初中化學“燃料及其利用”的項目式教學

摘 要：本文以“解密氣割槍”為項目式教學主題，整合人教版化學九年級上冊“燃料及其利用”單元內容，開展“物質的化學變化”“科學探究和化學實驗”的教學。教師通過項目式教學的引導、探究以及展示，講授燃燒的條件及其調控、科學探究的一般過程等核心知識；在真實問題的解決過程中，讓學生形成認識化學反應的系統思維，體會調控化學反應的重要意義，學習控制變量和對比實驗的實驗方法，理解科學探究的本質。

關鍵詞：項目式教學；燃料及其利用；化學反應；控制變量

文章編號：1008-0546（2024）11-0035-07

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

一、項目育人價值分析

“解密氣割槍”是產品設計類綜合實踐活動，要求學生學會基于產品設計理念繪制氣割槍原理圖。氣割槍原理圖指用于切割金屬氣割槍的平面設計圖；產品設計理念需要學生將身份定位為“設計師”。該項目綜合體現“科學探究與化學實驗”“物質的化學變化”學習主題的大概念（化學科學本質、物質的變化與轉化）及核心知識（科學探究的能力、化學反應），涉及“化學與社會·跨學科實踐”學習主題中化學與資源（能源）、化學與材料的有關內容，引導學生認識物質觀、變化觀、能量觀等初中化學概念，促進學生物質與能量、系統與模型、結構與功能等跨學科大概念的形成。［1］

該項目創設真實情境，要求學生主動應用初中化學核心知識，融合物理、美術、語文、通用技術等相關學科知識，同時應用技術工程的方法解決真實問題。在作品的構思、繪制過程中不斷反思調整，提高學生解決問題的能力，激發學生實踐創新意識。

二、項目本體分析

氣割是金屬加工領域一種常見的金屬加工方法，其原理是用可燃氣體與氧氣混合燃燒產生熱量，預熱金屬表面，使預熱處的金屬達到燃燒溫度，然后送入高純度、高速度的切割氧氣流，使金屬（主要是鐵）在氧氣中劇烈燃燒，生成氧化熔渣的同時放出大量熱量，借助這些熱量不斷加熱切口處金屬。金屬受熱燃燒并使熱量迅速傳遞，直到金屬底部；同時借助高速氧氣流的動量把燃燒生成的氧化熔渣吹除，被切金屬與割炬相對移動形成割縫，從而達到切割金屬的目的。

氣割槍（割炬）是氣割所用的主要工具，由燃氣管、氧氣管和割嘴等部分組成，其結構如圖1所示。氣割槍使用的/KvXcBcZ1E942HS3wD2wg+mKaGgAKAe/lo6wlJrqR5g=可燃氣體有乙炔、丙烷或天然氣等，其中乙炔的使用最為常見。氣割槍使用時先擰開乙炔氣開關，并稍擰開氧氣開關，點燃后，調節氧氣的供應量，使氧炔焰成為中性焰。切割時先用氧炔焰把準備切割的某一點燒到紅熱，再擰開高壓純氧氣流開關，使金屬在氧氣流中劇烈燃燒熔化成液體，沖掉，最后將割槍沿著切割線移動以切割金屬。

本項目是燃燒在金屬切割中的應用。金屬切割的化學原理是金屬在燃料燃燒產生的高溫中熔化并達到著火點與高壓氣流中的氧氣反應。本項目旨在通過“解密氣割槍”讓學生明白氣割原理并繪制氣割槍原理圖。

項目任務的完成首先要明確項目的成果，即繪制氣割槍原理圖；其次，知曉自己的角色定位，把項目拆解成以學科本體為主的任務；再次，進行任務解決，根據任務目的，小組合作探究、探討分享、反思修正，獲得結論；最后，展示本組的項目成果。

三、教學設計思路

本項目的教學設計基于真實問題“解密氣割槍”，以項目式教學特有課型：導引課、探究課、展示課，統攝學習任務，具體設計思路如圖2所示，著力體現燃燒反應及其利用、控制變量和對比實驗的實驗方法等核心知識在實際生產中的運用，彰顯化學在人類發展、社會進步方面的重要作用。

四、教學實施過程

1. 導引課

鐵是世界上最常見、最重要的金屬，廣泛應用于生產、生活的各個方面。從原料鋼鐵到各種鐵制品都需要對鋼鐵進行加工。切割、焊接是鋼鐵最為常見的兩種加工方式。

［問題1］金屬焊接和切割的原理分別是什么？

［學生］金屬的焊接是利用電流的熱效應放熱，使焊條和金屬熔融實現焊接；金屬的切割是利用燃料燃燒產生熱量使鐵熔化完成切割。

［設計意圖］引導學生認識鐵加工常見的形式：焊接、切割；認識鋼鐵焊接和切割的原理，了解燃燒在生活、生產中的應用，為項目的開展提供真實情境。

（1）項目分析，角色扮演。

氣割槍是金屬切割時使用的工具，教師引導學生完成項目：解密氣割槍，了解項目框架（見圖3）。

［設計意圖］介紹項目的內容和項目框架，明確項目成果，讓學生對項目具有全局概覽性的認識。以目標為導向，以結果為準繩，讓學生以終為始、以行為知展開項目。

（2）項目拆解，規劃項目。

在項目“解密氣割槍”中，作為產品設計師，首先需要把項目拆解成若干的任務，通過項目任務的完成推動項目目標的達成。

他山之石，可以攻玉。借鑒典型的事例，可以讓學生快速融入角色，巧妙完成項目拆解。例如，你作為產品設計師，要完成“品嘗紅酒的酒杯”的設計任務，你該如何思考？有以下思考角度：首先，思考產品需要具備怎樣的功能才能滿足用戶的需求；其次，思考為了實現產品的功能，你應當具有的知識儲備和能力層次、產品的框架結構和選材用料；最后，繪制出產品的原理圖，完成產品的方案設計。

產品設計師在設計產品時要遵循產品的設計流程，設計的產品符合用戶的需求，讓思維邏輯清晰、條理有序。

［設計意圖］教師通過講解項目拆解的含義，讓學生為項目的拆解做好思想上的準備；借助生活中的產品實例，示范產品設計的思考角度與必備知識，使學生理解項目拆解對項目解決的意義。用思維導圖整理產品設計師的思考流程和環節關系，引導學生有理有序進行項目拆解，使學生形成問題解決的思路，并將思路外顯成具體的步驟。

［問題2］如何拆解項目——解密氣割槍？

［學生1］任務一，研究氣割槍的燃料。任務二，研究氣割槍的布局。任務三，研究氣割槍的噴口。

［學生2］任務一，尋找合適的燃料。任務二，設計可以控制氧氣的裝置。任務三，繪制原理圖。

項目式教學的主題是“解密氣割槍”，學生的身份是“設計師”，產品是“氣割槍原理圖”。最終根據產品功能、知識原理，確定項目任務，拆解流程如圖4所示。

圖4 “解密氣割槍”項目拆解流程圖

［設計意圖］學生分組首先對項目進行分析拆解，其次展示交流，再次反思修正，最后達成共識，歸納出項目任務。項目拆解的方法思路為：角色扮演，分析判斷，提煉歸納，使學生從具體的項目拆解過程中總結項目拆解的一般思路和方法，并將思路外顯成具體的步驟。在項目拆解的過程中，培養學生分析判斷、歸納概括、問題解決的能力。

（3）實驗探究，界定概念。

［問題3］請仔細觀察物質燃燒的現象并歸納燃燒的特征。

［學生］通過觀察木炭、天然氣、酒精在氧氣環境下燃燒的實驗現象，對實驗結果進行歸納，如表1所示。

［問題4］表1從物質和現象的角度對燃燒的特征進行了歸納。請同學們觀察實驗，思考燃燒的概念是否需要修改？

［學生1］并非所有物質都能被點燃，物質應分為可燃物和不可燃物，表1燃燒特征概括中的“物質”應改成可燃物。

［學生2］鎂燃燒的現象為：燃燒劇烈、發白光。與上面的實驗有明顯不同的是，鎂的燃燒沒有火焰，因此并不是所有物質燃燒都會有火焰，但一定都會有發光的現象。表1的燃燒特征概括中“有火焰”描述不當，應該修改。

［學生3］物質燃燒都是可燃物和氧氣的反應，屬于氧化反應，表1燃燒特征概括中應加入反應類型的表述，即燃燒的概念可以歸納為：可燃物與氧氣發生的一種發光、放熱的劇烈氧化反應。

燃燒的概念是從反應物、反應現象、反應種類的角度對其本質性、概括性的總結?？扇嘉锖脱鯕庠谝欢l件反應生成反應物，伴隨著能量變化，發光可用于照明，放熱可應用于烹飪、取暖、切割金屬等。

［問題5］根據燃燒的概念，燃燒的條件是什么？

［學生］燃燒的條件包括：①可燃物；②氧氣；③達到燃燒所需的最低溫度（也叫著火點）。

［設計意圖］讓學生從不同角度認識燃燒現象，歸納概括出燃燒的概念，培養學生基于實驗現象進行證據推理的思維能力；根據事實思考，修正燃燒概念。學生從物質變化、反應條件、反應現象、能量變化等多角度對燃燒形成系統認知，明白燃燒反應的發生需要一定的條件。

2. 探究課

（1）解釋設計，探究燃燒原理。

［演示實驗］探究白磷和紅磷燃燒的條件，實驗裝置如圖5所示。

［資料卡片］著火點是可燃物燃燒所需的最低溫度。一般情況下，白磷的著火點為40℃，紅磷的著火點為240℃。

［問題1］上述實驗是如何證明燃燒所需的條件的？

［小組討論］觀點1：實驗中①處的白磷燃燒，可以證明燃燒需要溫度達到可燃物的著火點。觀點2：實驗中①處的白磷燃燒，②處的紅磷不燃燒，可以證明溫度達到可燃物的著火點是燃燒的條件之一。

［教師］上述兩個觀點哪個能證明燃燒的條件之一是需要溫度達到著火點？請說明理由。

［學生］觀點2能證明。因為只根據實驗中①處白磷燃燒，無法排除溫度未達到著火點，白磷也可能燃燒的情況。通過與實驗②處紅磷燃燒作對比，才能排除這種可能，證明溫度達到著火點是一個必要的條件。

［教師］實驗中②和③作對比，是否也可以證明“燃燒需要溫度達到著火點”？說明你的理由。

［小組討論］觀點1：不可以。因為白磷和紅磷的著火點不同。觀點2：不可以。沒有控制單一變量，實驗③處白磷沒有燃燒可能是因為白磷未接觸氧氣。

［教師］本實驗研究的變量是“溫度達到著火點”，并不是著火點本身。實驗②處溫度未達到紅磷的著火點，③處溫度達到了白磷的著火點，滿足對比實驗中“研究的變量”不同。但是，②③對比，同時還存在另一個變量，即②接觸了氧氣，③未接觸氧氣，這個對比實驗中同時存在兩個變量，因此不滿足單一變量的要求。

［小結］對比實驗研究某一變量時，要控制其他變量（影響因素）相同。

［設計意圖］通過具體的化學實驗探究活動，學習控制變量和對比實驗的實驗設計方法，培養和發展學生在化學學習中基于現象與邏輯進行獨立思考和判斷的能力，認識基于證據進行分析推理及形成結論對科學探究的意義，體會合作與交流在科學探究中的重要作用。

［教師］請同學們回顧小組討論時各自的想法，對照評價量表（見表2）進行自評。

［設計意圖］通過實驗探究，提高學生控制變量和對比實驗法的應用能力；通過“評價量表”展開自評，促使學生進行反思。

（2）應用原理，調控燃燒條件。

實驗用品：小石塊（不可燃）、白磷、氮氣、氧氣、冷水、熱水（80 ℃）。

實驗儀器：試管、燒杯、酒精燈、坩堝鉗、燃燒匙等，其他儀器自選。

［學生］利用上述提供的實驗用品和儀器，以小組為單位設計實驗方案，驗證“燃燒需要可燃物和氧氣”這一結論，具體實驗方案分別如圖6和圖7所示。

［設計意圖］學生通過設計實驗方案進一步學習運用控制變量思想探究燃燒的條件，深入理解燃燒的原理；培養從問題和假設出發，明確探究目標，設計探究方案，獲取證據并分析得出結論的能力。

［資料卡片］①切割鋼板所需溫度一般在1100～1150℃。

②常見氣體燃料燃燒釋放的熱值如表3所示，乙炔和丙烷的燃燒數據如表4所示。

［問題2］從燃燒原理的角度，如何調控燃燒才能實現氣割槍高溫切割的產品功能？

［小組討論］觀點1：利用丙烷調控燃燒，其熱值最高且溫度滿足需求。觀點2：利用乙炔調控燃燒，其火焰溫度最高。

［小組評價］觀點1：上述兩種燃料溫度都能達到1150℃以上，但溫度太高會浪費燃料，只要滿足需求就行。觀點2：乙炔更好，燃燒速度快，火焰溫度高，能迅速達到所需溫度；點火溫度低，更容易點火且安全。

［教師］上述氣體燃料各有其優缺點，根據所切割金屬的需求，常見的氣割槍多選用乙炔作為燃料。確定燃料之后，還可以從哪些方面調控燃燒，使燃料物盡其用？你能想到哪些具體措施？

［學生1］提供充足的氧氣（或空氣），如使用鼓風機、使用純氧（高濃度）、使用多孔的設備等使燃料充分燃燒。

［學生2］增大可燃物與氧氣的接觸面積，如粉碎、攪拌等。

［設計意圖］提高學生提取、分析和加工陌生信息的能力水平，結合實例認識合理利用、調控化學反應的重要性，關注產品需求，認識化學變化在自然界和生產生活中的廣泛存在和重要應用，體會化學反應造福人類的獨特價值。

3. 展示課

通過導引課和探究課的學習，學生重新思考氣割槍的原理是什么，以及氣割槍是如何利用燃燒完成切割的。通過教師提供的純鐵及其氧化物的熔點和燃點（見表5），組內思考、討論，得出“氣割”的本質。

（1）再探原理，解釋本質。

［問題1］熔化的鐵在哪里？

［學生］乙炔燃燒產生的高溫使鐵在氧氣中燃燒，并不是熔化。

［問題2］為什么會觀察到火星四射？

［學生］這是鐵在氧氣中燃燒的現象。

［問題3］割縫是如何形成的？

［學生］乙炔燃燒放熱，將待割金屬加熱，使其溫度達到著火點；噴射切割氧，提供純氧環境，使金屬在氧氣中劇烈燃燒；燃燒生成的熔渣被切割氧吹除，形成割縫。

［問題4］氣割槍的原理是什么？

［學生］“氣割”顧名思義就是有一股強的氣流沖擊完成切割，這里的“強氣流”就是氧氣。

［設計意圖］引導學生掌握氣割槍的氣割原理，探究氣割槍進行切割的三個階段（預熱、燃燒、吹渣）和兩個燃燒反應（乙炔燃燒、鐵燃燒），培養學生基于事實和邏輯進行獨立思考和判斷的能力。

（2）設計繪制，展示成果。

導引課中學生已初步了解如何拆分并設計項目。畫設計圖即畫出氣割槍的各部分結構，結構的設計是為了實現切割功能。因此，在設計圖紙時要滿足切割功能和其他安全、操作等方面的需求。

［問題5］以小組為單位，利用燃燒的條件及其調控的相關知識，結合給定的資料，畫出氣割槍原理設計圖，包括外觀構造和內部氣體流向。根據設計圖闡述如何實現切割功能。

［小組1］我們組設計的氣割槍如圖8所示。首先需要兩個氣箱供應氧氣和乙炔，由兩根導管分別連接在氣割槍上以輸送氣體，其中氧氣是高壓氣體。氣割槍的主體部分設計了兩個開關，其中一個開關控制槍嘴處產生電火花來點燃乙炔氣體提供高溫；另一個則為旋轉開關，用來調節乙炔氣流的大小。氧氣走下面的通道，分開運輸，在槍嘴處混合，并且氧氣氣流可以把熔渣吹除。在槍體的上部我們還設計了一個提手，方便使用。

［評價組1］第一組的設計主功能能部分達到。兩個氣道供應乙炔和氧氣，在槍嘴處混合點燃，可以提供高溫，但是否還有足夠的氧氣來提供純氧環境使鐵燃燒有待討論。此外，第一組設計了自動打火裝置、乙炔調節閥、手柄，提高了安全性和可操作性。

［小組2］本組設計的氣割槍（見圖9）有兩根氣管，上管走氮氣，下管走氧氣和乙炔。氣割槍主體有前握把和后握把，后握把處設計了一個扳機。扳機按力不同可以調節三個檔位。1檔會出少量的氧氣和一定量的乙炔來提供高溫；2檔會出大量氧氣和乙炔，可以一邊維持溫度一邊把熔渣吹走；如果發生危險了按3檔，氧氣和乙炔同時斷氣只出氮氣。本組設計的氣割槍更便于握持和操作且氧氣和乙炔在槍嘴處混合點燃，基于第一組的介紹和啟發，可以在槍嘴處增加一個自動打火裝置。

［評價組2］第二組的設計思路新穎，加入了氮氣的氣路，安全性比較好。但氧氣先經過燃燒再吹渣減弱了力度，是否可另外再增加一條氧氣的氣道？第二組與第一組相比，設計圖標注更加清晰。

［小結］實際生產中正在使用的氣割槍的原理結構如圖10所示。

通過氣瓶來供給乙炔和氧氣，氣瓶出口處都設有減壓閥，乙炔氣瓶出口處還設有防回火裝置，氣瓶與割槍間由長膠管連接。氣割槍主要由氧氣接口、乙炔接口、手柄、乙炔閥、切割氧閥、預熱氧閥、切割氧氣管、混合氣管和割嘴組成。割嘴處的氣體通道有兩條，一條是乙炔和氧氣的混合通道，一條是高壓氧氣通道。切割過程中先打開乙炔閥和預熱氧閥通過乙炔燃燒調節預熱火焰，再打開切割氧閥使鐵在氧氣中劇烈燃燒，通過高壓氧吹除熔渣，從而方便快速切割。

［設計意圖］本活動是本節課的核心內容，也是整個項目的關鍵一環。通過分組繪制氣割槍設計圖和進行組間互評，可以充分調動學生的主觀能動性，發揮想象力，把所學知識運用到生產實際中，激發學生的興趣。通過繪制和講評，不僅可以外顯知識的掌握與運用情況，還鍛煉了學生與他人溝通交流、合作解決問題的能力。

（3）問題解決，運用貫通。

明確了原理和使用后，對氣割槍進行應用。小型的電焊維修部，氣割時氧氣使用較快，更換費時費力。為解決這一問題，工人用氣泵產生的氣壓代替高壓氧進行切割，結果無法切割。

［問題6］用氣泵代替高壓氧無法切割，為什么？

［學生1］空氣不能支持乙炔燃燒。

［學生2］開始時乙炔是可以被點燃的，說明此時滿足燃燒的三個條件。高壓氣打開時，可燃物和氧氣仍存在，但高壓氣流帶走了部分熱量，使溫度降低，未達到可燃物的著火點，所以火焰熄滅了。

［設計意圖］利用工人使用氣割槍時發生的真實問題，引發學生思考。學習化學知識，可以解決與生活相關的真實問題，再次激發了學生學習化學的興趣。開始學生可能認為空氣不能支持乙炔燃燒。通過引導學生回顧燃燒的三個條件，找到關鍵點，即打開氣泵后火焰被吹滅，乙炔無法燃燒，無法提供熱量支持鐵燃燒。

五、教學反思

1. 從過程形似走向思維神似

項目式教學中重要的一環是導引課的項目拆解，對整個項目起著引領和導航的作用。我們需要“審問之”“明辨之”“篤行之”，最大化地體現項目拆解功能和價值，讓學生基于對項目的理解和教師一起進行項目規劃。呈現的范例必須是產品設計的思路過程，反映出產品的功能需求、知識原理、結構材質間的邏輯關系，讓學生可模仿、可借鑒，進而實踐于項目拆解的過程。本項目式教學以“解密氣割槍”為主題，整合人教版化學九年級上冊“燃料及其利用”［2］單元內容，展示產品設計思維過程，為學生進行項目拆解鋪路搭橋，完成了從過程形似走向思維神似，讓學生真正去獲得方法，發展思維。

2. 聚焦核心活動，發揮“評價”功能

“解密氣割槍”探究課的核心任務是能運用控制變量思想，通過實驗探究認識燃燒的條件，同時為實現氣割槍產品功能提供原理支持。在最初的教學設計中，“貪多、焦點不突出”是最大的問題，既想發展學生控制變量的思想，又想引導學生梳理總結科學探究的一般思路，建立“問題—證據—結論”之間的邏輯關系，往往會導致核心任務活動不充分。在探究燃燒的條件過程中，采用“問題驅動—小組討論—小組匯報—教師引導—設計實驗—匯報實驗方案”的活動形式有序展開。勇敢表達、質疑和評價，使每個學生都有表達的機會，促使學生思維外顯。在設計和匯報實驗方案的過程中，實現模型的應用和鞏固，實現學生對“控制變量思想”的思維進階。

3. 突破學習定式，展現學生魅力

氣割槍的原理和使用涉及了很多的知識，需要深入討論，找到關鍵點、較有趣的原理引入點和知識的應用點。本節課最重要的是以學生為主體展開教學：一方面，本節課最成功的一點就是把項目成果的實施過程放到了課堂上來進行，而不僅僅是課上展示，那樣學生會不自覺地放棄思考，直接上網查找資料，完成設計。課下實施、課上展示反而得不到學生靈動的、奇思妙想的、形態各異的氣割槍設計圖。另一方面，本節課將板書進行了調整，由知識的展示改進為思路與邏輯的外顯，讓教師更加明確了這節課要帶領學生完成什么以及如何完成。

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）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022．

［2］王晶，鄭長龍.義務教育教科書 化學 九年級 上冊［M］.北京：人民教育出版社，2012．

*基金項目：本文系北京市教育學會課題“整體設計能力進階促進化學核心素養發展的大單元教學研究”（FTYB-2021-024）的階段性研究成果。