主題式實驗探究

李周平 龐立霞

摘要：鋁粉是一種能量密度高、且經濟耐用的金屬粉末。鋁粉和水反應放出大量的熱，已在生產和生活中得到了廣泛應用。通過主題式實驗教學探究自煮火鍋加熱包的工作原理，讓學生在質疑、探究、生成中學習化學反應能量變化；探究相關物質在加熱包中的作用；感受人類對化學反應釋放的能量的利用。

關鍵詞：主題式教學；實驗探究；能量變化；鋁；氧化鈣；氫氧化鈉；碳酸鈉；放熱反應

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

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.022

一、問題提出

從20世紀40年代起，科學家就進行了鋁與水反應的相關研究[1]。目前，該反應已被應用于魚雷超空泡、水下推進系統以及新能源的制備等。近幾年，隨著消費水平的不斷提升和生活節奏的加快，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紅食品，大多數自發熱包是利用物質與水發生化學反應時釋放大量能量，為自煮食物加熱。發熱包是自熱食品能夠達到自熱條件物品之一，查閱相關的文獻[2]，綜合比較幾種與水反應的金屬密度、能量密度，發現鋁是最好的燃料，而且鋁既實用又便宜。對加熱包的加熱原理開展科學探究既有實用價值，又能訓練科學探究的思維方法。本文以探究自煮火鍋加熱包為載體，以現實的主題式問題誘發學生去探究思考，激發和滿足學生的認知非認知發展需求，將師生互動、協商、交流、合作、對話的教學落到了實處，培養學生的核心素養[3]。

二、探究流程

見表1。

三、探究過程：

環節一：情境導入

師：展示自加熱火鍋，并用自加熱包煮火鍋。

生：觀看討論，產生興趣。

師：你知道自熱包加熱的原理嗎？根據你的生活經驗和所學的化學知識，你認為自熱包中放的是哪些物質嗎？

生：生石灰，氫氧化鈉水溶液的反應。

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）

設計意圖：通過創設真實情境，激發生成問題，開展有效活動，引導學生在知識應用中加深對知識的理解，促進知識重構和認識轉變，力求實現從虛擬走向真實，從學科走向學生，從經驗走向科學，從教學走向教育[4]。讓學生用生活的眼光學化學，能激發學生的學習興趣，讓學生感受化學在社會發展中的重要作用。

環節二：探究CaO的作用

學生實驗：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放出的熱量。

師：通過CaO和H2O反應釋放的熱量，能否把火鍋煮沸。

生：不能，因為該過程中最高溫度為64.4℃，并且高溫持續時間短，因此不能把火鍋煮沸。

師：多媒體展示資料卡片

師：根據以上數據分析，哪一種金屬與水反應單位體積產生的能量最大。

生：單位體積的鋁與水反應放出的能量最大。

師：鋁與水反應用于水下推進劑，是超高速魚雷動力推進系統的最佳能源選擇。

設計意圖：讓學生在實驗中體會CaO和H2O反應雖然是放熱反應，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，從而推動學生的思維，激發學生的探究意識。通過多媒體展示幾種金屬與水反應的能量密度，打破了認為鋁和H2O不能反應的錯誤認識。將“情境”“活動”“問題”“知識”“認知”有效地整合，學生在既熟悉又陌生的情境中，體驗探究、反思經驗，培養深度學習能力，落實學科核心素養[6]。

環節三：探究Al粉的作用

學生實驗：在錐形瓶中加入4gAl和8mLH2O，用溫度傳感器測出反應放出的熱量。

師：鋁加到水中，為什么溫度幾乎沒有變化，這是為什么呢？

生：因為在鋁的表面有一層氧化膜，阻止了鋁與水的反應。

師：怎么除去鋁表面的氧化膜呢？

生：用鹽酸或氫氧化鈉等強酸或強堿。

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：用強堿，可用氫氧化鈉或氧化鈣與水反應的產物氫氧化鈣除去鋁表面的氧化膜。

設計意圖：讓理論和實驗發生沖突，再一次激發學生的思維和探究精神。讓學生在活動中認識探究、體驗探究、學會探究[7]。

環節四：探究NaOH的作用

學生實驗：分別取4g鋁粉和等質量的氫氧化鈉、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放出的熱量，觀察實驗現象。

生：有氫氧化鈉的錐形瓶中加入水立即產生大量的氣泡，反應劇烈，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，開始出現了緩慢反應。

師：根據實驗現象，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，引發反應；反應開始后，氫氧化鈉的作用又是除去鋁與水反應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：因為鋁與氫氧化鈉反應非常劇烈，反應難以控制；由于氫氧化鈉易潮解，且有強的腐蝕性。

師：多媒體展示資料卡片

原料價格：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？根據原料的價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反應生成NaOH，即能降低反應的速率，又能降低反應的成本。

設計意圖：通過實驗探究體會NaOH在自熱包中的作用是除去鋁表面的氧化膜，從而引發鋁與水的反應。又通過問題為什么只加入少量的NaOH？使學生進行深度思考，通過對比三種原料的價格，得到用Na2CO3和CaO制備NaOH，比直接使用NaOH更廉價，加入Na2CO3和CaO的作用是為了產生NaOH。將原教材知識內容進行主題式的情境創設，通過實驗探究、解決問題過程中的知識應用，實現對主題知識的網絡建構[8]。

環節五：探究Na2CO3的作用

學生實驗：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放出的熱量。

師：以上兩個實驗現象有何異同？你認為哪個反應更適合于自加熱包？

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

師：Na2CO3在此過程中的作用是什么？

生：Na2CO3與CaO的水溶液反應生成NaOH使反應比較緩和，能逐步產生NaOH，有效控制反應速率，可使高溫持久。

設計意圖：通過對比分析兩組實驗現象的異同，使學生在實驗探究中得到加入Na2CO3的作用。通過真實問題情境的創設，開展多種探究活動，能促進學生學習方式的轉變。這與新課程標準的基本理念“重視探究教學”“素養為本”是相契合的[9]。

環節六：歸納總結，優化方案

師：①通過以上實驗的探究，你認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？

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

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

生3：我期待沒有強腐蝕性的自熱包出現；能產生大量的熱，不產生氫氣。

生4：能夠循環利用的加熱包出現。

設計意圖：通過實驗探究培養學生“科學探究與創新意識”“科學精神與社會責任”，讓學生在實驗探究中能發現和提出有探究價值的問題，讓學生體會化學對社會發展的重大貢獻，具有可持續發展意識和綠色化學觀念，能對與化學有關的社會熱點問題做出正確的價值判斷。

四、反思

主題式教學是以某個主題為中心，是對教學主體的辯證統一和“教程”與“學程”的整合；使課堂教學從“有限封閉”向“無限開放”的轉化；是融靜態性與動態性于一體的、充分彰顯教師與學生主體性的整體性教學[10]。《普通高中化學課程標準（2017年版）》強調重視“素養為本”的教學模式，發展學生的化學學科核心素養，這無疑對當代化學教育工作者提出了新要求——選取適切教學模式進行“素養為本”的課堂教學與實踐。主題式教學是一種以“學生學習興趣”為出發點，圍繞“某一鮮明主題”進行核心知識、資源整合的教學模式，能夠為跨越學科領域的知識建構與學習提供可能，也能夠滿足學生個性化、多樣化的學習需求[11]。

化學是一門綜合性、實踐性較強的課程，必須堅持“學思結合、知行統一”的教育理念[12]。主題式教學中具有推進課程整合、提升思維能力、促進自主發展的作用。近年來，核心素養導向的高考命題凸顯真實復雜情境下的任務驅動。通過對自熱火鍋構建主題式教學模式，扎實推進化學教學改革，促進學生形成快樂學習、善于思考、篤于踐行的良好習慣，從而全面提升學生化學綜合素養。主題式教學的課堂圍繞教學主題展開，通過真實問題情境的創設，開展多種探究活動，能促進學生學習方式的轉變。這與新課程標準的基本理念“重視探究教學”“素養為本”是相契合的。為實現有效教學，教師可以將主題作為課堂教學的靈魂，以學生的發展為目的，設計實效化的教學環節，豐富課堂教學的內涵[13]。

主題式實驗探究以課標為依據，以實驗為載體，對教材中原有實驗的主題再設計，能對高中化學學科進行高效復習。把實驗進行合理的歸類、主題式組合，既避免原實驗的簡單重復，又將實驗及相關知識進一步系統化。通過主題式教學的探究有助于學生對知識的網絡建構。主題式教學的視野和意義遠大于專題式教學，教師應加以重視。

參考文獻

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