利用數字化實驗探究鐵粉型“暖寶寶”的發熱原理

周文榮

摘要：以數字化實驗探究鐵粉型“暖寶寶”發熱原理為載體，從樹立信息觀念、運用信息工具、提升信息能力、輻射信息成果四個維度，分析初中化學實驗創新中的信息意識、信息觀念、工具運用、信息獲取、信息分析、信息創造、信息再加工及信息輻射等信息素養的發展與提升，旨在促進化學教師養成自主探究、綜合分析信息的意識和習慣，提升傳遞、發展、創新信息的能力。

關鍵詞：實驗創新；信息素養；數字化實驗；鐵粉型“暖寶寶”；實驗探究

文章編號：1005-6629（2018）1-0063-06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

實驗創新是培養創新人才、發展核心素養的重要組成部分，傳統實驗創新主要集中于實驗內容的挖掘、實驗裝置的整合與改進、實驗試劑的選擇及實驗形式的完善。隨著科學技術的不斷發展，數字化實驗技術逐漸應用于實驗，讓化學實驗從傳統走向現代，為實驗的設計拓展了創新的視角。《教育部關于推進教師教育信息化建設的意見》明確提出：“信息化已經引起中小學的教育思想、觀念、內容、方法等方面發生深刻變革，要實現信息技術在中小學逐步普及和應用，建設一支數量足夠、質量合格的具有較高信息素養的中小學師資隊伍是關鍵。”如何讓現代技術服務于化學實驗創新，是化學教師面對的新挑戰。在互聯網+時代，需要化學教師對化學學科課程與現代技術進行有效整合，提升自身的信息素養。

1974年，美國信息產業協會主席保羅·車可斯基把信息素養定義為“利用大量的信息工具及主要信息源使問題得到解答的技術和技能”。我國學者認為：信息素養不僅包括利用信息工具和信息資源的能力，還包括識別獲取選擇信息、加工處理傳遞信息并將信息用于實際問題的解決和進行創新性思維的綜合的信息能力。基于數字化實驗設計，把化學信息素養界定為在化學學習活動中運用數字技術對化學信息的獲取、分析、加工、創新和應用的素養，包括信息觀念、信息工具、信息能力和信息應用。筆者以利用數字化實驗探究“暖寶寶”（文中實驗所用“暖寶寶”均為鐵粉型）發熱原理為例，分析初中化學實驗創新中的信息素養。

1樹立信息觀念

信息觀念是積極、辯證地對待信息的素養，包括信息意識和信息態度。

1.1信息意識

信息意識指對教與學過程中信息價值的感知、收集信息的意識及運用信息技術解決問題的欲望。

良好的信息意識是科學探究的開始。初中化學學習“鐵發生銹蝕的主要因素”時，經常有教師以“暖寶寶”為例給學生介紹鐵銹蝕的積極作用。對這個信息的感知是什么，是輕描淡寫一帶而過，還是深度探究，這就是信息意識問題。“暖寶寶”的發熱原理和鐵的銹蝕本質是否一致？“暖寶寶”在發熱過程中氧氣的濃度、濕度變化是否和預期的一致？教師要能夠收集這些質疑的信息，并有解決問題的欲望。

1.2信息態度

信息態度是理解和對待信息的素養，是辨別和評價信息，抵制不良信息，優選良好信息的積極的態度。

一線教師利用滬教版（教育部2012年審定）教材第5頁的裝置圖（如圖1）進行了實驗，在錐形瓶中放人拆開包裝的“暖寶寶”，一段時間后發現紅墨水在導管內上升了一段距離。因為看到這個現象時間較長，一些教師用針筒代替錐形瓶，用口徑較小的輸液管代替玻璃導管設計了如圖2所示裝置，很快就看到輸液管中倒流人紅墨水。

這些實驗是否證明了“暖寶寶”的發熱原理和鐵的銹蝕本質一致呢？對于這些信息我們怎樣理解和對待，這就是信息態度問題。紅墨水倒流只能說明密閉容器內壓強減小，還不能明確證明氧氣、水等物質的變化情況，還需要進一步設計實驗進行深入研究，從而獲得更多更準確的信息。

2運用信息工具

信息工具是指收集、分析、加工信息并解決實際問題的載體。化學信息工具常見的有化學文獻、化學工具書、計算機及網絡工具、多媒體工具等。要熟練使用信息工具，就需要我們掌握各種媒體（圖片、動畫、聲音、視頻）知識，會使用常見的化學軟件，知道計算機的基本原理和運用，會使用上網軟件，會利用網絡搜索引擎檢索所需信息，會下載網絡資源等。利用數字化實驗探究“暖寶寶”，主要用到化學文獻、網絡檢索、數字化實驗等工具。

2.1運用化學文獻、網絡檢索工具

通過網絡檢索，初步收集關于某品牌“暖寶寶”的基本信息如下：

通過查閱化學文獻，收集初中學生對“暖寶寶”中不熟悉的物質的資料如下：

2.2運用數字化實驗

數字化實驗主要由傳感器、數據采集器、計算機及相關應用軟件構成。探究“暖寶寶”用到的氣體壓強傳感器、氧氣濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器分別用于檢測密閉體系內的氣壓，氧氣濃度、溫度、濕度的變化，并以數字、曲線等多種形式形象地顯示出來。

運用數字化實驗，可以將反應的過程從數據和視覺上呈現出來。例如，對于圖1、圖2實驗，利用數字化實驗可以設計如圖5所示實驗進行初步驗證。主要用到的儀器和藥品分別是具支錐形瓶、導管、橡皮塞、氣壓傳感器、數據采集器、電腦、“暖寶寶”。

實驗過程中，可以看到壓強從102kPa左右下降到85kPa左右的量化的動態過程，結果如圖6所示。數字化實驗的運用實現了數據記錄的連續性，減少了基礎的統計、處理和分析，擺脫了繁瑣的計算過程，避免了傳統實驗儀器由于估讀時人為引進的各種測量誤差。

3提升信息能力

信息能力指準確地運用信息工具收集信息、分析加工信息、應用創新信息并解決實際問題的能力。

3.1信息獲取能力

信息獲取能力指根據需要有目的地去主動收集、發現信息的能力。鐵的銹蝕條件需要氧氣和水，那么“暖寶寶”在發熱過程中氧氣的濃度、濕度變化是否和預期的一致？可以設計如下數字化實驗來獲取信息。

（1）實驗儀器和藥品。三頸燒瓶及配套橡皮塞、鐵架臺、溫度傳感器、氧氣濃度傳感器、濕度傳感器、數據采集器、電腦、“暖寶寶”endprint

（2）實驗裝置（見圖7）。

（3）操作要點。按圖7連接裝置，設置采集頻率、采集時間。將拆除包裝的暖寶寶放人三頸燒瓶，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化。

（4）實驗結果（見圖8）。

3.2信息分析能力

信息分析能力是指對獲取的信息與預期假設進行對比分析、篩選甄別的能力。一方面要篩選有用合理的信息驗證假設，另一方面要對與預期不符的信息進行分析，探尋原因，形成合理的解釋。

從圖8實驗結果可以看出溫度隨著時間的變化逐漸升高，氧氣的濃度隨著時間的變化逐漸減少，這兩者說明“暖寶寶”在放熱過程中需要消耗氧氣，與預期的假設一致。而濕度卻隨著時間的變化逐漸增大，與鐵銹蝕需要水產生了認知沖突。通過對前面文獻檢索獲得的資料進行分析，“暖寶寶”中的吸水樹脂吸收了自身重量幾百倍至千倍的水分，在放熱過程中釋放出水提供給反應進行，從而導致容器內濕度的增大。

3.3信息創造能力

信息創造能力是指在收集、分析信息的基礎上，進一步綜合、拓展，透過表面現象尋求事物的根源，產生創新信息的能力。

在圖5、圖7實驗的基礎上，可以進一步設計實驗對“暖寶寶”進行深度探究，獲取對“暖寶寶”放熱原理新的認識。

（1）實驗儀器：錐形瓶及配套橡皮塞、溫度傳感器、數據采集器、電腦。

（2）實驗藥品：見表1。（3）實驗裝置：見圖9。

（4）操作要點及實驗結果：按圖9連接裝置，設置采集頻率、采集時間。分別將實驗一至實驗六的藥品放人錐形瓶中，點擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕，觀察電腦屏幕上的曲線變化，實驗結果如圖10。

根據數字化實驗采集的信息，對實驗一至實驗四進行分析，可知鐵的銹蝕需要水，同時實驗四600s時在四個實驗中溫度最高，說明氯化鈉可以加快鐵的銹蝕，這些信息與初中已有的認知完全符合。

從圖10實驗結果中，還可以獲得兩個新的信息：

實驗五在加人活性炭后溫度變化比前面四個實驗都大。通過運用信息工具進行檢索和對信息的比較分析可知，鐵粉、活性炭、食鹽水構成原電池反應，加快鐵的氧化，將化學能轉變為熱能。鐵粉作為原電池的負極，電極反應式為Fe-2e^-=Fe²⁺，活性炭作為原電池的正極，電極反應式為O₂+2H₂O+4e^-=40H^-，總反應方程式為2Fe+0₂+2H₂O=2Fe（OH）₂，然后繼續發生后續反應4Fe（OH）₂+2H₂O+O₂=4Fe（OH）₂、2Fe（OH）₃=Fe2O₃·xH₂O+（3-x）H₂O。

實驗六雖然“暖寶寶”中鐵粉質量要比前五個實驗要少，但實驗溫度變化卻明顯高于其他實驗。通過運用信息工具進行檢索和對信息的比較分析可知，“暖寶寶”中的蛭石是很好的保溫材料，可以減少與外界的熱交換，吸水樹脂可反復釋水，從而維持反應的持續進行。同時，活性炭疏松多空的結構使得鐵粉與其他物質接觸非常充分（多次實驗證明，用磁鐵難以將鐵粉從“暖寶寶”中分離出來），從而加快了反應速率。

3.4信息的再加工能力

信息的再加工能力指將文獻或網絡檢索、實驗采集和分析創造等不同渠道獲得的信息進行綜合，形成可以留存和傳遞的信息的能力。

在實驗創新設計中獲得的只是對“暖寶寶”的零散信息，教師可以進一步基于初中學生已有的基礎進行重新整理、歸納、再加工，以資料卡、典型例題、實驗案例、經典課例等形式，形成適合于初中學生再認識、可傳遞的信息。例如，通過對“暖寶寶”有關信息的整合、提煉，可以設計如下習題：

某品牌的“暖寶寶”的主要成分為鐵粉、水、活性炭、蛭石、吸水性樹脂、食鹽。

[資料1]蛭石：一種鐵鎂質鋁硅酸鹽礦物，成分為Mg_0.5（H₂O）₄Mg₃[AlSi₃O₁₀]（OH）₂，是當今世界首屈一指的超級保溫材料。

[資料2]吸水性樹脂：一種新型的高分子材料，它能夠吸收自身重量幾百倍至千倍的水分，吸水能力特強，保水能力特高，并且可反復釋水、吸水。

某興趣小組同學對“暖寶寶”產生了濃厚的興趣，在老師的幫助下，設計了如圖7所示實驗裝置，分別利用____傳感器、氧氣濃度傳感器和濕度傳感器驗證“暖寶寶”放熱是由于鐵在

的作用下發生緩慢氧化，實驗結果如圖8。

（1）“暖寶寶”用于取暖，是將____能轉化為____能。

（2）分析圖像可知，圖像____與我們所學知識不相符。原因可能與“暖寶寶”原材料中的____有關。

（3）鐵釘生銹需較長時間，而“暖寶寶”能快速放熱的原因可能是____、____（寫兩點即可）。

4輻射信息成果

實驗創新設計最終指向的是學生。信息成果的輻射就是將再加工后的新信息通過有效的途徑傳遞給學生，促進學生的能力與素養的發展。

課堂教學是輻射信息成果，有效傳遞信息的重要途徑。探究“暖寶寶”專題復習課堂學習可按如下設計，其中關于“暖寶寶”有關信息以資料卡的形式在學案上提供給學生，學習環節一、二、四與前面獲取的信息成果關聯不大，故不贅述。

[學習環節一]認識“暖寶寶”的包裝及保存endprint

主要是認識“暖寶寶”的包裝屬于什么材料、暖寶寶如何保存。

[學習環節二]定性分析“暖寶寶的主要成分

主要是用多種方法定性分析“暖寶寶”中含有活性炭和鐵粉。

[學習環節三]探究“暖寶寶”的發熱原理

[實驗探究1]按照下列四個反應物進行探究，在密閉的錐形瓶中有空氣，用溫度傳感器測定錐形瓶中溫度的變化，得到時間一溫度曲線如下圖。（說明：每組實驗所用同種藥品質量相等，忽略其他因素的影響）

[交流與討論1]請根據實驗結果，討論以下問題：

[問題1]哪些物質發生反應放出了熱量？氯化鈉的作用是什么？

[問題2]暖寶寶的原理：鐵粉、活性炭、食鹽構成原電池反應，加快鐵的氧化，將化學能轉變為熱能。反應機理可以看作三步反應：（1）2Fe+O₂+2H₂O=2Fe（OH）₂；（2）4Fe（OH）V+2H₂O+O₂=4Fe（OH）₃；（3）2Fe（OH）₃=Fe₂O₃+3H₂O，請寫出暖寶寶的總反應方程式。

[問題3]從反應的機理來看，如果沒有水反應能否進行？

[問題4]從實驗三、實驗四比較分析，活性炭在“暖寶寶”發熱中的作用是什么？

[交流與討論2]實驗四中錐形瓶中的壓強、氧氣含量和濕度會如何變化？嘗試畫出它們隨時間變化的大致曲線。

[實驗探究2]完成圖7實驗，得到圖8實驗結果。

[反思與評價]請根據實驗結果與自己所畫圖像對比，對與預期圖像不同處進行分析。

[歸納總結]“暖寶寶”發熱原理及主要成分的作用。

[學習環節四]定量分析“暖寶寶”中鐵的質量分數

主要是用多種方法定量測定“暖寶寶”中鐵粉的質量分數。

通過問題的分層設計和自主探究的學習方式，促進了學生運用各種信息工具去收集、加工、處理信息能力的提升；同時拓寬了學生的信息視野，有效地將教師再加工后的信息傳遞給了學生，逐步發展了學生的信息思維。

信息素養作為一種高級的認知技能，它的培養不是一時的，而應當是一個持續性、終身化的學習過程。教師要在平時學習和教學中關注生活中有用信息，積累科技中前沿信息，養成自主探究、綜合分析信息的意識和習慣，提升傳遞、發展、創新信息的能力。endprint