運用數字化實驗探究自制暖寶寶原料最佳比

徐敏

摘要：學生在社團課“自制暖寶寶”項目化實踐活動中發現自制的暖寶寶開始發熱慢、升溫也慢、熱效率低，運用數字化實驗通過控制變量設計對比實驗，探究自制暖寶寶中鐵粉、蛭石、活性炭粉、食鹽和水五種原料發熱的最佳質量比，以利于教師課堂演示實驗和學生分組實驗。

關鍵詞：新課標：項目式學習；暖寶寶

文章編號：1008-0546（2023）10-0093-02

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.019

一、問題和解釋

2022年義務教育化學新課程標準頒布，新課標倡導“做中學”“用中學”“創中學”開展項目式學習，重視跨學科實踐活動。[1]學生在社團課“自制暖寶寶”項目化實踐活動中發現自制的暖寶寶開始發熱慢、升溫也慢、能達到的最高溫度不高、熱效率低。教師在“金屬的冶煉與利用復習”一課中也讓學生開展分組實驗“自制暖寶寶”，也出現了同樣的問題。為更好地解決這個問題，尋找到“自制暖寶寶”的原料最佳質量比，教師以“暖寶寶”為關鍵詞在知網搜索，分析搜索結果中與制作暖寶寶有關的論文研究發現：

周良駿老師利用氧氣、二氧化碳和溫度傳感器探究密閉容器中暖寶寶的發熱原理是鐵與氧氣和水的原電池反應放熱。[2]周文榮老師利用壓強、溫度、氧氣和濕度傳感器探究暖寶寶的發熱原理，同時利用溫度傳感器測定了5 g鐵粉與1.5 mL水、1 g氯化鈉和0.5g活性炭粉混合后的發熱效果，并與5g市售暖寶寶的發熱效果作對比。[3]蔡元啟、吳家俊、吳俞翰三位同學通過設計對照實驗組得出鐵粉和活性炭質量比過大或過小都會減緩暖寶寶的反應速率，兩者較合適的質量比約為5：1，食鹽水濃度過高或過低都會使反應速率降低，最佳濃度在10%左右。[4]劉晴老師在課堂上讓學生根據化學方程式計算出自制暖寶寶的原料最佳質量比為：鐵粉占59%、水占22 %、活性炭占4%、吸水材料占0.3%、NaCI占3%、蛭石占11.5%.[5]

二、實驗設計、過程和結論

上述教師和學生的實驗中基本都是運用了對比實驗手段，粗略測定了自制暖寶寶的原料最佳質量比，但實驗過程中試劑用量都比較大，本著綠色化學的理念和方便學生進行分組實驗的原則，教師重新設計了不同實驗組（表1），并利用氧氣傳感器測定密閉體系中氧氣濃度的變化曲線，利用溫度傳感器測定溫度的變化曲線，通過氧氣濃度的變化探究鐵粉發生緩慢氧化的速率，通過溫度的變化探究自制暖寶寶的發熱效率。

實驗中選用的自制暖寶寶的原料有：還原鐵粉、活性炭粉、食鹽、蛭石和水。實驗中統一采用500mL三頸燒瓶進行實驗（圖1），分別利用威尼爾氧氣傳感器和溫度傳感器測定不同原料質量比下的氧氣濃度變化曲線（圖2）和溫度變化曲線（圖3）。

分析實驗所得曲線，可以發現實驗組中第6組原料比無論在單位時間耗氧量還是在單位時間溫度升高值方面都明顯優于其他實驗組。實驗13，氧氣濃度下降和溫度升高都非常緩慢。實驗14和15組，氧氣濃度下降速率比實驗13稍快些，實驗14溫度略有升高，實驗15由于多加了水，溫度反而下降。實驗12是增加的一組實驗，探究在第6組實驗的基礎上再增加鐵粉的質量，能否獲得更快的耗氧速率和更高的溫度值，數字化曲線顯示僅增加鐵粉的質量并不能達到預期的升溫效果。

教師通過數字化實驗分析得出自制暖寶寶的最佳原料配比為還原鐵粉3 g、活性炭粉0.5 g、食鹽1 g、蛭石1 g、水1 mL。教師按照該原料比進行實驗發現在600 s內氧氣濃度可以下降到9%，溫度可以上升到42℃，低于市售暖寶寶的最高溫度60℃，且保溫效果不如市售暖寶寶（6-8小時）。市售暖寶寶的成分中含有鐵粉、水、活性炭、蛭石、吸水性樹脂和食鹽，自制暖寶寶比市售暖寶寶少了吸水性樹脂，可能是其升溫速率和保溫時長不如市售暖寶寶的主要原因。

三、實驗反思

“自制暖寶寶”是由滬教版教材上冊第5章金屬的冶煉與利用第3節金屬防護和廢金屬回收衍生出的項目式學習活動，由圖3密閉體系中各配比原料的溫度變化曲線可知在300 s（5 min）內，“自制暖寶寶”的溫度可上升至40℃，對比人體溫度37℃，僅上升了3℃，升溫較不明顯，若作為教師在課堂上開展的項目式學習活動，考慮到人體感知外界溫度的范圍（5℃以上才較為明顯），建議采用普通溫度計或紅外線溫度計測溫度的方式來檢驗“自制暖寶寶”的項目式學習成果。

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（2022年版）[Sl.北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 周良駿，利用傳感器探究暖寶寶的發熱原理[J]．化學教與學，2012（6）：89-90．

[3] 周文榮．利用數字化實驗探究鐵粉型“暖寶寶”的發熱原理——兼談初中化學實驗創新中的信息素養[Jl.化學教學，2018（1）：63-68．

[4] 蔡元啟，吳家俊，吳俞翰．探究暖寶寶發熱速率的因素[J]．發明與創新·高中生，2021（10）：27-290.

[5] 劉晴．STEM理念下的項目式學習設計——以制作暖寶寶為例[J]．化學教與學，2022（4）：57-60．