“化學反應與能量轉化專題復習”項目式教學

王旭斌

摘要：以“暖身貼的原理探究”為實驗主題，學生通過完成“暖身貼發熱過程中的化學原理探究”“鞏固暖身貼電化學發熱背后反應熱量變化的本質原因及原電池工作原理”“暖身貼升溫較快及持久保溫的原理探究”三個任務，復習鞏固了“化學反應與能量轉化”專題的相關內容，同時也鍛煉了真實問題的解決能力，體現素養教學。

關鍵詞：項目式教學;暖身貼;化學反應與能量轉化;教學案例

文章編號：1008-0546（2021）04-0073-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.019

一、項目主題內容分析

探索有效的教學模式來提升教學質量，一直以來是教師教學努力的方向。目前項目式教學模式在我國不斷被推廣，是由于項目式教學能夠使學生經歷成果導向下的綜合任務完成過程，形成真實情境下的復雜問題解決思路，對培養學生的實踐應用及遷移創新能力有著獨特的功能和價值[1]。因此，利用高中化學學科知識來解決真實情境問題的項目式教學，應該是提升復習課效率和學科素養的有效途徑。

“暖身貼的原理探究”是基于項目學習理論設計和實施的蘇教版高中《化學1》必修課程復習課教學案例，相比以往傳統的知識梳理、習題鞏固的復習方法不同，本案例讓學生以“暖身貼發熱原理”為研究主題，開展以“化學反應與能量轉化”專題的相關重要知識為依托的實驗設計與探究、交流討論與評價的小組合作活動，綜合考查了化學學科知識應用能力及化學學科方法的實踐能力。“暖身貼的原理探究”活動呈現的與“化學反應與能量轉化”專題[2]相關內容的聯系，如圖1。

日常生活中被人們廣泛使用的保暖產品“暖身貼”，其成分中除了蛭石、吸水性樹脂外，鐵粉、水、活性炭、食鹽都是學生非常熟悉的化學物質，其快速發熱的原理及持久保溫的特性能很好地激發學生興趣。圍繞“暖身貼”的成分功能，使用方法，快速發熱及保溫持久等方面開展研究，既可以幫助學生復習鞏固“化學反應與能量轉化”專題中“化學反應速率的影響因素”“化學反應中的熱量變化”“化學能轉化為電能”等相關知識，又可以提升學生利用學科知識結合實驗探究來解決生活實際問題的能力，形成學科知識及學科方法解決真實問題的思維方式，達成復習課素養教學目標。因此，將項目學習主題確定為“暖身貼的原理探究”，學習成果確定為“化學反應與能量轉化”專題中相關知識鞏固與應用。

二、項目教學目標

1.通過對“暖身貼”發熱原理的探究，認識其持久保溫的原理，鞏固化學反應過程中熱量變化的本質原因，原電池工作原理模型及化學反應速率的影響因素。

2.通過對“暖身貼”發熱原理的探究，形成較強的問題意識（表1中的任務1和3），通過交流與討論，設計實驗方案，操作實驗過程，分析實驗結果，分享實驗成果等形式來提升學生的科學探究能力和信息素養（傳感器的應用）。

3.通過經歷真實問題解決過程，幫助學生形成問題解決的思路方法，認識化學學科知識在生產、生活中的應用價值，從而發展學生對化學價值的認識水平。

三、項目任務及教學流程

項目學習活動應該聚焦項目學習中關鍵問題的解決來考慮，即活動內容應體現學科思想方法的應用，活動組織順序應遵循項目成果達成或關鍵問題解決的邏輯順序[3]。依照上述活動設計思路和教學目標，制定以下項目任務及教學流程，如表1所示。

四、項目實施過程及學生學習成果

1.探究“暖身貼”發熱過程中的化學原理

【問題驅動】“暖身貼”是我們日常生活中常見的保暖產品，而且簡單實用，同學們知道它的發熱原理嗎？

【布置任務】請同學們以小組為單位仔細閱讀提供給大家的“暖身貼”產品說明書，說說其中的成分組成、使用方法，并交流討論各種成分在其發熱過程中可能發揮的作用后進行反饋。

【學生活動】6人一小組的形式展開討論，收集組員觀點進行統一匯報與交流。

【學生觀點】產品組成為鐵粉、活性炭、水、食鹽、蛭石、吸水性樹脂，使用方法很簡單，打開包裝袋就會發熱，貼到需要保暖的部位即可，但要注意使用安全。至于發熱的原因，應該是里面的鐵粉、活性炭、水、食鹽之間發生了化學反應放熱所致，但蛭石與吸水性樹脂的作用不明確。

【學生補充觀點1】包裝未打開前不發熱，開打包裝才能發熱，說明空氣中的氧氣也應該是發熱的必須條件，因此，一定是發生了復雜的氧化還原反應。

【學生補充觀點2】我們組有同學曾經打開過“暖身貼”內包裝，里面是黑色的混合物，基于前面兩組同學的觀點，我們思考成分中鐵粉、水、食鹽、活性炭以及氧氣還形成了原電池，也就是可能還有鐵的電化學腐蝕存在。

【教師總結評價，布置新任務】同學們結合已有的知識，判斷“暖身貼”發熱，是因為藥品成分與空氣中的氧氣發生了復雜氧化還原反應，而且還可能形成了原電池，是電化學放熱反應的過程，同學們的觀點值得鼓勵，這是將化學知識用于解決真實問題的行為表現。那么該如何證明發生氧化還原反應而放熱呢？并且還可能形成了原電池？請同學們進行交流與討論，再結合老師提供的實驗儀器設計實驗，并驗證大家的預判。

【學生活動】學生分成A、B兩大組，A組中的各小組設計實驗探究“暖身貼”發熱過程中溫度的變化情況以及氧氣濃度的變化情況，①溫度探究：接通溫度傳感器，置于一廣口瓶中，往瓶中加入適量的“暖身貼”藥品（適時攪拌），記錄數據;②氧氣濃度探究：接通氧氣傳感器，往廣口瓶中加入適量藥品后，立即塞上帶氧氣傳感器的膠塞（密閉體系下監測氧氣消耗情況），記錄數據。B組中各小組設計實驗探究鐵棒、碳棒、氯化鈉溶液能否形成原電池：將適量的飽和氯化鈉溶液置于電解槽中，鐵棒、碳棒插入電解液中，與電壓、電流傳感器連接（形成閉合回路），觀察是否有電流與電壓產生（定性為主）。代表性實驗設計裝置如圖2（選擇了小組中合理的設計），活動完成后，相互分享、交流實驗結果。

【學生匯報結果】A組代表：從實驗探究可知，①“暖身貼”發熱過程中溫度上升較快，如圖3（數據突躍情況為攪拌藥品過程中增大氧氣與鐵粉的接觸面積所致），反應10分鐘后，藥品與空氣接觸邊緣還有棕黃色產物（Fe3+）。②瓶內氧氣濃度明顯下降，說明發生了氧化還原反應，如圖4。B組代表：從實驗探究可知，鐵棒、碳棒、食鹽水的閉合回路可以產生電流（電流不是很穩定，數據突躍為改變電極間距離所致）、電

【教師總結評價】通過分組實驗探究，同學們驗證了“暖身貼”因鐵粉、水、氧氣之間發生氧化還原反應而放熱，且屬于構成原電池的電化學放熱過程，同時，大家在實驗中還體驗了傳感器在化學實驗探究中的創新性和優勢（直觀，定量）。通過活動研究，希望同學們認識到實驗探究才是支撐理論分析的重要手段，更要明白創新技術給科學研究帶來的便利。

2.鞏固“暖身貼”電化學發熱背后反應熱量變化的本質原因及原電池工作原理

【布置任務】①請同學們從化學反應的本質角度說說“暖身貼”的發熱原理，并畫出能量與反應歷程關系圖;②請同學們以“暖身貼”中形成的原電池為模型，說說原電池的工作原理及形成條件，并畫出工作原理模型圖。

【學生匯報總結】①由于“暖身貼”發熱的主要反應為：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2，從化學反應本質看，打破2mol Fe，1mol O2，2mol H2O中的化學鍵吸收的總能量小于形成2mol Fe（OH）2中化學鍵所放出的總能量，反應放熱。如圖7。②從實驗中鐵棒、碳棒、食鹽水形成的原電池可知，一個自發進行的氧化還原反應（2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2）是構成原電池的核心條件，活潑性不同的電極、閉合回路、電解質溶液（不一定參與反應）也是基本條件;工作原理：外電路負極物質發生氧化反應（Fe-2e-=Fe2+），失電子經導線轉移到正極，正極物質得電子發生還原反應（O2+2H2O+4e-=4OH-），內電路電解質溶液中的離子為了平衡因電子得失導致兩極附近溶液電荷不平衡而發生定向移動，從而形成閉合回路，實現化學能與電能的轉化，如圖8。

【教師總結評價】利用建構模型，同學們很好地鞏固了反應放熱的本質及原電池的工作原理，希望同學們能根據認知的模型繼續去解釋新的問題。

3.暖身貼升溫較快和保溫持久的原理探究

【布置任務】產品說明上表明“暖身貼”10min可上升到4O℃以上（活動探究中也已證明），且指出保溫時間至少有10h。請大家結合“蛭石”和“吸水性樹脂”的功能介紹，如圖9所示，再結合影響反應速率的相關知識，分組討論升溫快且保溫持久的可能原因。

【學生觀點】從鐵的電化學腐蝕以及產物的顏色可知“暖身貼”溫度上升較快應該還有一個原因，即4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3也是放熱反應。

【學生補充觀點1】反應過程中形成了原電池可以加快反應放熱，且放出的熱量被蛭石及時“鎖住”，不僅保溫持久，而且也會使化學反應發生的環境溫度升高，加快反應速率，促進熱量放出。

【學生補充觀點2】產品成分中鐵以細小的鐵粉形式參與反應，增大了接觸面積，也可加快反應速率。

【教師總結評價，布置新任務】同學們結合所學反應速率的相關知識，將“暖身貼”發熱過程中升溫快的原因分析得很到位，其實通過卡片資料，我們可以了解到“蛭石”以及“吸水性樹脂”的關鍵用途：吸水性樹脂吸水后混合在產品成分中，起到反應發生所需水分的補給作用，而蛭石的保溫性能不僅讓產品本身的保溫時間延長，而且“鎖住”的熱量可以促進水變成水蒸氣和升高反應環境的溫度，兩種條件的改變都可加快反應的速率，促進升溫。所以說，整個發熱過程相輔相成，可見小小的“暖身貼”產品，設計過程充滿了科學與智慧。接下來，請同學們根據老師提供的實驗材料及儀器，設計合理的實驗方案，證明原電池的形成確實可以加快反應速率，并分享你們的設計方案。

【學生活動】學生分組討論設計方案，并結合自己的方案進行實驗驗證，交流分享實驗設計方案及結果。

【學生匯報結果】第I小組：取相同兩鐵片，其中一塊用導線與碳棒連接，一起投入稀硫酸中，一段時間后稱量剩余鐵片的質量，發現與碳棒連接的鐵片質量更小，說明形成原電池可以加快反應;第二小組：取相同兩鎂片，其中一片接上銅導線，一起投入稀硫酸中，發現接有銅導線的鎂片很快消失了，說明形成原電池可以加快反應;第三組：取相同兩鐵片，其中一鐵片用導線與碳棒連接，分別投入設有相對壓強傳感器兩試管中，再同時加等量稀硫酸，觀察壓強變化，發現形成原電池的試管中壓強明顯更大;第四組……

【教師總結評價】通過實驗，同學們都驗證了原電池的形成可以加快反應速率，其實大家還可以相互比較誰的方法更簡單、更科學、更創新。實踐是檢驗真理的唯一標準，實驗探究是解決科學問題最有效的途徑，而創新意識更是科學發展的助推器，希望同學們永遠保持嚴謹求實和創新的態度。

五、項目教學反思

項目式教學對教師及教學條件都提出了更高的要求，對一個項目的開發需要教師投入較多的精力與時間，項目的成功開展必須要有學校的教學條件支撐，如本項目活動中，傳感器的應用是化學實驗的創新教學方式，可是學校很難完全滿足學生開展小組實驗的要求，從而就失去了一個提高信息素養的機會。當然，本項目在復習課中的實施，切實的激發了學生學習的主觀能動性，活動過程中學生的表現，真實反映了學生解決問題過程中的學科核心能力及不足之處，可幫助教師做出精準評價從而來提升后期的教學效率。

文獻摘要

[1]陳穎，王磊，徐敏，尚榮榮，陳松，寧燕丹.高中化學項目教學案例——探秘神奇的醫用膠[J].化學教育（中英文），2018，39（19）：8-14

[2]王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書：化學2（必修）5版[M].南京：江蘇教育出版社，2009：29-4

[3]侯肖，胡久華.在常規課堂教學中實施項目式學習——以化學教學為例[J].教育學報，2016，12（4）：39-44

[4]王小路，黃晉，張友壽，龍威，夏露，李四年.耐火保溫材料現狀及發展[J].耐火材料，2016，50（1）：75-80

[5]齊葳芊.高吸水性樹脂在日用化學工業中的應用[J].科技創新與應用，2013（32）：14