初中化學“酸、堿、鹽專題復習”的項目式教學

沈健

摘要：以探秘“自熱火鍋發熱劑”為項目學習主題，通過“產品說明中為什么要求‘遠離明火，嚴禁在密閉場所中使用”“小火鍋發熱劑可以只用生石灰嗎？”“發熱劑產品的設計與評價你有什么建議？”，三個真實問題驅動項目學習，以達到酸堿鹽專題復習目的。

關鍵詞：項目式教學;發熱劑;酸堿鹽;復習

文章編號：1008-0546（2022）08-0060-07?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.013

一、項目主題內容分析

酸堿鹽是初中化學的核心知識，也是培養學生學科核心素養的重要載體。本項目學習主題是“探秘自熱火鍋發熱劑”，在組織學生閱讀發熱劑（來至網購：京東—烘焙精靈旗艦店—食品發熱包）的產品包裝說明（見圖1）后，循序漸進地提出三個真實問題驅動項目學習：產品說明中為什么要求“遠離明火，嚴禁在密閉場所中使用”？小火鍋發熱劑可以只用生石灰嗎？發熱劑產品的設計與評價你有什么建議？

這一項目整合了“常見酸、堿、鹽、氧化物、單質的性質與用途”“氣體制備”等初中化學核心知識與技能，培養學生科學探究與創新意識，提升學生科學態度與社會責任等核心素養，在“做科學”的探究實踐中培養學生的創新精神和實踐能力[1]，發展學生的三種成功技能——批判性思維/解決問題的能力、協同協作的能力和自我管理的能力[2]，讓學生真實體驗到化學源自生活又服務于生活。

二、項目教學目標

通過分析發熱劑反應原理，復習鞏固常見酸、堿、鹽、氧化物、單質的性質，強化化學方程式書寫能力，提高學生信息素養。通過研討發熱劑反應過程中產生氣體的檢驗與體積測量方法，促使學生形成基于化學認知的安全意識。通過發熱劑成份能否只用生石灰的探秘，啟蒙對化學反應熱的認知。通過項目式教學，培養學生證據推理的科學態度、思考方法和動手能力，促進團隊協作融合，培育學生良好的社會責任感，使學生產生化學能為人類創造美好未來做出更多重要貢獻的情感認同。

三、項目任務及教學流程（見表1）

四、項目實施過程及學習成果

1.創設情景，引入項目主題

【教師】不用火，不用電，只需一杯涼水，就可得到香飄四溢、熱氣騰騰的美味，你們知道是什么嗎？（展示自熱火鍋實物）有體驗過的同學請舉下手，哪位同學能介紹一下它的使用方法？

【學生】將發熱包放在盆底，加入水，放好上面裝食物的小盆，蓋上蓋子，幾分鐘后就冒熱氣，再過段時間就可以吃了。

【教師】請閱讀發熱包說明，你能說出發熱包里的反應原理嗎？

【學生】CaO+H2O =Ca （OH）2這是放熱反應， Na2CO3還會和Ca（OH）2反應。

【教師】（新聞里的化學）據新浪微博“中國消防”稱，有人一頓自熱火鍋吃掉了7500元（人民幣）——史上最貴！故事是這樣的，德國斯圖加特的消防局內突然收到了某酒店內傳來的“火警”訊號，幾名全副武裝的消防員，立刻趕去事發地點，原來是旅客使用自熱火鍋冒出大量蒸氣觸發火警探頭。消防員確認無火災隱情后，開出了950歐元的罰單。雖然是虛驚一場，但為什么發熱劑的包裝袋上有“使用時要遠離明火，嚴禁在密閉場所中使用”的要求？你認為這種要求與現象可能與發熱劑中的什么物質有關呢？

【學生】生石灰與水反應只是放熱，并沒有產生可燃性物質，但不知是否與發熱劑成份中的“鋁”有關？

【教師】鋁有什么樣的性質可能引發燃燒現象？

【學生】鋁本身可以燃燒，鋁會和酸溶液反應產生具有可燃性的氫氣。

【教師】請同學們結合發熱包成份及使用方法討論上述兩種原因的可能性。

【學生】在發熱包使用的條件下，鋁不可能燃燒;加水后發熱劑中產生了氫氧化鈉、氫氧化鈣等堿性物質，沒有與酸溶液接觸，不會生成氫氣。

【教師】會不會是我們初中階段對鋁的認識還不全面呢？到高中我們將學習到鋁具有如下性質：2Al+2NaOH+2H2O =2NaAlO2+3X ↑。請同學們思考物質“X”的化學式是什么？

【學生】H2。

【教師】請同學們將發熱劑中的化學反應原理用化學方程式表示出來，并請一位同學到黑板板書。

2.發熱劑產生氣體的檢驗

【教師】從反應原理我們得知，有氫氣產生，氫氣有什么樣的性質？我們該如何檢驗氫氣呢？

【學生】氫氣密度比空氣小，可以吹肥皂泡。氫氣具有可燃性，燃燒生成水。

【教師】用圖2-I 檢驗H2，若觀察到燒杯壁上有水霧，可否證明是氫氣燃燒呢？

【學生】不可以，這個反應會產生大量的熱，有大量水蒸氣產生，干擾了氫氣的檢驗。

【教師】如何排除水蒸氣的干擾呢？請同學們分組設計實驗方案，實驗方案設計注意化學實驗三要素，作為實驗對象的物質體系，適當的儀器裝置和必要的安全措施，合理的實驗步驟和規范的操作技術[3]，我們將以實驗裝置圖做為該階段項目成果進行展示。

【學生展示實驗裝置】方案一、二、三實驗裝置分別對應圖2中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

【師生共同評價方案】方案一操作簡單，水蒸氣可能液化不徹底;方案二利用了生石灰與水反應的性質，但生石灰可能吸水后，氣體流通不暢，發生裝置內壓力過大使塞子被頂開;方案三中使用的濃硫酸具有強烈的腐蝕性，使用時要特別小心。

【教師】針對方案一，你有什么簡單方法證明是否排除了水蒸氣干擾？方案二、三要在實際使用中檢驗它的可行性。在點燃氣體前，我們還要注意什么？……

【教師】為什么在吹肥皂泡實驗（見圖3）中，要將氣體通入水中？

【學生】可以起到冷卻作用，最初在做時，因熾熱的水蒸氣容易使肥皂泡破裂。

【教師】產品使用說明中為什么要求“遠離明火，嚴禁在密閉場所中使用”？

【學生】原因是使用中會產生大量可燃性的氣體——氫氣，可能會導致爆炸事故發生。

【教師】氫氣點燃一定就會爆炸嗎？爆炸的條件是什么？這樣一包發熱劑可以產生多少體積氫氣呢？

3.一包發熱劑產生氫氣的體積測定

【教師】如何測定發熱劑使用過程中產生氫氣的體積呢？請同學們展示課前準備好的實驗方案。

【項目成果階段展示與評價】

學生1：將稱量好的發熱劑放入錐形瓶，加入足量的水，用排水法收集并測量生成的氫氣的體積（見圖6），再按比例推算整包發熱劑在使用時產生氣體的體積。

學生2：圖6沒有考慮到反應過程中放出大量的熱，氣體體積受溫度影響變化較大，應該要在集氣裝置之前，增加氣體冷卻裝置，見圖7。

學生3：圖8將氣體直接通入水中冷卻比圖7更充分，且還可以觀察到氣體流速及是否還有氣體產生。

學生4：圖9不僅考慮冷卻氣體，還能注意到平衡瓶內外氣壓，多個串聯的集氣瓶增大收集氣體的體積，可以相應減少實驗誤差帶來的影響。

【項目階段成果匯報】

學生1：去掉6、7兩組數據，其余數據平均值為1156.84 mL，推算可知50 g發熱劑在使用過程中產生的氫氣體積大約有23.14 L。

學生2：在測定氣體體積時要注意外界溫度與壓強的影響。

學生3：實驗中數據離差超出預想，懷疑是粉末中成份分布不均造成的，也可能和實驗環境溫度不同有關。

4.發熱劑產品的設計與評價

（1）小火鍋發熱劑可以只用生石灰嗎

【教師激疑】生石灰與水作用是放熱反應，為什么在該發熱劑中還要放鋁粒呢？小火鍋的發熱劑可以只用生石灰嗎？要解決這個問題，我們需要做哪些新的研究？

【研討實驗方案】設計對照組，測量自熱小火鍋發熱劑（50 g）在使用過程中食材鍋內水溫變化，改用50 g氧化鈣再測量一次，評估小火鍋的發熱劑能否只用生石灰。具體方案如下：取某品牌小火鍋包裝為實驗容器，其結構如圖11所示，外鍋放入發熱包（50 g），并加水至水位線（200 mL），食材鍋內加水300 mL，測量食材鍋內水溫變化（鍋蓋始終蓋著，見圖12），每分鐘讀取數據一次。然后換成50 g生石灰（荷澤天峰儀器設備有限公司200 g裝），重做一遍。測定時間范圍是0～36 min（參考正常使用自熱小火鍋時間），實驗數據見圖13。

【項目階段成果匯報】生石灰與水作用是放熱反應，但從收集數據可知，等質量的生石灰與水作用放熱較少，水的比熱很大，小火鍋的發熱劑不能全用生石灰。查閱資料得知碳酸鈉與氫氧化鈣溶液作用是吸熱反應，證明鋁與氫氧化鈉溶液作用是放熱反應，且是等質量的發熱劑比生石灰與水作用放熱更多的主要原因。

（2）使用過的發熱包及“外鍋”內液體的處置

【教師置疑】使用過的發熱包及外鍋內的液體如何處理呢？屬于哪類垃圾（可回收垃圾，有害垃圾，廚余垃圾，其他垃圾）呢？請同學們測量發熱劑使用后廢水和剩余固體的pH。

【學生】用pH試紙測量發現使用后廢水和剩余固體的pH都是13～14，呈堿性。

【教師提供資料】我國《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996）中pH 限值是6～9[4]。

【學生】發熱劑使用后的廢棄液體和固體堿性很強，不要用手直接接觸，屬于有害垃圾，不能隨意丟棄，有條件的可用酸中和后再放入有害垃圾箱，沒有條件的，至少要用袋子密封裝好后再放入有害垃圾箱。

（3）發熱劑產品的評價

【教師】你對該發熱劑的產品使用或設計有什么評價或建議呢？

【項目階段成果匯報】央視新聞曾報道，加勒萬河谷的駐守解放軍戰士，在高寒的巡邏線上吃上熱氣騰騰的小火鍋。自熱食品發熱劑源于野戰單兵食品開發，方便在特殊環境下使用，如今在懶人經濟的浪潮中也嶄露頭角。發熱包在使用中會產生大量可燃性氣體氫氣，不能在密閉的空間（如小汽車、高鐵、飛機）里使用，使用過程中要遠離明火，注意食物不能堵住出氣口，“外鍋”溫度較高，注意預防燙傷，不宜放在玻璃桌面，要放在耐熱臺面上使用。因為反應過程中產生大量的熱，所以往發熱包中加的水不能是熱水，否則加水時水可能會爆沸，濺出傷人。產品的設計要考慮對環境友好，在產品設計的源頭就要考慮使用后廢棄物的處理。比如改進發熱劑成份配比，在其使用后的廢物pH趨于7，對環境危害最小化。有的學生拆開使用過的發熱包（見圖14），發現里面還有些物質與水作用能產生氣體，懷疑中心部位的發熱劑未充分反應，提出可否改進發熱包的包裝形式，由原來方塊狀改為“甜甜圈”形、或細條狀，這樣可以促進內部成份參與反應，也能使食材鍋底部與發熱包更充分接觸，提高熱傳遞效率。

【教師】同學們在本項目結束后，可以調查還有哪些類型發熱劑產品應用于我們生活，它們的發熱原理是什么？

【學生1】有利用鐵粉氧化制成的“暖寶寶”。

【學生2】我還見到有一種熱敷袋，可以用于保健。查閱資料得知，熱敷袋內所裝的液體是醋酸鈉的過飽和水溶液，使用時僅需輕壓熱敷袋內的金屬片，形成結晶核，以引發醋酸鈉結晶（放熱過程）;再生時，僅需將已固化的熱敷袋置入熱水中直至全部晶體溶解后，取出冷卻至室溫即可再次使用。

五、項目教學實踐的反思

1.項目教學與復習課功能的交集

項目教學是以問題為導向，以項目為載體的一種教學方法，項目教學能夠使學生經歷成果導向下的綜合任務完成過程[5]，在復習課中引入項目教學，避免了“炒冷飯”的無趣，促進學生自主梳理，構建知識體系，提升學生綜合解決問題能力，使理論與實踐緊密相連。項目教學與復習課功能在內容、目標、方法三個維度上存在交集（見圖15），可在復習課教學中引入項目式教學。

2.紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行

義務教育階段化學課程中的科學探究，是學生積極主動地獲取化學知識、認識和解決化學問題的重要實踐活動[1]。項目教學是指向真實問題的科學探究，現今學生科學探究的經驗多來自習題，是紙面上的經驗，缺乏解決真實陌生問題的實踐經驗，且紙面經驗也需在實踐中檢驗。項目式教學的情景來自現實世界，在處理復雜問題的過程中不斷有“學生聲音和選擇”，項目成果對現實世界會產生真實影響，這是做多少道探究題都無法獲得的體驗。

生石灰和濃硫酸都可干燥氫氣是眾所周知的事實，可在干燥發熱劑產生氫氣時，由于發熱劑與水作用反應放熱，在某段時間內氣體壓力大、流速快，帶來的大量水蒸氣使生石灰吸水膨脹堵塞氣體通道，會使發生裝置瓶塞被頂飛，反應液濺出（見圖16），而在濃硫酸中氣體通過性好，沒有這種情況發生。這個意外事件，讓學生認識到，在干燥管內裝入的生石灰要用大粒（3～5 mm），且注意不要讓粉狀生石灰填入空隙（不能圖省事而用藥匙取生石灰，會帶入粉末，留下隱患），預留膨脹空間，確保氣體通過速率。在氣體流速較快的情況下干燥氣體盡量不使用生石灰。發熱劑與20 mL水作用，這并不是隨便的選擇，其中經歷許多嘗試與困惑。原來筆者的想法是引導學生通過化學計算來確定發熱劑的取量，領會通過化學計算理性選擇儀器規格及藥品取量的實驗策略。即以收集近1000 mL 氫氣（密度為0.09 g/L）為標準，假定發熱劑中氧化鈣、碳酸鈉、鋁三種成分恰好完全反應，則發熱劑中至少需要含有0.81 gAl、0.84 gCaO、1.59 gNa2CO3，共需發熱劑3.24 g。為預留一定容積防氣體受熱膨脹，筆者從3 g開始試做，結果收集的氣體體積遠大于1000 mL，兩個集氣瓶里的水全排光了，意味著實驗失敗。于是筆者就逐漸減少發熱劑的用量，降到1.6 g 時，終于進入1000 mL 范圍，仍能收集到752～940 mL 氣體。思其原因，上述計算是依據反應：2Al+2NaOH+2H2O =2NaAlO2+3H2↑，求出氫氧化鈉質量，再根據關系：CaO～Ca （OH）2～Na2CO3～2NaOH求出氧化鈣與碳酸鈉的質量，這種想法忽略一個問題，鋁是在堿性條件下與水反應，而不一定是和氫氧化鈉溶液反應，故上述計算的假定違背事實，三種物質的質量比不是0.81～0.84～1.59，鋁在發熱劑中的含量應更大，碳酸鈉占比相對更少，這點從往使用過后的發熱包中加入足量的稀鹽酸，僅有少量氣泡產生的現象得以佐證。故當發熱劑取量小于3.24 g 時，出現收集的氣體體積仍大于1000 mL 的實驗現象。之所以建議學生用2.5 g發熱劑，一是該量剛好能平鋪錐形瓶（500 mL）底，不易結成團塊，二是多次實驗發現收集氣體體積均在1500 mL 以內;用20 mL水可以蓋住固體粉末，利用水的比熱較大可緩解發生裝置內溫度過高，但水量不宜太多，否則反應速率偏慢。

3.角色扮演是項目實施的策略之一

在項目實施中，為培養學生協同協作的能力和自我管理的能力，筆者為項目組設置了10種角色，分別是：項目管理員、方案設計員、實驗操作員、觀察記錄員、成果推介員、文案撰寫員、信息技術員、資料保管員、儀器協調員、情報溝通員。在項目實施中，每一位同學可以選擇2～3種角色，中途允許學生根據分工和自已特點做適當調整。

4.項目實踐的過程也是勞動教育的過程

項目實踐是勞動教育在學科教學落地的實踐平臺。在測定發熱劑產生氫氣體積的實驗研究中，學生要克服實驗的重復性所帶來的枯燥和乏味，一遍遍嚴謹讀取數據，精心清洗儀器，在這種平凡的勞作中等待研究成果。有的同學，量水時一不小心把水灑了，又要重新再做一次，這時不用教師說，他們就能感到勞動成果來之不易。發熱劑反應到后期，反應速率極慢，學生看到仍有氣泡產生，不敢拆儀器讀取數據。從原來在放學時盲然等待實驗結束，到后面有經驗了，學生來上課時，把裝置組裝并加好藥品，等到放學的時候再來“收割”數據。我覺得這種勞動體驗是化學學科給孩子成長路上鋪下艱苦奮斗、細致耐心、執著求真、科學高效的人生底色。

項目式教學是學生在真實問題驅動下的沉浸式學習。項目式教學課程的研發，如何做好項目式教學的時空管理，仍是需思考與實踐的重要課題。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012：3，9.

[2]約翰·拉爾默，約翰·梅根多勒，蘇西·博思.“PBL項目學習黃金標準”[M].胡靜，張昱華，彭紅玲等譯.北京：光明日報出版社，2019：36.

[3]宋心琦.化學實驗教學改革建議之一[J].化學教學，2012（4）：3-4.

[4] 中華人民共和國國家標準.污水綜合排放標準（GB8978-1996）[S].北京：中國標準出版社.1996：277.

[5]陳穎，王磊，徐敏，尚榮榮等.高中化學項目教學案例[J].化學教育，2018，39（19）：8-14.