基于真實情境的項目式學習案例的設計與實施

廖榮滔

摘要：以“探秘火箭推進劑”為主題，開展高中化學“化學反應的熱效應”的教學。學生通過完成“了解火箭推進劑”“火箭推進劑的選擇”“火箭推進劑的發展與展望”“未來火箭推進劑的研究方向”等4個項目任務，理解了反應熱的原理，培養了學生的文獻檢索能力、實驗探究能力以及發展了學生的高階思維能力。將文獻查閱與學生實驗相結合，讓學生在真實情境中，完成反應熱等相關知識的內化。

關鍵詞：項目式學習;化學反應的熱效應;火箭推進劑

文章編號：1008-0546（2022）10-0055-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

一、項目主題內容分析

通過高中化學必修第一冊和選擇性必修1有關化學反應熱效應的學習，學生理解了化學反應熱效應的有關概念，掌握了熱化學方程式的書寫和有關燃燒熱和蓋斯定律的計算。具備了有關化學反應熱效應的計算、分析和歸納等能力。但缺少從真實情境中如何選擇物質、評價化學反應的思路;缺少從能量視角研究化學反應的思路。在所學知識的基礎上，從化學反應規律出發，引導學生用化學反應熱效應原理探秘火箭推進劑，根據熱化學方程式，以及與蓋斯定律相結合的反應熱計算，分析化學反應，形成合理選擇和利用化學反應的思路。幫助學生在化學層面上找到分析問題和解決問題的方法，建立認識化學反應的能量視角，完善物質變化觀念，培養學生從生活中學習化學的意識，提高學生的探究能力、動手能力以及合作能力。

二、項目教學目標

（1）通過了解火箭推進劑的種類及反應原理，知道獲取能源的途徑，認識能量變化的原因，發展學生宏觀辨識與微觀探析的核心素養。

（2）通過書寫熱化學方程式，計算燃燒熱，比較、評價化學反應，初步形成分析推理、對比歸納能力，發展學生變化觀念與平衡思想。

（3）通過了解火箭推進劑的發展歷程，感受科技對人類社會進步的促進作用，從STSE角度認識并體會化學反應中能量變化的價值，發展學生科學態度與社會責任感。[1]

三、項目任務及教學流程

見表1。

四、項目實施過程及學生學習成果

1.了解火箭推進劑

（1）觀看視頻談感受

教師：播放2022年2月27日中央電視臺的新聞報告《長征八號成功發射，一箭22星創紀錄》，要求學生觀看后發表感受。

學生：1970年中國將“東方紅一號”衛星送入軌道，由此拉開了中國航天的序幕。如今，“北斗”“神舟”“天舟”“嫦娥”“玉兔”“天問”……星辰大海中，中國“星”亮晶晶。中國已由航天大國開始邁向航天強國。我們曾經艱難，曾經受制于人，但有著自力更生、艱苦奮斗精神的中國人民，邁向航天強國的步伐無人可以阻擋，隨著神舟十三號載人飛行任務的實施，在不久的將來，“中國空間站”將會在星辰大海中獨領風騷。作為新時代的青年，應勤奮學習、錘煉身心，努力做新時代具有過硬本領和高尚品格的接班人。

（2）調查火箭和火箭推進劑的發展歷史

教師：我國航天事業蓬勃發展，神舟十三號，天舟三號發射成功，長征系列火箭功不可沒。今天我們選擇火箭升空的動力來源——推進劑作為研究對象，上周已布置了對火箭及火箭推進劑發展史進行調查研究的任務，請各小組派代表進行展示。

學生：通過網絡查找相關文獻并進行整理和歸納，火箭推進劑發展歷史以火箭的第一級推進劑為例，可分為四代，第一代：火藥;第二代：燃料是偏二甲肼，氧化劑是四氧化二氮;第三代：燃料是煤油，氧化劑是液態氧;第4代：燃料是液態氫，氧化劑是液態氧。圖1是某學習小組展示的調查結果。

（3）用火柴自制小火箭

①任務引導

教師：你知道火箭發射和飛行的原理嗎？

學生：火箭的發射和飛行符合牛頓運動定律，火箭發動機內推進劑發生化學反應時，產生大量的熱和氣體，噴出的高速氣體給予火箭本體一個反作用力，使火箭的速度產生變化。

教師：圖2是液體火箭和固體火箭發動機構造的區別，但火箭發射和飛行的原理是一樣的，都是發動機內推進劑發生化學反應噴出的高速氣體推進火箭。你能用實驗模擬火箭的發射嗎？

②實驗探究

在查閱了相關的文獻后，同學們分組討論，制定了實驗計劃。

用一小塊鋁箔把一根剪斷的火柴頭和火柴梗緊緊包裹成圓柱形，包緊火柴頭使其前方不透氣。再取一小塊正方形的鋁箔，中間用鐵釘戳穿，并套到包緊火柴頭和火柴梗的圓柱形的鋁箔上捏火箭尾翼狀。

取出火柴梗，把包緊火柴頭的圓柱形鋁箔套在回形針做成的發射架上。劃著另一根火柴，隔著鋁箔加熱里面的火柴頭（具體操作見圖3）。

③實驗現象

火柴頭被引燃后，看到火柴頭像火箭一樣“嗖”地一聲飛了出去，留下一道白煙。

④實驗結論

火藥燃燒產生大量的熱和氣體，氣體迅速膨脹，由于氣體被鋁箔束縛著，只能從預留的通道高速噴出，由于反沖作用，火柴頭像火箭一樣“嗖”地一聲飛了出去。

2.火箭推進劑的選擇

（1）定性比較各代火箭推進劑

教師：同學們，能從多個角度來分析各代液體火箭推進劑的優缺點嗎？

學生：結合文獻進行整理并完成下表（表2），學習小組匯報各代火箭推進劑的優缺點。

（2）定量比較各代火箭推進劑

教師：你能從定量的角度比較各代火箭推進劑嗎？請完成以下習題。

已知：①10.0g液態偏二甲肼（C2H8N2）與液態四氧化二氮完全燃燒生成氣態物質可以放出425kJ熱量;②煤油主要成分是C12H26，其燃燒熱為8571.4kJ·mol-1;③某些共價鍵的鍵能數據：H-H：436.0kJ·mol-1、O=O：497.3kJ·mol-1、O-H：462.8kJ·mol-1;④H2O（g）=H2O（l）ΔH=-44.0kJ·mol-1。根據以上數據書寫三類液體推進劑燃燒的熱化學方程式。

學生：三類液體推進劑燃燒熱化學方程式分別是：C2H8N2（l）+2N2O4（l）=2CO2（g）+4H2O（g）+3N2（g）ΔH=-2550.0kJ·mol-1

2C12H26（l）+37O2（g）=24CO2（g）+26H2O（g）ΔH=-15998.8kJ·mol-1

2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）

ΔH=-481.9kJ·mol-1

教師：三類火箭推進劑的熱值分別是多少呢？提示：熱值就是單位質量（或體積）的燃料完全燃燒時所放出的熱量，單位是J·kg-1。[3]

學生：通過計算，偏二甲肼、煤油和氫氣的熱值分別是：4.25×107J·kg-1、4.71×107J·kg-1和1.20×108J·kg-1。

教師：（1）為什么長征2，3，4號運載火箭一級燃料不選碳氫化合物而選偏二甲肼，氧化劑不選液氧而選四氧化二氮？（2）為什么火箭各級發動機選擇的推進劑略有不同？

學生：（1）（引導學生從反應條件和燃燒產物等角度分析）使用偏二甲肼和四氧化二氮組合無需點火，混合即能反應，減少發生事故的可能性;使用偏二甲肼成本較低;使用偏二甲肼可以避免燃燒不完全造成積碳堵塞管道。（2）（引導學生從儲存條件，用量等角度分析）各級火箭燃料用量不同;使用煤油和液氧組合成本低;使用煤油和液氧組合技術較為成熟。

教師：選用何種火箭推進劑要結合成本、性能、環境、安全等因素綜合考慮，選用性能盡可能高（比沖高、熱值高）、腐蝕性盡可能小、化學性質盡可能穩定、毒性盡可能小、價格盡可能便宜的火箭推進劑。

3.火箭推進劑的發展與展望

教師：隨著航天技術的不斷發展以及我國新一代運載火箭陸續投入使用，研發高性能推進劑成為趨勢。火箭推進劑可以從哪些方面改良？

學生1：從環境保護角度考慮，相對于傳統推進劑的產煙、有毒性和污染環境等缺點而言，新型推進劑應具有排煙少、燃燒反應無毒無害，可回收再利用等特點。

學生2：從安全角度考慮，新型推進劑生產原料要安全無毒，生產過程不產生有害物質，性質穩定，腐蝕性小，運輸過程中不易發生爆炸等對人員造成危害。

學生3：從經濟角度考慮，新型推進劑生產工藝盡可能簡單，原料來源豐富，價格便宜。

學生4：從性能角度考慮，新型推進劑應具有更高的熱值、密度和比沖。[4]

教師：詳細介紹綠色推進劑標準。

4.未來火箭推進劑的研究方向

教師：通過研究，我們可以感受到火箭推進劑的發展對人類社會的發展和進步起到巨大的推動作用，體會到化學反應中能量變化的重要價值，更加堅定我們學好化學的決心。請從火箭推進劑的熱值、比沖、環境等角度出發，以材料科學家的角色擬定未來火箭推進劑的性能以及可能的研究方向，各小組討論后將未來火箭推進劑具有的性能和推進劑可能的研發方向以思維導圖形式呈現出來，并與全體同學交流。

學生：從比沖、熱值、安全、環保、經濟等角度考慮未來火箭推進劑的性能并提出自己對未來火箭推進劑的研究設想，圖4是某學習小組展示的“未來火箭推進劑的研究方向”的思維導圖。

五、項目教學反思與改進建議

本項目以“探秘火箭推進劑”為總任務驅動，通過完成四個基于真實情境的項目任務，理解和鞏固了化學反應熱效應的原理，將文獻查閱與學生實驗相結合，讓學生多角度地展示自己，旨在培養學生的文獻檢索能力、實驗探究能力以及高階思維能力。

本項目式學習研究中也暴露了學生在實際動手研究中存在的一些問題。首先，學生在實驗方案的設計上存在不全面、不嚴謹的問題，變量控制意識不夠，需要提高科學探究性的意識。此外，學生的思考比較淺顯，不夠深入，需要教師提出呈梯度遞進的問題，多方面、多角度地引導學生深入思考并探究，使學生對實際問題的研究成為常態，養成思考和質疑的習慣。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]李成智.中國航天技術的突破性發展[J].中國科學院院刊，2019，34（9）：1014-1027.

[3]史冬雨.輕烴混合燃氣下蜂窩狀阻火器的阻火特性研究[D].西安：西安石油大學，2019.

[4]杜宗罡，史雪梅，符全軍.高能液體推進劑研究現狀和應用前景[J].火箭推進，2005（3）：30-34，49.