項(xiàng)子妍
摘要:在暖寶寶發(fā)熱原理探析的校本實(shí)踐中,通過(guò)推測(cè)猜想→方案設(shè)計(jì)→實(shí)驗(yàn)探究→數(shù)據(jù)分析→結(jié)果討論,得出暖寶寶發(fā)生鐵的吸氧腐蝕而放熱的結(jié)論,加強(qiáng)了所學(xué)知識(shí)的理解與應(yīng)用,有效突破了教學(xué)難點(diǎn),培養(yǎng)了學(xué)生“實(shí)驗(yàn)探究、創(chuàng)新意識(shí)及模型建構(gòu)”的化學(xué)核心素養(yǎng)。
關(guān)鍵詞:校本課程;暖寶寶;實(shí)驗(yàn)探究;核心素養(yǎng)
文章編號(hào):1008-0546(2018)11-0086-03 中圖分類(lèi)號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.028
一、問(wèn)題提出
“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”是高中化學(xué)核心素養(yǎng)的重要方面 [1],新形勢(shì)下基礎(chǔ)教育尤其要加強(qiáng)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。目前高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法與步驟大多是事先設(shè)置好的,學(xué)生只要按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證即可,缺少探究、創(chuàng)新的過(guò)程,不利于學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。如吸氧腐蝕是高中化學(xué)教學(xué)的難點(diǎn) [2],按課本上的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不僅現(xiàn)象不明顯、占用課堂時(shí)間長(zhǎng),且缺少思考探究的過(guò)程。類(lèi)似問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著我們的教學(xué),而常規(guī)課堂又沒(méi)有充足時(shí)間去解決,為此,我們利用“生活中的化學(xué)”校本課程,對(duì)課堂教學(xué)中的重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行拓展探究,突破教學(xué)難點(diǎn)、培養(yǎng)核心素養(yǎng)。
我?!吧钪械幕瘜W(xué)”校本課程對(duì)常規(guī)課堂教學(xué)進(jìn)行了有益拓展,為學(xué)生提供了自主合作探究的平臺(tái),從貼近生活的身邊物質(zhì)入手,易產(chǎn)生親切感、激發(fā)探究欲。本文以生活中的暖寶寶為例探析其發(fā)熱原理,靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)思考探究、創(chuàng)新設(shè)計(jì),真正培養(yǎng)了學(xué)生探究與創(chuàng)新的能力,并對(duì)實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行了模型建構(gòu),具體闡述如下。
二、認(rèn)識(shí)暖寶寶
暖寶寶最早由日本人發(fā)明,現(xiàn)國(guó)內(nèi)也大量生產(chǎn),如:保暖貼、發(fā)熱貼、取暖片、一貼熱、熱敷貼等,叫法不同但產(chǎn)品大同小異。暖寶寶是一次性取暖用品,撕開(kāi)外袋即可發(fā)熱,可保持8-18小時(shí)左右,安全舒適,是冬季戶(hù)外活動(dòng)的必備用品。隨著生活水平的提高,暖寶寶已廣泛應(yīng)用到人們的日常生活中,可防止肌肉過(guò)冷緊張、手部?jī)鰝?,緩解腰痛、腿痛、肩痛和其他生理病痛,預(yù)防感冒等。
從圖1產(chǎn)品說(shuō)明可知暖寶寶的主要成分是:鐵粉、水、活性碳、蛭石、吸水性樹(shù)脂、食鹽等。其中蛭石是一種鐵鎂質(zhì)鋁硅酸鹽礦物,成分為Mg0.5(H2O)4Mg3(OH)2,因加熱時(shí)能迅速膨脹,彎曲呈水蛭狀而得名,是首屈一指的超級(jí)保溫材料,它還將活性炭、鐵粉分散開(kāi)來(lái),避免暖寶寶中的填充物發(fā)熱太快而灼傷皮膚。
三、發(fā)熱原理探究
陣陣寒潮襲來(lái),暖寶寶一貼即熱,方便易帶,成為不少愛(ài)美人士的生活必備,那么大家有沒(méi)有想過(guò)暖寶寶的發(fā)熱原理是什么呢?下面對(duì)其發(fā)熱原理進(jìn)行探究。
1.原理推測(cè)
剪開(kāi)暖寶寶的無(wú)紡布袋,發(fā)現(xiàn)使用前內(nèi)容物是灰黑色固體,而使用后變成紅棕色的鐵銹,前后對(duì)比如圖2所示。那么鐵銹是如何形成的?鐵、活性炭、鹽和水又有什么作用呢?根據(jù)原料組成及原電池原理的知識(shí),經(jīng)分析初步推測(cè)暖寶寶工作時(shí)發(fā)生了鐵的吸氧腐蝕,F(xiàn)e是負(fù)極,C是正極,NaCl與水形成電解質(zhì)溶液,在氧氣參與下發(fā)生了原電池反應(yīng)而放熱。有了初步的推測(cè)猜想,接下來(lái)就要通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究來(lái)判斷猜測(cè)是否正確。
2.探究方案設(shè)計(jì)
首先開(kāi)動(dòng)腦筋、思考分析,應(yīng)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)探究方案,并充分論證方案的科學(xué)性、可行性,確保探究結(jié)果可靠、有說(shuō)服力。綜合考慮校本課程的實(shí)驗(yàn)條件,最后探究方案設(shè)計(jì)如下:實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示,右端玻璃管插入品紅溶液,根據(jù)導(dǎo)管內(nèi)液柱的變化來(lái)判斷體系壓強(qiáng)的變化;用溫度計(jì)測(cè)量暖寶寶工作時(shí)的溫度變化;一段時(shí)間后用水淋洗袋內(nèi)物質(zhì),再用pH試紙檢測(cè)淋洗液的酸堿性;根據(jù)密閉體系中暖寶寶工作時(shí)溫度、壓強(qiáng)及pH的變化分析其工作原理。實(shí)驗(yàn)儀器與藥品有吸濾瓶、溫度計(jì)、單孔橡皮塞、玻璃導(dǎo)管、止水夾、乳膠管、暖寶寶、pH試紙等,都是實(shí)驗(yàn)室的常見(jiàn)用品,簡(jiǎn)單易得,就地取材,便于探究實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。
3.步驟與現(xiàn)象
按設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案,開(kāi)始探究暖寶寶發(fā)熱原理,具體步驟及現(xiàn)象如下:
(1)按圖3組裝儀器,檢查裝置的氣密性,觀察溫度計(jì),記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫為16℃。
(2)拆開(kāi)暖寶寶的包裝袋,撕下外面的一層貼膜,再把它包裹在溫度計(jì)周?chē)?,讓其粘貼在溫度計(jì)上,然后把包裹有暖寶寶的溫度計(jì)插入吸濾瓶,仔細(xì)觀察現(xiàn)象。
(3)可以看到玻璃管中的品紅液面不斷上升,當(dāng)液柱快接近頂端時(shí),用止水夾夾緊乳膠管,防止液體倒流入吸濾瓶。
(4)同時(shí)觀察溫度計(jì)的變化,發(fā)現(xiàn)酒精溫度計(jì)的紅色液柱也在不斷上升,幾分鐘后溫度即達(dá)到40多度,比室溫高出許多。
(5)一段時(shí)間后取出暖寶寶,用裝有蒸餾水的針筒向反應(yīng)后的暖寶寶內(nèi)部注水,淋洗反應(yīng)后的物質(zhì),并用pH試紙檢測(cè)淋洗液的酸堿性,測(cè)得pH約為9。
4.結(jié)論
上述玻璃導(dǎo)管內(nèi)品紅液面不斷上升表明體系壓強(qiáng)不斷減小,溫度計(jì)測(cè)得暖寶寶溫度在不斷升高,說(shuō)明暖寶寶工作時(shí)消耗了氧氣并放出熱量,淋洗液的pH約為9則表明反應(yīng)生成了堿性物質(zhì)。綜合分析上述探究結(jié)果,可得出暖寶寶發(fā)生了鐵的吸氧腐蝕而放熱,F(xiàn)e、C、NaCl溶液構(gòu)成無(wú)數(shù)微小的原電池,加快耗氧速率而相對(duì)較快放熱,反應(yīng)原理如下:
四、問(wèn)題與討論
1.氣壓減小一定是氧氣參與了反應(yīng)嗎?
液柱上升表明瓶?jī)?nèi)氣壓變小,但不能證明一定是氧氣參與了反應(yīng),也可能是空氣中氮?dú)狻⒍趸?、水蒸氣參與了反應(yīng)。為此,我們采用純氧代替空氣做了對(duì)比實(shí)驗(yàn),排除了空氣中其他氣體的干擾,數(shù)據(jù)對(duì)比如表1。
結(jié)果表明,用純氧代替空氣,液柱上升更快,短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生明顯現(xiàn)象,即鐵的腐蝕速率加快。因排除了其他氣體的干擾,對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明氧氣確實(shí)參與了電極反應(yīng),且氧氣濃度越大耗氧放熱速率越快。
2.暖寶寶為何能可控持久地發(fā)熱?
暖寶寶發(fā)熱一般能持續(xù)10小時(shí)左右,它是如何做到恒定持久發(fā)熱的?原來(lái)暖寶寶在制作時(shí),為了使溫度持續(xù)更長(zhǎng),使用了礦物材料蛭石來(lái)保溫,且產(chǎn)品內(nèi)袋由原料層、無(wú)紡布袋和明膠層組成,其中無(wú)紡布袋是用微孔透氣膜制作的。產(chǎn)品在使用前真空包裝,去掉外袋后氧氣通過(guò)透氣膜進(jìn)入,利用原電池反應(yīng)加快氧化速度而明顯放熱,放熱的時(shí)間和溫度就是由透氣膜的透氧速率進(jìn)行控制的。如果透氧速率太快,熱量很快就放掉了,可能燙傷皮膚,如果透氧速率太慢,就沒(méi)有什么溫度了,達(dá)不到保暖的目的,故產(chǎn)品質(zhì)量與透氣膜的透氧速率密切相關(guān)。
3.暖寶寶貯存與使用注意事項(xiàng)
理論來(lái)自于實(shí)踐,反過(guò)來(lái)又指導(dǎo)實(shí)踐,懂得了暖寶寶的發(fā)熱原理,就知道如何正確貯存和使用。鐵的吸氧腐蝕需要氧氣、氯化鈉水溶液的參與,故暖寶寶要在密封、干燥、陰涼的環(huán)境中貯存,防止氧氣、水及環(huán)境溫度的影響而加快反應(yīng)速率。通過(guò)發(fā)熱原理的探析,我們也懂得了使用的注意事項(xiàng):①避免真空塑料包裝袋損傷或破壞,否則產(chǎn)品會(huì)失效;②不宜在較潮濕的環(huán)境中使用,否則加速氧化放熱而造成燙傷;③貼于內(nèi)衣的外側(cè),不要直接貼于人體皮膚上,晚上睡覺(jué)時(shí)不宜使用,防止低溫燙傷;④孕婦、嬰兒、糖尿病和血液循環(huán)障礙者、皮膚熱敏感度低者慎用等。可見(jiàn),只有真正懂得了科學(xué)原理,才能做到學(xué)以致用,避免使用不當(dāng)而影響安全與健康。
五、實(shí)踐反思
高中教材中的實(shí)驗(yàn)大多是事先設(shè)計(jì)好的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),學(xué)生思考探究的成分不多,不能真正培養(yǎng)學(xué)生探究與創(chuàng)新的能力,“生活中的化學(xué)”校本課程能有效彌補(bǔ)這一不足。暖寶寶發(fā)熱原理探析的校本實(shí)踐,思路清晰、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、層層推進(jìn)、說(shuō)服力強(qiáng),符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和思維發(fā)展過(guò)程,是真正意義的實(shí)驗(yàn)探究。從問(wèn)題提出到實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì),充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的思維潛能和創(chuàng)造力,提高了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,有利于學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)、探究能力、創(chuàng)新意識(shí)的養(yǎng)成,符合當(dāng)前新課改倡導(dǎo)的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。同時(shí)在實(shí)踐中建構(gòu)了實(shí)驗(yàn)探究模型:?jiǎn)栴}提出→推測(cè)猜想→方案設(shè)計(jì)→實(shí)驗(yàn)探究→數(shù)據(jù)分析→結(jié)果討論,對(duì)學(xué)生今后實(shí)驗(yàn)探究的開(kāi)展具有一定的指導(dǎo)意義。
在注重“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”培養(yǎng)的同時(shí),也不失時(shí)機(jī)地滲透辯證思想。生活中鐵的吸氧腐蝕給人類(lèi)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失,但我們要辯證地看待這一問(wèn)題,利用人類(lèi)的知識(shí)和智慧探究事物本質(zhì),轉(zhuǎn)化矛盾、趨利避害,暖寶寶就是利用鐵吸氧腐蝕、變害為利的典型生活案例。
“生活中的化學(xué)”校本實(shí)踐,是從身邊熟悉的事物入手,利用校本時(shí)間和實(shí)驗(yàn)室資源,對(duì)課堂中的重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行探究,是常規(guī)課堂的有益拓展。校本課程有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),可直接在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,方便實(shí)驗(yàn)器材的獲取和靈活機(jī)動(dòng)的探究,為自主探究、自由創(chuàng)新提供了更多的時(shí)間與空間,更有利于學(xué)生創(chuàng)新潛能的發(fā)揮。新課改背景下校本課程的開(kāi)展為學(xué)生提供了合作探究的平臺(tái),有利于實(shí)現(xiàn)學(xué)生個(gè)性化特長(zhǎng)發(fā)展,在核心素養(yǎng)培養(yǎng)方面必將發(fā)揮重要的作用。
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