李周平 龐立霞

摘要：鋁粉是一種能量密度高、且經(jīng)濟耐用的金屬粉末。鋁粉和水反應(yīng)放出大量的熱，已在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛應(yīng)用。通過主題式實驗教學探究自煮火鍋加熱包的工作原理，讓學生在質(zhì)疑、探究、生成中學習化學反應(yīng)能量變化；探究相關(guān)物質(zhì)在加熱包中的作用；感受人類對化學反應(yīng)釋放的能量的利用。

關(guān)鍵詞：主題式教學；實驗探究；能量變化；鋁；氧化鈣；氫氧化鈉；碳酸鈉；放熱反應(yīng)

文章編號：1008-0546（2021）11-0088-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.022

一、問題提出

從20世紀40年代起，科學家就進行了鋁與水反應(yīng)的相關(guān)研究[1]。目前，該反應(yīng)已被應(yīng)用于魚雷超空泡、水下推進系統(tǒng)以及新能源的制備等。近幾年，隨著消費水平的不斷提升和生活節(jié)奏的加快，如今的自熱食品衍生出了自熱米飯、自熱火鍋、自熱粉絲、自熱面條、自熱螺螄粉、自熱冒菜等多個品類。自熱火鍋是近年流行的網(wǎng)紅食品，大多數(shù)自發(fā)熱包是利用物質(zhì)與水發(fā)生化學反應(yīng)時釋放大量能量，為自煮食物加熱。發(fā)熱包是自熱食品能夠達到自熱條件物品之一，查閱相關(guān)的文獻[2]，綜合比較幾種與水反應(yīng)的金屬密度、能量密度，發(fā)現(xiàn)鋁是最好的燃料，而且鋁既實用又便宜。對加熱包的加熱原理開展科學探究既有實用價值，又能訓練科學探究的思維方法。本文以探究自煮火鍋加熱包為載體，以現(xiàn)實的主題式問題誘發(fā)學生去探究思考，激發(fā)和滿足學生的認知非認知發(fā)展需求，將師生互動、協(xié)商、交流、合作、對話的教學落到了實處，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)[3]。

二、探究流程

見表1。

三、探究過程：

環(huán)節(jié)一：情境導入

師：展示自加熱火鍋，并用自加熱包煮火鍋。

生：觀看討論，產(chǎn)生興趣。

師：你知道自熱包加熱的原理嗎？根據(jù)你的生活經(jīng)驗和所學的化學知識，你認為自熱包中放的是哪些物質(zhì)嗎？

生：生石灰，氫氧化鈉水溶液的反應(yīng)。

師：展示自熱包的主要成分：鋁粉、氧化鈣、碳酸鈉、氫氧化鈉（少量）

設(shè)計意圖：通過創(chuàng)設(shè)真實情境，激發(fā)生成問題，開展有效活動，引導學生在知識應(yīng)用中加深對知識的理解，促進知識重構(gòu)和認識轉(zhuǎn)變，力求實現(xiàn)從虛擬走向真實，從學科走向?qū)W生，從經(jīng)驗走向科學，從教學走向教育[4]。讓學生用生活的眼光學化學，能激發(fā)學生的學習興趣，讓學生感受化學在社會發(fā)展中的重要作用。

環(huán)節(jié)二：探究CaO的作用

學生實驗：在錐形瓶中加入4g研磨好的CaO和8mLH2O，用溫度傳感器測出反應(yīng)放出的熱量。

師：通過CaO和H2O反應(yīng)釋放的熱量，能否把火鍋煮沸。

生：不能，因為該過程中最高溫度為64.4℃，并且高溫持續(xù)時間短，因此不能把火鍋煮沸。

師：多媒體展示資料卡片

師：根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，哪一種金屬與水反應(yīng)單位體積產(chǎn)生的能量最大。

生：單位體積的鋁與水反應(yīng)放出的能量最大。

師：鋁與水反應(yīng)用于水下推進劑，是超高速魚雷動力推進系統(tǒng)的最佳能源選擇。

設(shè)計意圖：讓學生在實驗中體會CaO和H2O反應(yīng)雖然是放熱反應(yīng)，但是放出的熱量較少，并且高溫時間短，不能為自熱包提供較多熱量，從而推動學生的思維，激發(fā)學生的探究意識。通過多媒體展示幾種金屬與水反應(yīng)的能量密度，打破了認為鋁和H2O不能反應(yīng)的錯誤認識。將“情境”“活動”“問題”“知識”“認知”有效地整合，學生在既熟悉又陌生的情境中，體驗探究、反思經(jīng)驗，培養(yǎng)深度學習能力，落實學科核心素養(yǎng)[6]。

環(huán)節(jié)三：探究Al粉的作用

學生實驗：在錐形瓶中加入4gAl和8mLH2O，用溫度傳感器測出反應(yīng)放出的熱量。

師：鋁加到水中，為什么溫度幾乎沒有變化，這是為什么呢？

生：因為在鋁的表面有一層氧化膜，阻止了鋁與水的反應(yīng)。

師：怎么除去鋁表面的氧化膜呢？

生：用鹽酸或氫氧化鈉等強酸或強堿。

師：如果除去自加熱包中鋁粉表面的氧化膜用酸還是用堿好呢？

生：用強堿，可用氫氧化鈉或氧化鈣與水反應(yīng)的產(chǎn)物氫氧化鈣除去鋁表面的氧化膜。

設(shè)計意圖：讓理論和實驗發(fā)生沖突，再一次激發(fā)學生的思維和探究精神。讓學生在活動中認識探究、體驗探究、學會探究[7]。

環(huán)節(jié)四：探究NaOH的作用

學生實驗：分別取4g鋁粉和等質(zhì)量的氫氧化鈉、氧化鈣研磨，將研磨好的混合物放到兩個錐形瓶中，在錐形瓶中加入水，用溫度傳感器測出反應(yīng)放出的熱量，觀察實驗現(xiàn)象。

生：有氫氧化鈉的錐形瓶中加入水立即產(chǎn)生大量的氣泡，反應(yīng)劇烈，放出大量的熱。有氧化鈣的錐形瓶中加入水開始沒有明顯的變化，3分鐘后，開始出現(xiàn)了緩慢反應(yīng)。

師：根據(jù)實驗現(xiàn)象，加熱包中的氫氧化鈉的作用是什么呢？

生：除去鋁粉表面的氧化膜，引發(fā)反應(yīng)；反應(yīng)開始后，氫氧化鈉的作用又是除去鋁與水反應(yīng)后附著在鋁表面的氫氧化鋁。

師：是否可以在加熱包中添加大量的氫氧化鈉呢？

生：因為鋁與氫氧化鈉反應(yīng)非常劇烈，反應(yīng)難以控制；由于氫氧化鈉易潮解，且有強的腐蝕性。

師：多媒體展示資料卡片

原料價格：Na2CO3：2000元/噸CaO：2800元/噸NaOH 3000元/噸

為什么加熱包只加少量的NaOH，其作用是什么？根據(jù)原料的價格如何才能降低成本呢？

生：少量的NaOH的作用是為了快速除去鋁表面的氧化膜；用Na2CO3和CaO反應(yīng)生成NaOH，即能降低反應(yīng)的速率，又能降低反應(yīng)的成本。

設(shè)計意圖：通過實驗探究體會NaOH在自熱包中的作用是除去鋁表面的氧化膜，從而引發(fā)鋁與水的反應(yīng)。又通過問題為什么只加入少量的NaOH？使學生進行深度思考，通過對比三種原料的價格，得到用Na2CO3和CaO制備NaOH，比直接使用NaOH更廉價，加入Na2CO3和CaO的作用是為了產(chǎn)生NaOH。將原教材知識內(nèi)容進行主題式的情境創(chuàng)設(shè)，通過實驗探究、解決問題過程中的知識應(yīng)用，實現(xiàn)對主題知識的網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)[8]。

環(huán)節(jié)五：探究Na2CO3的作用

學生實驗：在一個錐形瓶中加入1gCaO、2g Na2CO3和1gAl粉再加入8mL H2O，在另一個錐形瓶中加入2gCaO和2gAl粉再加入8mL H2O。用溫度傳感器測出反應(yīng)放出的熱量。

師：以上兩個實驗現(xiàn)象有何異同？你認為哪個反應(yīng)更適合于自加熱包？

生：兩個反應(yīng)的高溫溫度基本都在95℃，加入Na2CO3時高溫持續(xù)的時間比較長，因此加Na2CO3更適合自加熱包中的反應(yīng)。

師：Na2CO3在此過程中的作用是什么？

生：Na2CO3與CaO的水溶液反應(yīng)生成NaOH使反應(yīng)比較緩和，能逐步產(chǎn)生NaOH，有效控制反應(yīng)速率，可使高溫持久。

設(shè)計意圖：通過對比分析兩組實驗現(xiàn)象的異同，使學生在實驗探究中得到加入Na2CO3的作用。通過真實問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展多種探究活動，能促進學生學習方式的轉(zhuǎn)變。這與新課程標準的基本理念“重視探究教學”“素養(yǎng)為本”是相契合的[9]。

環(huán)節(jié)六：歸納總結(jié)，優(yōu)化方案

師：①通過以上實驗的探究，你認為自加熱包中的成分在加熱包工作時起到什么作用？

②使用加熱包需要注意什么？

③你期待著什么的自加熱包出現(xiàn)？

生1：加熱包中的供能物質(zhì)是CaO、水和Al粉，Al粉是主要的供能物質(zhì)；Na2CO3的作用是和Ca（OH）2反應(yīng)生成NaOH，使高溫持續(xù)時間較長。加熱包中少量NaOH的作用是，除去Al粉表面的氧化膜，引發(fā)反應(yīng)。

生2：加水不能太少也不能太多，嚴格按照水位線加水；防止液體飛濺；保證透氣孔暢通，防止飲盒內(nèi)壓強過大。

生3：我期待沒有強腐蝕性的自熱包出現(xiàn)；能產(chǎn)生大量的熱，不產(chǎn)生氫氣。

生4：能夠循環(huán)利用的加熱包出現(xiàn)。

設(shè)計意圖：通過實驗探究培養(yǎng)學生“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學精神與社會責任”，讓學生在實驗探究中能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題，讓學生體會化學對社會發(fā)展的重大貢獻，具有可持續(xù)發(fā)展意識和綠色化學觀念，能對與化學有關(guān)的社會熱點問題做出正確的價值判斷。

四、反思

主題式教學是以某個主題為中心，是對教學主體的辯證統(tǒng)一和“教程”與“學程”的整合；使課堂教學從“有限封閉”向“無限開放”的轉(zhuǎn)化；是融靜態(tài)性與動態(tài)性于一體的、充分彰顯教師與學生主體性的整體性教學[10]?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》強調(diào)重視“素養(yǎng)為本”的教學模式，發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)，這無疑對當代化學教育工作者提出了新要求——選取適切教學模式進行“素養(yǎng)為本”的課堂教學與實踐。主題式教學是一種以“學生學習興趣”為出發(fā)點，圍繞“某一鮮明主題”進行核心知識、資源整合的教學模式，能夠為跨越學科領(lǐng)域的知識建構(gòu)與學習提供可能，也能夠滿足學生個性化、多樣化的學習需求[11]。

化學是一門綜合性、實踐性較強的課程，必須堅持“學思結(jié)合、知行統(tǒng)一”的教育理念[12]。主題式教學中具有推進課程整合、提升思維能力、促進自主發(fā)展的作用。近年來，核心素養(yǎng)導向的高考命題凸顯真實復(fù)雜情境下的任務(wù)驅(qū)動。通過對自熱火鍋構(gòu)建主題式教學模式，扎實推進化學教學改革，促進學生形成快樂學習、善于思考、篤于踐行的良好習慣，從而全面提升學生化學綜合素養(yǎng)。主題式教學的課堂圍繞教學主題展開，通過真實問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展多種探究活動，能促進學生學習方式的轉(zhuǎn)變。這與新課程標準的基本理念“重視探究教學”“素養(yǎng)為本”是相契合的。為實現(xiàn)有效教學，教師可以將主題作為課堂教學的靈魂，以學生的發(fā)展為目的，設(shè)計實效化的教學環(huán)節(jié)，豐富課堂教學的內(nèi)涵[13]。

主題式實驗探究以課標為依據(jù)，以實驗為載體，對教材中原有實驗的主題再設(shè)計，能對高中化學學科進行高效復(fù)習。把實驗進行合理的歸類、主題式組合，既避免原實驗的簡單重復(fù)，又將實驗及相關(guān)知識進一步系統(tǒng)化。通過主題式教學的探究有助于學生對知識的網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)。主題式教學的視野和意義遠大于專題式教學，教師應(yīng)加以重視。

參考文獻

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