余靜 王小兵 曹文萍 李琪琪 陳惠怡 曾懋華

摘要：在真實情境中設(shè)計項目式串聯(lián)的學(xué)習(xí)任務(wù)，可有效促進深度學(xué)習(xí)的達成。通過利用數(shù)字化實驗對傳統(tǒng)實驗進行改進，設(shè)計探究“蒸汽眼罩”與空氣某成分的反應(yīng)、自制蒸汽眼罩確定蒸汽眼罩的發(fā)熱成分、探究“蒸汽眼罩”電化學(xué)發(fā)熱工作原理三個任務(wù)，開展項目式教學(xué)，復(fù)習(xí)鞏固了“鐵的吸氧腐蝕”專題的相關(guān)內(nèi)容，同時也鍛煉了真實問題的解決能力。

關(guān)鍵詞：項目式學(xué)習(xí)；提升思維品質(zhì)；蒸汽眼罩

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0025-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.006

探索有效的教學(xué)模式來提高教育教學(xué)質(zhì)量，一直以來是教師教學(xué)努力的方向，項目式教學(xué)[1]順應(yīng)了時代發(fā)展的需求以達到深度學(xué)習(xí)的目標，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。[2]項目式教學(xué)中教師不再是負責傳授知識、無所不知的專家，而是見多識廣的指導(dǎo)教練、學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，以及整個探究過程的向?qū)В鴮W(xué)生也從被動接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹剿?、主動發(fā)現(xiàn)和主動獲取知識。因此，利用高中化學(xué)學(xué)科知識來解決真實情境問題的項目式教學(xué)，是提升復(fù)習(xí)效率和學(xué)科素養(yǎng)的有效途徑。[3]以探秘蒸汽眼罩的發(fā)熱原理為例，探討基于真實問題情境下開展項目式學(xué)習(xí)，[4]與傳統(tǒng)的知識梳理與習(xí)題鞏固的傳統(tǒng)方法相比更有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。本案例讓學(xué)生以“蒸汽眼罩”的發(fā)熱原理為研究主題，開展以“鐵的吸氧腐蝕”相關(guān)重要知識為依托的數(shù)字化創(chuàng)新性實驗設(shè)計，可培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科知識的遷移應(yīng)用與實踐能力。

一、項目使用說明

本項目是“金屬的腐蝕與防護”復(fù)習(xí)課，學(xué)生已學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)的能量變化中化學(xué)能和電能、原電池工作原理以及電化學(xué)腐蝕等知識，具備學(xué)習(xí)電化學(xué)知識的基礎(chǔ)。本節(jié)課在學(xué)生已有的碎片化認知的基礎(chǔ)上，結(jié)合新聞熱點“蒸汽眼罩”的情境線索，運用生活中的實例創(chuàng)設(shè)問題情境，為學(xué)生提供“實證性”材料，并以數(shù)字化實驗作為實驗探究手段，設(shè)計項目式復(fù)習(xí)，以鞏固原電池的反應(yīng)實質(zhì)——氧化還原反應(yīng)。

二、教學(xué)目標與評價目標

教學(xué)目標：

（1）通過手持技術(shù)實驗探究學(xué)習(xí)蒸汽眼罩發(fā)熱的原理；

（2）通過手持技術(shù)實驗探究學(xué)習(xí)金屬電化學(xué)腐蝕的原理；

（3）通過運用化學(xué)知識解決生活問題。

評價目標：

（1）通過對蒸汽眼罩發(fā)熱原理的探究實驗的觀察和交流，診斷學(xué)生實驗探究的水平；

（2）通過討論與交流，診斷并發(fā)展學(xué)生的認識思路的結(jié)構(gòu)化水平；

（3）通過運用所學(xué)知識解決生活實際問題，診斷并發(fā)展學(xué)生的社會責任意識。

三、項目任務(wù)及教學(xué)流程

項目學(xué)習(xí)活動應(yīng)該聚焦項目學(xué)習(xí)中關(guān)鍵問題的解決來考慮，即活動內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)學(xué)科思想方法的應(yīng)用，活動組織順序應(yīng)遵循項目成果達成或關(guān)鍵問題解決的邏輯順序。[1]依照上述教學(xué)目標，制定以下項目任務(wù)及教學(xué)流程，如表1所示。

四、項目實施過程

1．探究“蒸汽眼罩”與空氣成分的反應(yīng)

[任務(wù)驅(qū)動]“蒸汽眼罩”是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷木徑庋劬ζ诘漠a(chǎn)品，簡單實用，同學(xué)們知道它的發(fā)熱原理嗎？請同學(xué)們以小組為單位仔細閱讀提供給大家的“蒸汽眼罩”產(chǎn)品說明書，見圖1，說說其中的成分組成，并交流討論各種成分在其發(fā)熱過程中可能發(fā)揮的作用后進行反饋。

[學(xué)生活動]6人一小組展開討論，收集組員觀點進行匯報與交流。

[學(xué)生觀點1]產(chǎn)品組成為鐵粉、活性炭、水、食鹽、蛭石、吸水性樹脂，發(fā)熱的原因應(yīng)該是里面鐵粉、活性炭、水、食鹽之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)放熱。

[學(xué)生觀點2]從注意事項中觀察到打開包裝后開始發(fā)熱，猜測空氣中某成分應(yīng)該是發(fā)熱的必需條件，而空氣主要含有二氧化碳、氧氣和氮氣，氮氣為惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)不活潑，因此，可能是空氣中的二氧化碳或氧氣與眼罩中的成分發(fā)生了復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)。

[教師總結(jié)評價，布置任務(wù)1]同學(xué)們通過注意事項判斷“蒸汽眼罩”發(fā)熱是因為其成分與空氣某成分發(fā)生了復(fù)雜氧化還原反應(yīng)，并根據(jù)猜想得出可能是氧氣、二氧化碳或者二者都有參與，請同學(xué)們進行交流與討論，再結(jié)合老師提供的實驗儀器設(shè)計實驗，并驗證大家的預(yù)判。

[學(xué)生活動]學(xué)生分組，將約209樣品粉末導(dǎo)入Nelgene瓶中，連接好氧氣和二氧化碳傳感器，同時測得氧氣和二氧化碳濃度的變化，見圖2，記錄數(shù)據(jù)?；顒油瓿珊螅嗷シ窒?、交流實驗結(jié)果。

[學(xué)生匯報結(jié)果]觀察Nelgene瓶內(nèi)氧氣濃度明顯下降而二氧化碳濃度沒有發(fā)生變化見圖3．說明蒸汽眼罩中的成分與氧氣發(fā)生了氧化還原反應(yīng)。反應(yīng)7 min后，藥品與空氣接觸邊緣還有棕褐色產(chǎn)物（Fe“），見圖4。

2．自制“蒸汽眼罩”確定蒸汽眼罩的發(fā)熱成分

[教師總結(jié)評價，布置新任務(wù)2]同學(xué)們根據(jù)實驗探究得出“蒸汽眼罩”發(fā)熱，是因為藥品成分與空氣中的氧氣發(fā)生了復(fù)雜氧化還原反應(yīng)，可“蒸汽眼罩”的成分有很多，知道是何種成分讓蒸汽眼罩發(fā)熱嗎？請同學(xué)們設(shè)計一個實驗檢驗究竟是蒸汽眼罩當中的何種物質(zhì)起作用。

[學(xué)生活動]查閱說明書可知，發(fā)熱層的主要成分為Fe、C、NaCl，猜測是蒸汽眼罩當中的這三個成分起到發(fā)熱的作用。結(jié)合猜想，同學(xué)們分成A、B、C、D和E五個小組進行實驗探究（見表2）。稱量鐵粉15 g、氯化鈉5 g、活性炭5 g、蒸餾水4 mL。將其分成五大組，做好標號見表2，將普通溫度傳感器的探頭置于蒸汽眼罩的鐵粉中，溫度傳感器通過HDMI數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集器連接，見圖5，打開電腦上的logger pr0 3.15軟件，軟件自動識別傳感器，點擊開始采集。

[學(xué)生匯報結(jié)果]從曲線圖中，A、B、C組的溫度都沒有明顯的變化，D組溫度隨時間緩慢上升，而E組溫度在短時間溫度明顯上升，見圖6，可見蒸汽眼罩的發(fā)熱需要的成分有鐵粉、氯化鈉（無機鹽）和水，而當加入活性炭后，可加快反應(yīng)速率，猜想可能是鐵粉、氯化鈉（無機鹽）、水、活性炭及氧氣形成原電池，加快鐵的氧化。

3．探究“蒸汽眼罩”電化學(xué)發(fā)熱工作原理

[教師總結(jié)評價，布置新任務(wù)3]經(jīng)過實驗探究可知，“蒸汽眼罩”確實是利用鐵氧化反應(yīng)放熱來發(fā)熱，還可能是主要成分為Fe、C和NaCl溶液形成了原電池。請同學(xué)們結(jié)合原電池的形成條件并以Cu-Zn原電池為例，見圖7，自行設(shè)計實驗證明可能形成了原電池并驗證產(chǎn)物，寫出反應(yīng)方程式。結(jié)合老師提供的實驗儀器設(shè)計實驗，并驗證大家的猜想。

[學(xué)生活動]將一片用6 mol／L NaCl溶液濕潤的濾紙條置于表面皿中，將帶有魚嘴夾的兩根導(dǎo)線分別夾鐵絲和碳棒，其中鐵絲作負極，碳棒作正極，連接電流傳感器，將兩電極分別接觸濾紙條兩端，見圖8，觀察、記錄實驗現(xiàn)象。將鐵絲、碳棒置于用6 mol/L NaCl溶液濕潤的濾紙條上，連接微型電流傳感器反應(yīng)一段時間之后，向鐵絲與濾紙接觸處滴加1滴K3[Fe（CN）6]溶液（鐵氰化鉀溶液遇Fe2+變藍），向鉛筆芯與濾紙接觸處滴加1滴酚酞溶液（酚酞溶液遇堿變紅），觀察、記錄實驗現(xiàn)象。

[學(xué)生匯報結(jié)果]通過圖9可知，眼罩的發(fā)熱成分鐵粉、活性炭、氯化鈉溶液（無機鹽）可與氧氣形成原電池，產(chǎn)生電流，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，使其短時間內(nèi)放出熱量。通過在碳棒正極滴加酚酞溶液，酚酞變紅得知產(chǎn)生OH離子，可知正極發(fā)生還原反應(yīng)，而氧氣具有氧化性，得電子，被還原成OH離子，負極滴加鐵氰化鉀溶液變藍，可知鐵被氧氣氧化成Fe2+離子，見圖10?？偨Y(jié)得出蒸汽眼罩的發(fā)熱原理為C作為正極，發(fā)生還原反應(yīng)即O2+2H2O+4e-=4OH-，F(xiàn)e作為負極發(fā)生氧化反應(yīng)即Fe- 2e-=Fe2+，原電池2Fe+0，+2H20=2Fe（OH）2，繼續(xù)氧化：4Fe（ OH）2+02+2H2O=4Fe（OH）3，見圖11。[教師總結(jié)評價，布置新任務(wù)4]同學(xué)們結(jié)合以前學(xué)習(xí)過構(gòu)成原電池的條件及原電池可加快反應(yīng)速率的知識點，將“蒸汽眼罩”發(fā)熱的工作原理及升溫快的原因分析得很到位。若要變廢為寶，請同學(xué)們想想使用完的蒸汽眼罩，應(yīng)該如何處理呢？

[學(xué)生總結(jié)]眼罩中含有的活性炭具有表面積大，吸附能力強等特點，在生活中可用于衣柜除濕，其成分中含有鐵、蛭石、活性炭、無機鹽等合成的混合物，富含多種植物所需的礦物質(zhì)，可以當花肥使用。

五、項目式教學(xué)反思

蒸汽眼罩是用于緩解眼睛疲勞的產(chǎn)品，本研究借助了數(shù)字化實驗，通過項目式教學(xué)探究蒸汽眼罩的發(fā)熱原理。引導(dǎo)學(xué)生掌握金屬腐蝕的條件，構(gòu)建并完善電化學(xué)認知模型。本研究解決了以下兩大問題：第一，傳統(tǒng)實驗中對于蒸汽眼罩發(fā)熱需要氧氣的參與這一結(jié)論，主要是通過系統(tǒng)內(nèi)壓強減少及理論分析得出，但卻始終無法真實觀察到氧氣含量下降，缺乏說服力，而通過數(shù)字化實驗，利用氧氣傳感器，在數(shù)據(jù)采集器上可真實觀察氧氣含量曲線的下降趨勢，優(yōu)化了此實驗，體現(xiàn)了科學(xué)的嚴謹性。第二，傳統(tǒng)實驗中由于電流表量程大，無法測量其微小電流，因此所需實驗用品量較大，而且產(chǎn)物只能通過理論得出，無法通過實驗驗證，但本實驗通過電流傳感器可測量出微小電流，大大減少了實驗用品，并通過自行組裝一個微型實驗裝置，可在其鐵絲和碳棒兩電極滴加檢測試劑、通過試劑變色現(xiàn)象，得出產(chǎn)物，使實驗簡單易懂易操作，提高了學(xué)生的實驗探究興趣。

參考文獻

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