在應用中感受化學學科價值的教學設計

詹發云 周文榮

摘要：以酒精為例復習“燃料及其應用”，在生活應用中感知酒精燃料，在實驗操作中制備固體酒精，在乙醇汽油應用中體悟利用效率，在新型燃料探索中開發未來能源，以真實的應用情境彰顯化學的學科價值。

關鍵詞：學科價值;酒精燃料;應用

文章編號：1008-0546（2020）10-0073-04

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.10.019

一、設計背景

《義務教育化學課程標準（2011年版）》指出，從學生已有的經驗出發，讓他們在熟悉的生活情境中學習化學，幫助學生從科學、技術和社會相互聯系的視角認識化學。知識的獲得最好需要還原到知識建立的情境中去，同時再應用到具體的情境中才能實現知識的發展，實現其價值[1]。教學中要不斷地從社會生活和新的科技發展中吸取新鮮信息，理解化學學科本質，提升學科核心素養，增強學生的社會責任感。本文從知識的應用視角讓學生感受和認識化學學科的價值。

圍繞“酒精”這一生活常用品展開“燃料及其利用”的復習，從生活應用中感知酒精的價值，從實驗操作中體悟燃燒與滅火的原理，從乙醇汽油的探討中體悟新型燃料的使用價值，增強環保意識和能源意識，認識到化學對經濟社會發展的作用，彰顯化學的學科價值，落實學科育人的目標。

二、設計思路

復習課的教學不能讓學生機械地“被動塑造”，而應是積極地“自主構建”;教師不應是“以題為本”“再次告知”，而應是“搭建平臺”“幫助重構”。“燃料及其利用”的復習主要包括“燃燒和滅火、燃料和熱量、使用燃料對環境的影響”三部分內容，知識的難度并不大，讓學生在真實、恰當、有趣的問題情境中進行深層次的再學習是教學設計的關鍵。本節課以酒精為燃料作為核心線索，融入燃燒條件、滅火原理以及燃料的綜合利用和新能源開發等展開設計（教學設計思路見圖1），在真實的情境中解決實際問題。

三、教學過程

1.在生活中感知

【教師】外出郊游往往自帶一些食物，在戶外一般給食物加熱的方式有哪些呢？

【學生】木炭、卡式爐、加熱包、固體酒精、就地取材（樹枝等）等。

【教師】這是老師上次來宜興郊游所帶的一些白色固體燃料，猜猜是什么物質？

【學生】觀察外型，發現包裝內還有少量液體，可能是固體酒精。

【教師】固體酒精（固化酒精）是液態酒精的固體形態嗎？你是如何得知或者判斷的？

【學生l】不是，因為液態酒精在常溫常壓下是無色透明液體，而固體酒精是固體。

【學生2】不是，固體酒精燃燒后會有少量的白色或者黑色的固體殘留，而液態酒精燃燒后的生成二氧化碳和水，無固體殘留。

【教師】“固體酒精”這種新型固體燃料，并不是固體狀態的酒精，是液態酒精與固化劑（如醋酸鈣）形成的一種凝膠。

設計意圖：化學與社會生活實際有著廣泛而緊密的聯系。課堂伊始，引導學生從日常生活現象和已有的生活經驗入手，從資源、環保、攜帶方便等要素考慮一般在戶外給食物加熱的方式，交流討論選出最合適的加熱方式。從生活走進化學，是符合學生的認知規律，很好的調動學生學習的興趣。

2在實驗中探尋

【實驗藥品】

藥品：無水酒精、飽和醋酸鈣溶液、多種有色顏料、水

儀器：50mL小燒杯、200mL大燒杯、蒸發皿、石棉網、玻璃棒、lOmL量筒、火柴

【實驗步驟】

（1）在50mL小燒杯中加入無水酒精約lOmL，擠入1滴你喜歡的顏料，攪拌均勻。

（2）在另一只50mL小燒杯中加入約SmL的飽和醋酸鈣溶液，倒入剛才的lOmL酒精混合液，凝固塑形;

（3）用藥匙取出少量固體放人蒸發皿中，用火柴點燃固體，觀察火焰顏色;

（4）用你熟悉而簡便的方式熄滅火焰。

【實驗反思】

【問題l】點燃固體酒精的條件是什么？熄滅該固體的原理又是什么？

【問題2】從物質組成的角度看，為何一般含有碳、氫（氧）元素的物質具有可燃性？

【問題3】人們為什么要把液體酒精制作成固體酒精？日常應該如何保存？

設計意圖：化學學科理解是指教師對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結構化的認識。教學中要強化對學科本體知識的理解，深化認識學科本質[2]。從自制固體酒精到燃燒條件與滅火原理的回顧是屬于本體知識范疇，從物質燃燒需要氧氣，可以看出物質中碳、氫元素變成二氧化碳和水需要氧元素，也就是說從物質組成的角度看，含有碳、氫（氧）元素的有機物中只要碳、氧原予比不飽和（大于1：2），或氫、氧原子比不飽和（大于2：1）亦或二者均不飽和，這種物質一般具有可燃性，這才是對化學學科本質的探尋。

3.在應用中體悟

與傳統燃料相比，乙醇作為一種新型生物燃料，廣泛應用于餐飲業、旅游業和野外作業，正受到人們越來越多的關注，開發利用乙醇作為動力燃料，乙醇汽油應運而生。

【資料】92號乙醇汽油是由90%的普通汽油和10%的燃料乙醇（即體積比為9：1）調和而成。乙醇汽油比普通92號汽油碳氫化合物含量排放下降16.2%，CO排放下降30%，可以有效降低汽車尾氣排放。汽油中加入燃料乙醇，提高了汽油中的含氧量，使得燃燒更加充分，提高了熱效率。乙醇是一種良好的溶劑，易對汽車密封橡膠及其它非金屬材料產生輕微腐蝕、溶脹，或軟化龜裂作用，且乙醇在燃燒過程中還會產生乙酸，對汽車的金屬會有輕微腐蝕。

（1）算一算：根據表l資料所示，你能計算出乙醇汽油中的含氧量嗎？

【學生】9L92號汽油和1L燃料乙醇的總質量為：0.72kg/Lx9L+ 0.78kg/LxlL

1L燃料乙醇中的氧元素質量為：0.78kg/LxlLx（16÷46）

乙醇汽油中的含氧量：

【教師】有同學認為9L92號汽油和1L燃料乙醇最后的總結、體積為10L，大家再次討論一下，從微粒的觀點看，溶液混合后最后的總體積可否簡單相加。若忽略體積變化，9L92號汽油和1L燃料乙醇的總質量可用0.75kg/Lx10L=7.5kg。

（2）想一想：乙醇含氧量高，使得燃料燃燒更充分，是否乙醇含量越高越好呢？

【學生】根據資料，在普通無鉛汽油中添加10%的燃料乙醇，對金屬、橡膠及其它非金屬材料等基本沒有影響，超過10%的乙醇，以上的問題會影響較大。

【教師】當在汽油中摻兌少于10%時，對在用汽車發動機無需進行大的改動，即可直接使用乙醇汽油。超過15%的乙醇時，以上的問題會有一定影響，必須添加有效的腐蝕抑止劑。

（3）試一試：有人擔心使用乙醇汽油后，油耗會不會增加（油費增加）？油耗為行駛lOOKm所需要的燃料的體積。假設lOOKm消耗92號汽油量為10L的汽車，采用乙醇汽油，耗油量為多少？（假設能量利用率相同）。

【學生】通過小組討論形成如下思路：（1）計算10L92號汽油產生的熱量（2）產生相同熱量所需要的乙醇汽油體積（3）92號汽油的以及乙醇汽油的價格比較。

【教師】10L92號汽油產生的熱量：lOx0.72x43=309.6x103kJ;產生相同熱量所需要的乙醇汽油體積309.6×103÷（39.8 x103）÷0.75 =10.37L; 10L92號汽油67.5元;10.37L乙醇汽油價格為68.23元，所以行駛lOOkm，乙醇汽油比92號汽油貴68.23元-67.5元=0.73元。按照當下的價格，乙醇汽油稍稍貴了一些，但燃料乙醇的生產資源豐富，技術日益成熟，是可再生能源。

（4）議一議：國家是否有必要推廣使用乙醇汽油？

【學生】分小組進行科學計算、邏輯思辨，從污染防治、能源清潔、來源、價格以及自己的經驗等多方面各抒己見，有自己的獨特看法。大多數贊成推廣應用，也有少數學生有保留意見。

【教師】事物的發展總有兩個方面，過猶不及，如何讓其合理應用，優化組合，權衡利弊，穩步推進也是政策制定的標準之一。目前全國乙醇汽油使用情況見圖2的紅色區域，與國家統計局2014年公布的全國13個糧食主產區相吻合，也切合了地域特點。相對于傳統的普通無鉛汽油，乙醇汽油具有燃料品質好，能量利用率高，環境污染少等優勢，突出表現為它的經濟性和環保性的特點。

中國工程院院士岳國君認為，發展生物燃料乙醇有利于促進糧食供求平衡，形成糧食生產和消費良性循環發展的局面。他還強調，尤其是東北地區有著發展生物燃料乙醇的產業基礎，大力發展生物燃料乙醇，將有利于東北振興，可以“讓東北的土地再長出一個‘大慶油田”。

設計意圖：通過四個這樣的“問題鏈”，很好地培養學生的邏輯推理和思辨的能力。化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質[3]。化學教學要弘揚學科價值，充分發揮其育人功能，而不是簡單的技能訓練，要讓學生在科學思維和嚴密邏輯的指引下，發現化學學科的獨特魅力。“打好藍天白云保衛戰，綠水青山就是我們的金山銀山，”提高生物燃料乙醇的使用和應用是國家戰略，大部分同學認為大力推廣這種新型優質汽車燃料，對環保、改善能源結構和促進農業生產等具有重大意義。

4.在拓展中提升

【教師】通過學習，你認為乙醇做為燃料利用的方向有哪些？未來有何期待？

【學生】乙醇燃料（包括固體酒精）、乙醇汽油、乙醇汽車等。

【教師】人們正在研究開發乙醇燃料電池，燃燒是化學能轉化為熱能，電池是化學能轉化為電能，實現了能量的轉化方式的變化。乙醇燃料電池易儲存，易推廣，與氣體燃料電池相比，液體更方便儲存和運輸。乙醇基本無毒，一旦泄漏，對生物和社會的危害較小，且易被發現。

【教師】據我國工程、科學院預測，我國石油僅可供采14年。我國自1993年開始進口石油，2018年進口依存度已達到70.9%，超過國際公認的保障能源供應安全的依存度50%。同時，我國的環境污染，特別是大氣污染，如近期頻繁出現的霧霾天氣日益嚴重，PM2.5嚴重超標，其中常規的汽油和柴油燃燒產生的NO和硫化物以及微粒占大氣中PM2.5總量的25%。為了解決上述問題，我們將應當如何應對？

【學生】現有能源提高能源的利用效率，另外是開發新的能源。

【教師】傳統的三大化石燃料是哪些？人們是如何提高其利用效率的？（舉例）

【學生】煤和石油綜合利用——煤的干餾和石油的分餾，讓固體的煤和液體的石油變成多種成分使用，提高利用效率。將煤和石油變成氣體物質作為燃料，例如煤干餾成份焦爐煤氣-CO、H2、CH4等，石油分餾成分一汽油、煤油、柴油等，使其“增大與氧氣接觸面積”，燃燒更加充分，提高能量轉化率。

【教師】吳仲華院士曾提出了能源利用必須“分配得當、各得其所、溫度對口、梯級利用”，才能達到最有效的目的。從我們的日常生活出發，提供充足的氧氣;改善燃燒方式;增大燃料的接觸面積。當下提高能源的使用效率，難度較大，短期內難以有大的突破，而開發新能源則是一條行之有效的辦法。

【案例】人們在汽油中加入另一種物質X，與現有國標汽柴油（或組分油），按一定體積（或重量比）經嚴格科學工藝調配制成的一種新型清潔燃料。我國擁有豐富的煤炭資源，X可以從煤中提取，特別是利用高硫劣質煤和焦爐氣生產，既可提高資源綜合利用又可減少環境污染。它的資源可行性非常好，能夠代替寶貴的石油資源。

【定性分析】X+02→CO2+H2O

【定量研究】X+O2 =CO2+H2O

如圖3，用李比希法測定X中碳氫元素質量。已知6.4g X完全燃燒產生的水被Mg（ ClO4）2吸收，裝置增重7.2g，二氧化碳被NaOH吸收，裝置增重8.8g。若X相對分子質量為32，則X是何物質，寫出X燃燒的化學方程式。

學生通過計算得知，m（C）：m（H）：m（O）=3：1：4，n（C）：n（H）：n（O）=1：4：1，物質X為CH4O（甲醇）。燃燒的化學方程式2CH4O+3O2=點燃2CO+4H2O

【教師】從保護生態環境的考慮，CH4O的分子結構為一個碳、四個氫、一個氧，不管是動力燃燒還是熱力燃燒，細微顆粒物的排放很少。由于其含有50%的氧原子，氮氧化物的排放也很低，因此甲醇燃料是對環境非常友好的清潔能源。因此推廣甲醇汽車、使用甲醇燃料，對于減輕大氣環境污染，打贏這場“藍天保衛戰”是極大的助力。

【教師】人們在不斷地開發新能源和燃料，你對未來的能源（燃料）開發和使用有何建議（應具有哪些特點）？

【學生】小組討論，各抒己見，來源廣，可再生，無污染，熱值高等，最后形成圖4所示的歸納總結。

設計意圖：人們對燃料的開發和利用一直在不斷地追求和探索。從酒精的燃燒出發，設計甲醇的實驗又一次從定性、定量和能量等多角度認識化學反應。學習化學是為了更好地運用化學知識為我們的生產生活服務，使得我們的環境更美、生活更好，生命更優！

四、教學后記

教材中對乙醇（酒精）的介紹限于其化學性質和基本用途，本節課讓學生進一步認識和了解乙醇（酒精）更廣泛的應用，進而對當下能源危機和污染危機作深層次的思考。學生的學習動機源于對知識的價值和使用價值的認識，即獲得的知識能夠真實應用到周圍的環境中去，并能解決實際問題。教學要讓學生更深刻的理解學科本質，這樣才能使其在面臨處理與化學有關的社會生活問題時能做出更理智、更科學的思考和判斷[4]。

在深化課改融五育，全面發展育新人的今天，知識的價值更多地在于其承載的育人功能，化學教育的價值在于要讓學生用綠色化、環境友好的觀點去分析、處理、制造生活中的化學品，進而懂得用化學知識來改善生活，熱愛化學而不恐懼，貼近化學而不遠離，體驗身邊的、真實的、有用的化學是初中階段作為化學啟蒙教育的必修課。

參考文獻

[1] 單旭峰，宋修明.真實情境的高考化學命題理論與實踐[J].中學化學教學參考，2019（5）：1-5

[2] 肖中榮.基于學科育人的化學教學要注意“三要三忌”[J].中學化學教學參考，2019（6）：10-11

[3] 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

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