沈健
摘要:以探秘“自熱火鍋發(fā)熱劑”為項目學習主題,通過“產(chǎn)品說明中為什么要求‘遠離明火,嚴禁在密閉場所中使用”“小火鍋發(fā)熱劑可以只用生石灰嗎?”“發(fā)熱劑產(chǎn)品的設計與評價你有什么建議?”,三個真實問題驅動項目學習,以達到酸堿鹽專題復習目的。
關鍵詞:項目式教學;發(fā)熱劑;酸堿鹽;復習
文章編號:1008-0546(2022)08-0060-07?? 中圖分類號:G632.41?? 文獻標識碼:B
doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.013
一、項目主題內(nèi)容分析
酸堿鹽是初中化學的核心知識,也是培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的重要載體。本項目學習主題是“探秘自熱火鍋發(fā)熱劑”,在組織學生閱讀發(fā)熱劑(來至網(wǎng)購:京東—烘焙精靈旗艦店—食品發(fā)熱包)的產(chǎn)品包裝說明(見圖1)后,循序漸進地提出三個真實問題驅動項目學習:產(chǎn)品說明中為什么要求“遠離明火,嚴禁在密閉場所中使用”?小火鍋發(fā)熱劑可以只用生石灰嗎?發(fā)熱劑產(chǎn)品的設計與評價你有什么建議?
這一項目整合了“常見酸、堿、鹽、氧化物、單質的性質與用途”“氣體制備”等初中化學核心知識與技能,培養(yǎng)學生科學探究與創(chuàng)新意識,提升學生科學態(tài)度與社會責任等核心素養(yǎng),在“做科學”的探究實踐中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力[1],發(fā)展學生的三種成功技能——批判性思維/解決問題的能力、協(xié)同協(xié)作的能力和自我管理的能力[2],讓學生真實體驗到化學源自生活又服務于生活。
二、項目教學目標
通過分析發(fā)熱劑反應原理,復習鞏固常見酸、堿、鹽、氧化物、單質的性質,強化化學方程式書寫能力,提高學生信息素養(yǎng)。通過研討發(fā)熱劑反應過程中產(chǎn)生氣體的檢驗與體積測量方法,促使學生形成基于化學認知的安全意識。通過發(fā)熱劑成份能否只用生石灰的探秘,啟蒙對化學反應熱的認知。通過項目式教學,培養(yǎng)學生證據(jù)推理的科學態(tài)度、思考方法和動手能力,促進團隊協(xié)作融合,培育學生良好的社會責任感,使學生產(chǎn)生化學能為人類創(chuàng)造美好未來做出更多重要貢獻的情感認同。
三、項目任務及教學流程(見表1)
四、項目實施過程及學習成果
1.創(chuàng)設情景,引入項目主題
【教師】不用火,不用電,只需一杯涼水,就可得到香飄四溢、熱氣騰騰的美味,你們知道是什么嗎?(展示自熱火鍋實物)有體驗過的同學請舉下手,哪位同學能介紹一下它的使用方法?
【學生】將發(fā)熱包放在盆底,加入水,放好上面裝食物的小盆,蓋上蓋子,幾分鐘后就冒熱氣,再過段時間就可以吃了。
【教師】請閱讀發(fā)熱包說明,你能說出發(fā)熱包里的反應原理嗎?
【學生】CaO+H2O =Ca (OH)2這是放熱反應, Na2CO3還會和Ca(OH)2反應。
【教師】(新聞里的化學)據(jù)新浪微博“中國消防”稱,有人一頓自熱火鍋吃掉了7500元(人民幣)——史上最貴!故事是這樣的,德國斯圖加特的消防局內(nèi)突然收到了某酒店內(nèi)傳來的“火警”訊號,幾名全副武裝的消防員,立刻趕去事發(fā)地點,原來是旅客使用自熱火鍋冒出大量蒸氣觸發(fā)火警探頭。消防員確認無火災隱情后,開出了950歐元的罰單。雖然是虛驚一場,但為什么發(fā)熱劑的包裝袋上有“使用時要遠離明火,嚴禁在密閉場所中使用”的要求?你認為這種要求與現(xiàn)象可能與發(fā)熱劑中的什么物質有關呢?
【學生】生石灰與水反應只是放熱,并沒有產(chǎn)生可燃性物質,但不知是否與發(fā)熱劑成份中的“鋁”有關?
【教師】鋁有什么樣的性質可能引發(fā)燃燒現(xiàn)象?
【學生】鋁本身可以燃燒,鋁會和酸溶液反應產(chǎn)生具有可燃性的氫氣。
【教師】請同學們結合發(fā)熱包成份及使用方法討論上述兩種原因的可能性。
【學生】在發(fā)熱包使用的條件下,鋁不可能燃燒;加水后發(fā)熱劑中產(chǎn)生了氫氧化鈉、氫氧化鈣等堿性物質,沒有與酸溶液接觸,不會生成氫氣。
【教師】會不會是我們初中階段對鋁的認識還不全面呢?到高中我們將學習到鋁具有如下性質:2Al+2NaOH+2H2O =2NaAlO2+3X ↑。請同學們思考物質“X”的化學式是什么?
【學生】H2。
【教師】請同學們將發(fā)熱劑中的化學反應原理用化學方程式表示出來,并請一位同學到黑板板書。
2.發(fā)熱劑產(chǎn)生氣體的檢驗
【教師】從反應原理我們得知,有氫氣產(chǎn)生,氫氣有什么樣的性質?我們該如何檢驗氫氣呢?
【學生】氫氣密度比空氣小,可以吹肥皂泡。氫氣具有可燃性,燃燒生成水。
【教師】用圖2-I 檢驗H2,若觀察到燒杯壁上有水霧,可否證明是氫氣燃燒呢?
【學生】不可以,這個反應會產(chǎn)生大量的熱,有大量水蒸氣產(chǎn)生,干擾了氫氣的檢驗。
【教師】如何排除水蒸氣的干擾呢?請同學們分組設計實驗方案,實驗方案設計注意化學實驗三要素,作為實驗對象的物質體系,適當?shù)膬x器裝置和必要的安全措施,合理的實驗步驟和規(guī)范的操作技術[3],我們將以實驗裝置圖做為該階段項目成果進行展示。
【學生展示實驗裝置】方案一、二、三實驗裝置分別對應圖2中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。
【師生共同評價方案】方案一操作簡單,水蒸氣可能液化不徹底;方案二利用了生石灰與水反應的性質,但生石灰可能吸水后,氣體流通不暢,發(fā)生裝置內(nèi)壓力過大使塞子被頂開;方案三中使用的濃硫酸具有強烈的腐蝕性,使用時要特別小心。
【教師】針對方案一,你有什么簡單方法證明是否排除了水蒸氣干擾?方案二、三要在實際使用中檢驗它的可行性。在點燃氣體前,我們還要注意什么?……
【教師】為什么在吹肥皂泡實驗(見圖3)中,要將氣體通入水中?
【學生】可以起到冷卻作用,最初在做時,因熾熱的水蒸氣容易使肥皂泡破裂。
【教師】產(chǎn)品使用說明中為什么要求“遠離明火,嚴禁在密閉場所中使用”?
【學生】原因是使用中會產(chǎn)生大量可燃性的氣體——氫氣,可能會導致爆炸事故發(fā)生。
【教師】氫氣點燃一定就會爆炸嗎?爆炸的條件是什么?這樣一包發(fā)熱劑可以產(chǎn)生多少體積氫氣呢?
3.一包發(fā)熱劑產(chǎn)生氫氣的體積測定
【教師】如何測定發(fā)熱劑使用過程中產(chǎn)生氫氣的體積呢?請同學們展示課前準備好的實驗方案。
【項目成果階段展示與評價】
學生1:將稱量好的發(fā)熱劑放入錐形瓶,加入足量的水,用排水法收集并測量生成的氫氣的體積(見圖6),再按比例推算整包發(fā)熱劑在使用時產(chǎn)生氣體的體積。
學生2:圖6沒有考慮到反應過程中放出大量的熱,氣體體積受溫度影響變化較大,應該要在集氣裝置之前,增加氣體冷卻裝置,見圖7。
學生3:圖8將氣體直接通入水中冷卻比圖7更充分,且還可以觀察到氣體流速及是否還有氣體產(chǎn)生。
學生4:圖9不僅考慮冷卻氣體,還能注意到平衡瓶內(nèi)外氣壓,多個串聯(lián)的集氣瓶增大收集氣體的體積,可以相應減少實驗誤差帶來的影響。
【項目階段成果匯報】
學生1:去掉6、7兩組數(shù)據(jù),其余數(shù)據(jù)平均值為1156.84 mL,推算可知50 g發(fā)熱劑在使用過程中產(chǎn)生的氫氣體積大約有23.14 L。
學生2:在測定氣體體積時要注意外界溫度與壓強的影響。
學生3:實驗中數(shù)據(jù)離差超出預想,懷疑是粉末中成份分布不均造成的,也可能和實驗環(huán)境溫度不同有關。
4.發(fā)熱劑產(chǎn)品的設計與評價
(1)小火鍋發(fā)熱劑可以只用生石灰嗎
【教師激疑】生石灰與水作用是放熱反應,為什么在該發(fā)熱劑中還要放鋁粒呢?小火鍋的發(fā)熱劑可以只用生石灰嗎?要解決這個問題,我們需要做哪些新的研究?
【研討實驗方案】設計對照組,測量自熱小火鍋發(fā)熱劑(50 g)在使用過程中食材鍋內(nèi)水溫變化,改用50 g氧化鈣再測量一次,評估小火鍋的發(fā)熱劑能否只用生石灰。具體方案如下:取某品牌小火鍋包裝為實驗容器,其結構如圖11所示,外鍋放入發(fā)熱包(50 g),并加水至水位線(200 mL),食材鍋內(nèi)加水300 mL,測量食材鍋內(nèi)水溫變化(鍋蓋始終蓋著,見圖12),每分鐘讀取數(shù)據(jù)一次。然后換成50 g生石灰(荷澤天峰儀器設備有限公司200 g裝),重做一遍。測定時間范圍是0~36 min(參考正常使用自熱小火鍋時間),實驗數(shù)據(jù)見圖13。
【項目階段成果匯報】生石灰與水作用是放熱反應,但從收集數(shù)據(jù)可知,等質量的生石灰與水作用放熱較少,水的比熱很大,小火鍋的發(fā)熱劑不能全用生石灰。查閱資料得知碳酸鈉與氫氧化鈣溶液作用是吸熱反應,證明鋁與氫氧化鈉溶液作用是放熱反應,且是等質量的發(fā)熱劑比生石灰與水作用放熱更多的主要原因。
(2)使用過的發(fā)熱包及“外鍋”內(nèi)液體的處置
【教師置疑】使用過的發(fā)熱包及外鍋內(nèi)的液體如何處理呢?屬于哪類垃圾(可回收垃圾,有害垃圾,廚余垃圾,其他垃圾)呢?請同學們測量發(fā)熱劑使用后廢水和剩余固體的pH。
【學生】用pH試紙測量發(fā)現(xiàn)使用后廢水和剩余固體的pH都是13~14,呈堿性。
【教師提供資料】我國《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)中pH 限值是6~9[4]。
【學生】發(fā)熱劑使用后的廢棄液體和固體堿性很強,不要用手直接接觸,屬于有害垃圾,不能隨意丟棄,有條件的可用酸中和后再放入有害垃圾箱,沒有條件的,至少要用袋子密封裝好后再放入有害垃圾箱。
(3)發(fā)熱劑產(chǎn)品的評價
【教師】你對該發(fā)熱劑的產(chǎn)品使用或設計有什么評價或建議呢?
【項目階段成果匯報】央視新聞曾報道,加勒萬河谷的駐守解放軍戰(zhàn)士,在高寒的巡邏線上吃上熱氣騰騰的小火鍋。自熱食品發(fā)熱劑源于野戰(zhàn)單兵食品開發(fā),方便在特殊環(huán)境下使用,如今在懶人經(jīng)濟的浪潮中也嶄露頭角。發(fā)熱包在使用中會產(chǎn)生大量可燃性氣體氫氣,不能在密閉的空間(如小汽車、高鐵、飛機)里使用,使用過程中要遠離明火,注意食物不能堵住出氣口,“外鍋”溫度較高,注意預防燙傷,不宜放在玻璃桌面,要放在耐熱臺面上使用。因為反應過程中產(chǎn)生大量的熱,所以往發(fā)熱包中加的水不能是熱水,否則加水時水可能會爆沸,濺出傷人。產(chǎn)品的設計要考慮對環(huán)境友好,在產(chǎn)品設計的源頭就要考慮使用后廢棄物的處理。比如改進發(fā)熱劑成份配比,在其使用后的廢物pH趨于7,對環(huán)境危害最小化。有的學生拆開使用過的發(fā)熱包(見圖14),發(fā)現(xiàn)里面還有些物質與水作用能產(chǎn)生氣體,懷疑中心部位的發(fā)熱劑未充分反應,提出可否改進發(fā)熱包的包裝形式,由原來方塊狀改為“甜甜圈”形、或細條狀,這樣可以促進內(nèi)部成份參與反應,也能使食材鍋底部與發(fā)熱包更充分接觸,提高熱傳遞效率。
【教師】同學們在本項目結束后,可以調查還有哪些類型發(fā)熱劑產(chǎn)品應用于我們生活,它們的發(fā)熱原理是什么?
【學生1】有利用鐵粉氧化制成的“暖寶寶”。
【學生2】我還見到有一種熱敷袋,可以用于保健。查閱資料得知,熱敷袋內(nèi)所裝的液體是醋酸鈉的過飽和水溶液,使用時僅需輕壓熱敷袋內(nèi)的金屬片,形成結晶核,以引發(fā)醋酸鈉結晶(放熱過程);再生時,僅需將已固化的熱敷袋置入熱水中直至全部晶體溶解后,取出冷卻至室溫即可再次使用。
五、項目教學實踐的反思
1.項目教學與復習課功能的交集
項目教學是以問題為導向,以項目為載體的一種教學方法,項目教學能夠使學生經(jīng)歷成果導向下的綜合任務完成過程[5],在復習課中引入項目教學,避免了“炒冷飯”的無趣,促進學生自主梳理,構建知識體系,提升學生綜合解決問題能力,使理論與實踐緊密相連。項目教學與復習課功能在內(nèi)容、目標、方法三個維度上存在交集(見圖15),可在復習課教學中引入項目式教學。
2.紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行
義務教育階段化學課程中的科學探究,是學生積極主動地獲取化學知識、認識和解決化學問題的重要實踐活動[1]。項目教學是指向真實問題的科學探究,現(xiàn)今學生科學探究的經(jīng)驗多來自習題,是紙面上的經(jīng)驗,缺乏解決真實陌生問題的實踐經(jīng)驗,且紙面經(jīng)驗也需在實踐中檢驗。項目式教學的情景來自現(xiàn)實世界,在處理復雜問題的過程中不斷有“學生聲音和選擇”,項目成果對現(xiàn)實世界會產(chǎn)生真實影響,這是做多少道探究題都無法獲得的體驗。
生石灰和濃硫酸都可干燥氫氣是眾所周知的事實,可在干燥發(fā)熱劑產(chǎn)生氫氣時,由于發(fā)熱劑與水作用反應放熱,在某段時間內(nèi)氣體壓力大、流速快,帶來的大量水蒸氣使生石灰吸水膨脹堵塞氣體通道,會使發(fā)生裝置瓶塞被頂飛,反應液濺出(見圖16),而在濃硫酸中氣體通過性好,沒有這種情況發(fā)生。這個意外事件,讓學生認識到,在干燥管內(nèi)裝入的生石灰要用大粒(3~5 mm),且注意不要讓粉狀生石灰填入空隙(不能圖省事而用藥匙取生石灰,會帶入粉末,留下隱患),預留膨脹空間,確保氣體通過速率。在氣體流速較快的情況下干燥氣體盡量不使用生石灰。發(fā)熱劑與20 mL水作用,這并不是隨便的選擇,其中經(jīng)歷許多嘗試與困惑。原來筆者的想法是引導學生通過化學計算來確定發(fā)熱劑的取量,領會通過化學計算理性選擇儀器規(guī)格及藥品取量的實驗策略。即以收集近1000 mL 氫氣(密度為0.09 g/L)為標準,假定發(fā)熱劑中氧化鈣、碳酸鈉、鋁三種成分恰好完全反應,則發(fā)熱劑中至少需要含有0.81 gAl、0.84 gCaO、1.59 gNa2CO3,共需發(fā)熱劑3.24 g。為預留一定容積防氣體受熱膨脹,筆者從3 g開始試做,結果收集的氣體體積遠大于1000 mL,兩個集氣瓶里的水全排光了,意味著實驗失敗。于是筆者就逐漸減少發(fā)熱劑的用量,降到1.6 g 時,終于進入1000 mL 范圍,仍能收集到752~940 mL 氣體。思其原因,上述計算是依據(jù)反應:2Al+2NaOH+2H2O =2NaAlO2+3H2↑,求出氫氧化鈉質量,再根據(jù)關系:CaO~Ca (OH)2~Na2CO3~2NaOH求出氧化鈣與碳酸鈉的質量,這種想法忽略一個問題,鋁是在堿性條件下與水反應,而不一定是和氫氧化鈉溶液反應,故上述計算的假定違背事實,三種物質的質量比不是0.81~0.84~1.59,鋁在發(fā)熱劑中的含量應更大,碳酸鈉占比相對更少,這點從往使用過后的發(fā)熱包中加入足量的稀鹽酸,僅有少量氣泡產(chǎn)生的現(xiàn)象得以佐證。故當發(fā)熱劑取量小于3.24 g 時,出現(xiàn)收集的氣體體積仍大于1000 mL 的實驗現(xiàn)象。之所以建議學生用2.5 g發(fā)熱劑,一是該量剛好能平鋪錐形瓶(500 mL)底,不易結成團塊,二是多次實驗發(fā)現(xiàn)收集氣體體積均在1500 mL 以內(nèi);用20 mL水可以蓋住固體粉末,利用水的比熱較大可緩解發(fā)生裝置內(nèi)溫度過高,但水量不宜太多,否則反應速率偏慢。
3.角色扮演是項目實施的策略之一
在項目實施中,為培養(yǎng)學生協(xié)同協(xié)作的能力和自我管理的能力,筆者為項目組設置了10種角色,分別是:項目管理員、方案設計員、實驗操作員、觀察記錄員、成果推介員、文案撰寫員、信息技術員、資料保管員、儀器協(xié)調員、情報溝通員。在項目實施中,每一位同學可以選擇2~3種角色,中途允許學生根據(jù)分工和自已特點做適當調整。
4.項目實踐的過程也是勞動教育的過程
項目實踐是勞動教育在學科教學落地的實踐平臺。在測定發(fā)熱劑產(chǎn)生氫氣體積的實驗研究中,學生要克服實驗的重復性所帶來的枯燥和乏味,一遍遍嚴謹讀取數(shù)據(jù),精心清洗儀器,在這種平凡的勞作中等待研究成果。有的同學,量水時一不小心把水灑了,又要重新再做一次,這時不用教師說,他們就能感到勞動成果來之不易。發(fā)熱劑反應到后期,反應速率極慢,學生看到仍有氣泡產(chǎn)生,不敢拆儀器讀取數(shù)據(jù)。從原來在放學時盲然等待實驗結束,到后面有經(jīng)驗了,學生來上課時,把裝置組裝并加好藥品,等到放學的時候再來“收割”數(shù)據(jù)。我覺得這種勞動體驗是化學學科給孩子成長路上鋪下艱苦奮斗、細致耐心、執(zhí)著求真、科學高效的人生底色。
項目式教學是學生在真實問題驅動下的沉浸式學習。項目式教學課程的研發(fā),如何做好項目式教學的時空管理,仍是需思考與實踐的重要課題。
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(2011年版)[S].北京:北京師范大學出版社,2012:3,9.
[2]約翰·拉爾默,約翰·梅根多勒,蘇西·博思.“PBL項目學習黃金標準”[M].胡靜,張昱華,彭紅玲等譯.北京:光明日報出版社,2019:36.
[3]宋心琦.化學實驗教學改革建議之一[J].化學教學,2012(4):3-4.
[4] 中華人民共和國國家標準.污水綜合排放標準(GB8978-1996)[S].北京:中國標準出版社.1996:277.
[5]陳穎,王磊,徐敏,尚榮榮等.高中化學項目教學案例[J].化學教育,2018,39(19):8-14.