在實際問題的解決中促進學生思維能力發展

張瑋 張軍

摘要：化學是與人類命運息息相關，推動著人類發展的自然科學。通過化學學科視角，人類可以對自然界的事物以及事物之間關系更為深入地把握。在此基礎上，人類合理地利用自然，推動社會進步。“新課標”要求教師在教學中設計以發展化學學科核心素養為主旨，立足于學生適應現代生活和未來發展的需要的課程。本教學設計中，以探析暖寶寶的組成成分和發熱原理為契機，讓學生利用化學學科知識和思維方法去認識身邊的事物，由此加強學生對化學知識和原理的掌握，促進化學思維。

關鍵詞：復習課;證據推理;社會責任;化學魅力

文章編號：1008-0546（2019）04-0039-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.012

一、設計背景

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）指出在化學學科的教學中，不僅僅是停留在傳授知識的層面，而更上升到教育的功能上，要求教師開設多樣化的課程傳授知識，同時能提升學生的核心素養，使學生形成正確的價值理念，形成能適應社會的必備品格和關鍵能力[1]。

人教版《化學反應原理》包括反應速率、反應方向及限度、熱力學、電化學等化學原理，這些看似獨立的化學原理，在實際使用中卻可能同時作用。鑒于此，在《化學反應原理》內容全部結束后的復習課中，設計了“工程師如何改變暖寶寶中的化學反應速率”的教學。

查閱文獻發現，有許多老師設計了以“暖寶寶”為情境的教學案例，如江蘇南京顧曄老師的《“暖寶寶使用前后主要成分的探究”的教學實錄》[2]、江蘇泰興熊宗齊，徐泓老師的《“暖寶寶”反應原理和產物組成的探究》[3]、江蘇南京周良駿老師的《利用傳感器探究暖寶寶的發熱原理》[4]等，這些教學設計的重點內容在于對“暖寶寶”組成成分的分析和原電池原理的探究。本教學設計在借鑒已有研究的基礎之上，結合原電池原理，化學反應速率等原理進行綜合考慮，將教學納入一個更真實、更多元的教學情景中，在更廣泛的視野下發展學生的化學學科素養，體現學科思維能力。

二、教學過程

環節一：成分鑒別，用化學方法認識物質

[引入]多媒體展示常見的自發熱產品：暖寶寶、自熱米飯、自發熱艾灸隨身熱敷貼。并且給每個學習小組分發一片暖寶寶，引導打開包裝袋，感受暖寶寶的溫度。

[教師]提示學生閱讀產品說明書，并讓學生設計相應的實驗方案來驗證其中的Fe、NaCl、C這些成分。學生經過實驗和總結，得方案如下：

（1）鐵粉驗證：用磁鐵吸引混合物，分離出部分“鐵粉”，然后將鐵粉加入到一定濃度的鹽酸中，觀察現象，取試管中上層清液或者過濾后取濾液，加入KSCN溶液、H2O2。

（2）NaCl驗證：取適量混合物溶解于水中，過濾待用。

Na+驗證：焰色反應。

CI-檢驗：取上述濾液適量，加入HNO3酸化的AgNO3溶液觀察現象。

環節二：聯想發散，探究發熱原理

[教師]暖寶寶能發熱，必然發生了放熱的化學反應，請問大家參與反應的物質可能是什么？

[學生1]可能有O2，因為說明書中明確指出本產品開袋即發熱，由此推測O2參與了該放熱反應。

[學生2]可能是碳粉，因為C和O2反應是放熱反應。

[學生3]應該不會是碳粉，C在常溫下是非常穩定的，但暖寶寶在打開袋子后就能發熱，C不具備反應的條件。

[學生4]感覺是鐵粉參加反應，因為有O2，成分中有H2O，具備鐵生銹的條件，但是鐵生銹也沒有這么快啊？

[學生5]可能是NaCl，不然NaCl在里面有什么作用？

反思：從學生的回答說明學生具備一定的證據推理能力，但學生將所學知識應用到新的情景，解決新問題時所體現出的素質和能力有所欠缺，對新情境的感知和處理能力、舊知識與新情境的鏈接能力有待提高，即學生的遷移能力不夠強[5]。所以教學中一方面要加強學生對知識熟練程度，另外教師在教學中要注重學生遷移能力的培養，有意識地引入一些將知識融入新情景中的教學主題。

[教師]展示已經使用后的暖寶寶固體混合物，觀察顏色，略有紅褐色物質出現，并用磁鐵再次吸引，吸引的混合物量減少，證明Fe參加反應。有這些證據后，同學們能想到暖寶寶里面發生的什么反應嗎？

[學生6]暖寶寶里面發生的反應應該就是鐵生銹？

[教師]根據各種證據推理，暖寶寶里面發生的反應就是鐵生銹，鐵生銹的反應可以簡化為：4Fe（s）+3O2（g）->2Fe2O3（s），該反應的△H=-3296.8kJ/mol<0，所以鐵生銹是一個放熱反應。

[提問]此反應能直接利用其熱量嗎？如果要利用熱量怎么辦？

[學生]鐵生銹反應比較緩慢，放出的熱量很快就散失，所以起不到保暖的作用，因此必須想辦法加快該反應的反應速率，使該反應的熱量更迅速地釋放出來。[教師提問]暖寶寶是如何加快了鐵生銹的化學反應速率呢？

[學生討論]加快鐵生銹的方法。

[教師引導]回顧一下鐵生銹的種類，多媒體展示鐵析氫腐蝕、吸氧腐蝕的條件。暖寶寶中的Fe、H2O、NaClC創造了鐵的吸氧腐蝕的條件，形成原電池從而加快了該反應的化學反應速率。暖寶寶中鐵的吸氧腐蝕過程可簡化為：

負極：Fe-2e-→Fe2+

正極：O2+2H2O+4e-→4OH-

總反應：2Fe+O2+2H2O→2Fe（OH）2 （1）

4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3 （2）

2Fe（OH）3→Fe2O3+3H2O （3）

環節三：深入探析，探究化學反應速率影響因素

[教師引導]請大家再次閱讀使用說明，注意使用注意事項（1）不能在洗浴后立即使用暖寶寶;（2）不能和電熱毯等加熱產品同時使用，不能在睡覺時使用。請思考為什么？

[實驗展示]隨意取一包學生的暖寶寶用溫度計測量溫度，然后將暖寶寶貼在裝有75C熱水的燒杯壁3分鐘，模擬家用取暖設備，取下暖寶寶3分鐘后測量溫度。

[教師提問]通過實驗大家知道為什么不能和電熱毯等加熱產品同時使用，也不能在蓋棉被時使用了嗎？

[學生總結]加熱使化學反應速率加快，單位時間內放出更多的熱。

[教師]室溫（15℃）下，正常使用暖寶寶，溫度在38℃左右，但是加熱后，反應速率加快，放出大量的熱，同時棉被隔熱能力好，暖寶寶產生的熱不能及時散發，也相當于對暖寶寶加熱。所以使用暖寶寶請遵循使用注意事項。

[多媒體展示]因為產品在使用前不能發生反應，所以袋子材質要很特別，由原料層、明膠層和無紡布袋組成。無紡布袋是采用微孔透氣膜制作的，它還得有一個常規不透氣的外袋——明膠層。在使用時，去掉外袋，讓內袋（無紡布袋）暴露在空氣里，空氣中的氧氣通過透氣膜進入里面。

[教師]可以看出來工程師通過不透氣的外袋隔離O2來控制反應的啟停。如果加大O2的濃度會怎樣？如何加大O2濃度？

[實驗展示]

結論：將暖寶寶成分和空氣直接接觸以及將氧氣通過暖寶寶成分中都是加大了O2的濃度，溫度升高，說明反應的速率加快，所以單位時間內放出更多的熱量，因此工程師選擇了合適的具有微孔透氣膜制作的無紡布袋來控制O2的濃度，從而控制化學反應速率的快慢。

[實驗展示]取暖寶寶，然后在表面加適量水，模擬洗浴后直接使用暖寶寶

分析：本實驗并沒有得到想要的結果，溫度變化和正常使用并無區別，嘗試用加濕機制蒸氣的方式加水、直接將暖寶寶放入水中都沒有明顯的變化，可能原因在于控制O2流通速度的無紡布袋能有效阻止水的進入，有待繼續研究。使用說明告誡洗浴后不能馬上使用，可能原因是洗浴后體溫較高的原因，或者水在蒸發的過程中會緩慢進入而加快反應的速率。

環節四：回歸現實，關注社會生產，培養社會責任

[教師]化學理論、原理來源于生產，反過來又在促進生產中發揮巨大作用，從近代化學工業發展來看，沒有扎實的化學理論基礎研究，就不可能有先進的化學工業，氨的合成便是化學與生產相結合的一個典型例子[5]，可以說在現代生活中，化學理論、原理為社會經濟的發展打下了堅實基礎。

據統計，暖寶寶全球每年消耗量達十億片，它是化學服務生活的典型例子，至此我需要告訴大家一個真相，“暖寶寶”是日本一家企業經國家工商行政管理總局商標局核準注冊的注冊商標，并不是冬季取暖片產品的通用名稱，其他廠家生產的類似產品不能叫“暖寶寶”，為了避免侵權只能叫“取暖包”、“暖貼”、“熱力貼”“暖寶寶貼”等[6]。其實“暖寶寶們”原理很簡單，中國也能生產品質優良的發熱產品，但是日本卻將實際的化學原理運用于生活，并服務于生活，這是我們需要學習的地方。

三、設計反思

清華大學資深教授錢穎一曾經說到：“我們對教育的重視，主要體現在對教育價值的認知是知識獲取（學生角度）和知識傳授（教師角度）。目前的教育是一個以知識為中心的教育，學生的職責是學習知識，而教師的職責是傳授知識”。顯然傳統的只重視“知識”本身的教育不太適合時代的發展，所以“新課標”提出，化學課程必須以發展化學學科核心素養為主旨，立足于學生適應現代生活和未來發展的需要，充分發揮其整體育人功能。

教師如何達到“新課標”的教學要求，如何讓化學學科核心素養落地？那就是在教學中設計滿足學生多元發展需求的高中化學課程，選擇體現基礎性和時代性的化學課程內容[7]。一般復習課的基本要求是記憶、理解、應用（會做題）相關知識，但按照布魯姆知識體系來看，記憶、理解、應用還只是初級認知[8]，也僅僅是皮亞杰“圖式”理論中簡單的“同化”而沒有向認知的更深層次發展[9]。本課程設計中，以學生生活現象為教學素材，綜合地運用了物質檢驗，化學反應中的能量變化，原電池原理和化學反應速率影響因素等化學原理，學生在運用這些原理解決問題過程中，不但促進了對原理本身的認識，更促進了學生分析問題，解決問題等重要的思維能力，促進了學生的認知發展。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：3

[2]顧曄.“暖寶寶使用前后主要成分的探究”的教學實錄[J].化學教育，2012（12）：73-75

[3]熊宗齊，徐泓。“暖寶寶”反應原理和產物組成的探究[J].化學教與學，2013（3）：25-26

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

[5]薛彬.生物教學中訓練學生知識遷移能力方法的研究[D].天津：天津師范大學，2012（9）：1-2

[6]唐敖慶，盧嘉錫，徐光憲.化學哲學基礎[M].北京：科學出版社，1986：67

[7]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：2

[8]王先鋒.對核心素養視城下高中化學POEC教學策略的新認知[J].中學化學教學參考，2018（9）：7

[9]程昭.學生氧化還原反應概念的認知發展研究[D].武漢：華中科技大學，2014：5-7