更快的耗氧速率和更高的溫度值，數(shù)字化曲線顯示僅增加鐵粉的質(zhì)量并不能達(dá)到預(yù)期的升溫效果。

教師通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)分析得出自制暖寶寶的最佳原料配比為還原鐵粉3 g、活性炭粉0.5 g、食鹽1 g、蛭石1 g、水1 mL。教師按照該原料比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在600 s內(nèi)氧氣濃度可以下降到9%，溫度可以上升到42℃，低于市售暖寶寶的最高溫度60℃，且保溫效果不如市售暖寶寶（6-8小時(shí)）。市售暖寶寶的成分中含有鐵粉、水、活性炭、蛭石、吸水性樹(shù)脂和食鹽，自制暖寶寶比市售暖寶寶少了吸水性樹(shù)脂，可能是其升溫速率和保溫時(shí)長(zhǎng)不如市售暖寶寶的主要原因。

三、實(shí)驗(yàn)反思

“自制暖寶寶”是由滬教版教材上冊(cè)第5章金屬的冶煉與利用第3節(jié)金屬防護(hù)和廢金屬回收衍生出的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，由圖3密閉體系中各配比原料的溫度變化曲線可知在300 s（5 min）內(nèi)，“自制暖寶寶”的溫度可上升至40℃，對(duì)比人體溫度37℃，僅上升了3℃，升溫較不明顯，若作為教師在課堂上開(kāi)展的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，考慮到人體感知外界溫度的范圍（5℃以上才較為明顯），建議采用普通溫度計(jì)或紅外線溫度計(jì)測(cè)溫度的方式來(lái)檢驗(yàn)“自制暖寶寶”的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)成果。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部．義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[Sl.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2] 周良駿，利用傳感器探究暖寶寶的發(fā)熱原理[J]．化學(xué)教與學(xué)，2012（6）：89-90．

[3] 周文榮．利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究鐵粉型“暖寶寶”的發(fā)熱原理——兼談初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新中的信息素養(yǎng)[Jl.化學(xué)教學(xué)，2018（1）：63-68．

[4] 蔡元啟，吳家俊，吳俞翰．探究暖寶寶發(fā)熱速率的因素[J]．發(fā)明與創(chuàng)新·高中生，2021（10）：27-290.

[5] 劉晴．STEM理念下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)——以制作暖寶寶為例[J]．化學(xué)教與學(xué)，2022（4）：57-60．