胡珺晶 張澤 尤菲

摘要：分析了“反應熱的測量與計算”實際教學中存在的3個問題：重理論輕實踐，實驗教學環(huán)節(jié)的展開不充分，難以凸顯學生的主體作用;單一、純粹的知識性教學大多呈碎片化，內在邏輯性不強，難以凸顯科學知識的意義及價值;簡化的數(shù)據(jù)分析、重復的數(shù)字計算，難以讓學生的創(chuàng)新思維得以培養(yǎng)。提出創(chuàng)設主題式情境進行實驗教學，以期凸顯學生的主體作用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。呈現(xiàn)了“反應熱的測量與計算”的教學實錄，包括“選”薯片、“吃”薯片、“用”薯片等3個環(huán)節(jié)。通過本節(jié)課學生的學習表現(xiàn)分析了教學效果、存在的問題及教學改進的方向。

關鍵詞：反應熱的測量;主題式;創(chuàng)新思維;教學實錄

文章編號：1008-0546（2021）02-0083-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.021

“科學探究與創(chuàng)新意識”是化學學科的核心素養(yǎng)之一。高中化學實驗教學是培養(yǎng)該素養(yǎng)的重要平臺。而“反應熱的測量”作為高中化學實驗教學的重要內容，卻往往在“反應熱的測量與計算”這課時教學設計中被弱化。筆者擬通過創(chuàng)設主題式情境進行實驗教學初探，以期凸顯學生的主體作用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

一、教學主題內容及教學現(xiàn)狀分析

本節(jié)課的內容是高中化學蘇教版選修教材《化學反應原理》專題1“化學反應與能量變化”第一單元“化學反應中的熱效應”第2課時“反應熱的測量與計算”。

本課時的主要內容包括：（1）介紹常見的獲得化學反應熱數(shù)據(jù)的方法;（2）以“中和熱”的測定為例，讓學生了解反應熱測量的實驗原理、實驗裝置、實驗步驟等;（3）運用蓋斯定律進行計算。

在檢索到的教學設計中的教學思路具有如下共性：一方面，弱化反應熱測量的實驗教學，單一強調可能引起中和熱測量誤差的可能原因。另一方面，強化運用蓋斯定律計算，著重凸顯數(shù)據(jù)分析與計算。引導學生學會從多個繁雜的熱化學方程式中，理清其之間的關系，結合各種數(shù)據(jù)計算，再運用類比、歸納等方法小結出此類試題的解題策略，借此培養(yǎng)學生獲取及加工有效信息的能力。

存在3個問題值得關注：（1）重理論輕實踐，實驗教學環(huán)節(jié)的展開不充分，難以凸顯學生的主體作用;（2）單一、純粹的知識性教學大多呈碎片化，內在邏輯性不強，難以凸顯科學知識的意義及價值，難以養(yǎng)成學生良好的思維習慣，難以提升學生優(yōu)良的思維品質;（3）簡化的數(shù)據(jù)分析、重復的數(shù)字計算，難以讓學生體驗科學探究的過程，難以讓學生體會科學研究的復雜性，難以讓學生的創(chuàng)新思維得以培養(yǎng)。

二、教學思想與創(chuàng)新點

（1）筆者經(jīng)“中國知網(wǎng)”進行文獻檢索并結合生活經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，“反應熱的測量”在工業(yè)生產(chǎn)上及日常生活中應用廣泛。將與之相關的部分文獻進行梳理（見表1），遴選合適的富有教育教學意義的素材，結合學生生活中熟悉的食品和話題創(chuàng)設主題式實驗教學情境以期重建教學內容呈現(xiàn)的順序、方式和側重點，從而將零散的知識融合一體，增強其內在邏輯性、關聯(lián)度，體現(xiàn)化學學科知識或思想的發(fā)展內涵。

（2）古語有云：“吾聽吾忘，吾見吾記，吾做吾悟”。蒙臺梭利也曾說過：“我聽過，我就忘了;我看見，我就記得;我做過，我就理解?！边@都說明親身體驗的重要性?；瘜W實驗的過程恰恰為學生提供了體驗學習的可能性。同時，實驗是化學學科的重要組成部分，其不僅是學生獲取科學知識、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、鍛煉實踐能力的主要方式，也是提升學生核心素養(yǎng)的重要途徑。

在主題式實驗教學中，創(chuàng)設實驗情境、設置任務驅動、優(yōu)化實驗方案、規(guī)范實驗意識。通過學生設計實驗、動手實驗、觀察實驗、改進實驗等環(huán)節(jié)來增強學生的親身體驗，最大限度地讓學生在自主探索中完成探究能力與創(chuàng)新意識的提升，發(fā)展學生的化學思維。

三、教學目標

（1）通過閱讀資料卡，初步認識到“反應熱的測量”在日常生活及化工生產(chǎn)中的廣泛應用，提高對熱化學方程式內涵的認識，理解熱量、熱值與燃燒熱之間的關系。加深對科學本質的認識，感悟化學的學科價值。

（2）通過測量薯片燃燒熱的實驗，理解測量反應熱的基本原理，初步學會反應熱測量的實驗方法。知道定量實驗研究對化學發(fā)展的重要作用。

（3）通過對實驗誤差的分析與實驗數(shù)據(jù)的處理，加深理解蓋斯定律產(chǎn)生的意義，進一步認識到實驗研究與理論形成之間的關系。

（4）通過設計實驗、分組實驗、改進實驗等環(huán)節(jié)，加深學習體驗，規(guī)范實驗意識，提升探究能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，形成科學精神。

四、教學流程

本節(jié)課設置問題驅動，創(chuàng)設以“薯片燃燒”為明線的主題式教學情境，分別以三個環(huán)節(jié)展開教學，教學流程如表2所示。

五、教學實錄

[環(huán)節(jié)一]選”薯片

[師]展示圖片--超市一角，在貨物架上擺放各式薯片。

[師]同學們平時吃過薯片嗎？你們知道超市里賣的薯片都有哪些品牌么？你們經(jīng)常會選擇哪一種？為什么？

[生]樂事。味道好。

[師]有沒有同學不吃薯片？為什么？

[生]吃薯片會變胖。薯片是垃圾食品。

[PPT]在眾多薯片品牌中，我們選擇哪一種會更好？吃薯片真的會胖嗎？薯片是垃圾食品嗎？

[師]實物展示：樂事、可比克的薯片。提問：以咱們常買的兩種品牌薯片為例，我們選哪種呢？

[PPT]提供資料卡：滋補類食品富含眾多營養(yǎng)元素，能供給身體較多營養(yǎng)成分，對人體健康起重要作用。食品的熱值因其化學組成、有機成分含量、種類等的不同而有所差異。食物進入機體后會發(fā)生化學物質能量釋放過程，熱值高的物質中化學物質總含量較高。食品的能量價值在一定程度上能從熱值上反映出來，燃燒熱值常用于衡量營養(yǎng)膳食能量的大小，也作為衡量食品品質的一個重要物理科學數(shù)據(jù)。

[師]讀完資料卡，你能獲取的關鍵信息是什么？

[生]燃燒熱值是作為衡量食品品質的一個重要物理科學數(shù)據(jù)。

[師]那大家能不能設計一組實驗，讓食品“品質”顯性化呢？

[生]交流討論、匯報實驗方案。

[生]實物投影：實驗裝置圖（見圖1）。

[師]請同學們開始實驗，并及時記錄實驗現(xiàn)象。

[生]分組實驗，匯報現(xiàn)象，得出結論：通過剛才的實驗，我們發(fā)現(xiàn)，如果從燃燒產(chǎn)生的熱效應來看食品品質的話，我們可以選擇購買“樂事”。

設計意圖：（1）還原真實的生活場景，取材學生日常熟悉的零食，結合直觀明了的資料卡信息，讓學生迅速融入課堂，輕易即可建立起反應熱測量與薯片燃燒之間淺顯聯(lián)系的橋梁。（2）實驗操作簡單且成功率高，讓學生獲得成功的體驗，調動了學生積極參與課堂的情緒，為后續(xù)實驗教學的展開奠定基礎。

[環(huán)節(jié)二]“吃”薯片

[師]提問：“薯片是垃圾食品嗎？吃薯片會變胖嗎？”

[PPT]資料卡：什么是熱量？人體每時每刻都在消耗能量。這些能量是由食物中的產(chǎn)熱營養(yǎng)素提供的。食物中能產(chǎn)生熱量的營養(yǎng)素有蛋白質、脂肪和碳水化合物。它們經(jīng)過氧化產(chǎn)生熱量，供身體維持生命、生長發(fā)育和運動。

生物氧化是指有機物質在生物體細胞內氧化分解產(chǎn)生二氧化碳、水，并釋放出大量能量的過程，主要為機體提供可利用的能量。生物氧化和有機物質體外燃燒在化學本質上是相同的，遵循氧化還原反應的一般規(guī)律，所耗的氧量、最終產(chǎn)物和釋放的能量均相同。因此，采用燃燒薯片的方法測定其熱量。

熱值指某種燃料完全燃燒放出的熱量與其質量之比，是一種物質特定的性質，即不同燃料在燃燒過程中化學能轉化為內能的本領大小。在食品化學中，熱值是表示食物能量的指標，指1g食物在體內氧化時所放出的熱量。

[PPT]教材9頁，介紹標準燃燒熱與熱值的概念。

[PPT]測定原理：將待測樣品放人測熱器燃燒室中完全燃燒，并用水吸收釋放的全部熱量而使水溫升高，在常溫常壓下，每1g水升高1℃需吸收4.184J熱量，記錄水的質量和水溫的變化，就可以計算出樣品釋放的能量。此外，要用酒精燃燒做對比實驗。固體燃料完全燃燒釋放的熱量的計算公式是：Q放=mq，式中Q放表示熱量（J），q表示熱值（J/kg），m表示固體燃料的質量（kg），有q=Q放/m（固體）;熱能計算公式是：Q=c·△t·m，式中C是比熱容，m是質量，△t是溫度差。

[師]請大家討論，依據(jù)所給的幾段資料，以及桌上的實驗器材，可以設計怎樣的實驗？實驗過程中，需要測量哪些物理量？大家可以邊討論邊嘗試繪制觀察量表，以便于實驗過程中，記錄數(shù)據(jù)。

[生]分組討論選擇裝置（見圖2），設計實驗數(shù)據(jù)采集量表（見表3），同時達成共識，本實驗取用50mL水，進行分組實驗。

[師]實驗數(shù)據(jù)如何處理？

[PPr]提供參考數(shù)據(jù)C=4.2x10³J·（kg·℃）。q酒精=2.9×10⁴kJ/kg;q碳=3.0×10⁴kJ/kg（摘自百度百科）。

[生]計算。匯報：實驗一組計算結果為樂事薯片每30g的熱量的標準值為684kj，故誤差為56%。實驗二組計算結果為樂事薯片每30g的熱量的標準值為68410，故誤差為52%。

[師]展示樂事薯片配料表。提問：對比配料表，實驗結果出現(xiàn)了誤差。請大家分析討論，形成誤差的原因可能是什么？

[生]裝置熱損失太大;燃燒不充分;溫度計讀數(shù)各人有誤差;薯片初始質量太小;這種測量方法是基于食物完全氧化釋放出的能量。由于食物中的能量營養(yǎng)素很多，不會被全部吸收，且消化率也各不相同，因此，消化吸收后在體內也不一定完全被氧化分解釋放能量。

[師]能否在此基礎上做改進呢？

[生]需要特殊材料減少熱散失。

[師]展示圖片淘寶上售賣的酚醛保溫板。

[生]減小裝置敞口范圍。聯(lián)想到以前的煤爐燒水--改進裝置（見圖3）。

[師]展示課前改用3片薯片DIS實驗圖（見圖4、圖5）。計算結果：Q薯片=q薯片×m標準值=642kJ

實驗誤差=6.1%，說明確實誤差減小了，但是，還有沒有更精確的測量儀器呢？

[PPT]資料卡：恒溫氧彈式量熱計。

[師]是不是所有物質的燃燒熱都可以用氧彈計測量得到呢？以碳生成CO為例。

[生]不可以。

[師]為什么？怎么辦？

[生]閱讀教材，了解蓋斯定律，完成教材7頁例題。

設計意圖：（1）教師為學生設置的分組實驗任務，讓學生在任務驅動下發(fā)揮主觀能動性，選擇裝置、動手實驗、分析數(shù)據(jù)、改進實驗，從而有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，強化證據(jù)意識，提升分析推理能力。（2）測量“薯片”燃燒熱的主線清晰，知識間邏輯性強，借助改進實驗引出量熱計，繼而讓“蓋斯定律”自然而然融入到學生原有的知識體系當中。使學生加深理解蓋斯定律產(chǎn)生的意義，進一步認識到實驗研究與理論形成之間的關系。（3）結合主題式教學情境，開發(fā)教材以外的實驗，盡可能地創(chuàng)設實驗條件，讓學生在直觀的感性現(xiàn)象中記憶、理解知識。學生在實驗體驗的基礎上，感受科學發(fā)展的艱辛歷程，進一步感悟化學學科的價值和意義。

[環(huán)節(jié)三]“用”薯片

[師]教材5-6頁“拓展視野”。我們今天運用定量實驗探究了薯片中的熱量，知道薯片中含有的熱量確實很高。據(jù)稱，大量食用薯片，容易造成飽脹感，不僅影響正常進餐，而且妨礙身體對營養(yǎng)物質的吸收，破壞營養(yǎng)均衡。據(jù)教材介紹，若能量攝入過剩，則會在體內貯存起來。人體內能量的貯存形式是脂肪，脂肪在體內的異常堆積，會導致肥胖和機體不必要的負擔，并可成為心血管疾病、某些癌癥、糖尿病等疾病的誘發(fā)因素。因此，薯片要少吃，嘗兩片即可，吃多了會影響健康。當然，實在想嘗幾片，據(jù)今天的課堂實驗結果，那就請選擇“樂事”吧。當然，大家已經(jīng)知道薯片燃燒放出的熱量可以使一定量的水沸騰，那你還知道哪些用途嗎？

[生]討論、交流。是不是只要量夠大，還可以自熱米飯？自嗨鍋？但是這個量怎么控制？

[師]這就還是回到了今天的課題，需要做定量實驗。當然，“反應熱的測量”可不僅僅局限在“薯片”上，在實際生產(chǎn)生活中，“反應熱的測量”應用廣泛。

[PPT]“反應熱的測量”在能源、材料、食品等方面的應用（見表1）。

設計意圖：“反應熱的測量”的實驗貌似不難理解與操作，但為何要學習這塊內容，學生往往并不理解，或者說，學生對定量實驗的興趣往往不如定性實驗。環(huán)節(jié)三的設計是為了讓學生能夠清晰的感受到定量實驗在科研、生產(chǎn)、生活中的廣泛應用，感悟到本節(jié)實驗課的價值和意義。

六、教學效果與反思

1.巧立主題，凸顯主體作用

與主題式教學相關的研究已較為系統(tǒng)，但基于主題式的實驗教學尚不多見。本節(jié)課確定“反應熱的測量”為教學重點，重組教學內容，并巧立“薯片”這一學生熟悉的素材作為教學主題的載體，創(chuàng)設了與“測量薯片燃燒熱”相關的多實驗真實情境，引導學生進行自主探究，凸顯學生的主體作用，提高學生運用多學科知識提出、分析、解決問題的高階思維品質。

2.自主探究，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

創(chuàng)新思維，人類思維的高級形態(tài)。某些專家對創(chuàng)新思維的構成和維度進行了研究，提出，創(chuàng)新思維主要涵蓋：聚合思維和發(fā)散思維、邏輯思維和直覺思維、創(chuàng)造思維和形象思維等。本節(jié)課不僅提供初中物理、大學實驗、高中選修等多版本多種類教材以及多份文獻資料，讓學生通過閱讀分析提取有效信息，進行加工重組，還布置任務卡，設置多個問題串，提出有效問題激發(fā)學生主動質疑，繼而通過自主設計實驗、動手實驗、改進實驗等環(huán)節(jié)或尋找證據(jù)證實猜想或尋求解決問題的方案。在這個過程中，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維，即學生學會以問題為中心，多方向、多角度輻射思考，突破已有知識經(jīng)驗局限，改變固有思維模式，實現(xiàn)對事物新認識，完成實踐創(chuàng)新活動。

3.關注實驗，增強個體體驗

著名化學家戴安邦曾提出：“化學實驗教學是實施全面化學教育的一種最有效的形式?！备咧谢瘜W實驗教學具有活動性、探究性、參與性等符合培養(yǎng)核心素養(yǎng)的教學要求，故不能在日常教學中重理論輕實踐，一味壓縮實驗教學的比重和教學時間，而應深挖新課程理念下的化學實驗課程內涵，提升學生的核心素養(yǎng)。本節(jié)課調整教學內容比例，關注實驗教學過程，重視學科知識的真實情境化創(chuàng)設，提升知識之間的內在邏輯性。本節(jié)課從“日常會不會吃薯片？選擇何種薯片？薯片是垃圾食品嗎？”等設問開始，創(chuàng)設“薯片燃燒”主題實驗情境，增強學生的個體體驗，激發(fā)學生的學習興趣，促進學生的學習方式轉變，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神及實踐能力。