張瑋 張軍

摘要：化學(xué)是與人類命運(yùn)息息相關(guān)，推動著人類發(fā)展的自然科學(xué)。通過化學(xué)學(xué)科視角，人類可以對自然界的事物以及事物之間關(guān)系更為深入地把握。在此基礎(chǔ)上，人類合理地利用自然，推動社會進(jìn)步。“新課標(biāo)”要求教師在教學(xué)中設(shè)計(jì)以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，立足于學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代生活和未來發(fā)展的需要的課程。本教學(xué)設(shè)計(jì)中，以探析暖寶寶的組成成分和發(fā)熱原理為契機(jī)，讓學(xué)生利用化學(xué)學(xué)科知識和思維方法去認(rèn)識身邊的事物，由此加強(qiáng)學(xué)生對化學(xué)知識和原理的掌握，促進(jìn)化學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：復(fù)習(xí)課;證據(jù)推理;社會責(zé)任;化學(xué)魅力

文章編號：1008-0546（2019）04-0039-04

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.012

一、設(shè)計(jì)背景

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）指出在化學(xué)學(xué)科的教學(xué)中，不僅僅是停留在傳授知識的層面，而更上升到教育的功能上，要求教師開設(shè)多樣化的課程傳授知識，同時能提升學(xué)生的核心素養(yǎng)，使學(xué)生形成正確的價值理念，形成能適應(yīng)社會的必備品格和關(guān)鍵能力[1]。

人教版《化學(xué)反應(yīng)原理》包括反應(yīng)速率、反應(yīng)方向及限度、熱力學(xué)、電化學(xué)等化學(xué)原理，這些看似獨(dú)立的化學(xué)原理，在實(shí)際使用中卻可能同時作用。鑒于此，在《化學(xué)反應(yīng)原理》內(nèi)容全部結(jié)束后的復(fù)習(xí)課中，設(shè)計(jì)了“工程師如何改變暖寶寶中的化學(xué)反應(yīng)速率”的教學(xué)。

查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，有許多老師設(shè)計(jì)了以“暖寶寶”為情境的教學(xué)案例，如江蘇南京顧曄老師的《“暖寶寶使用前后主要成分的探究”的教學(xué)實(shí)錄》[2]、江蘇泰興熊宗齊，徐泓老師的《“暖寶寶”反應(yīng)原理和產(chǎn)物組成的探究》[3]、江蘇南京周良駿老師的《利用傳感器探究暖寶寶的發(fā)熱原理》[4]等，這些教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容在于對“暖寶寶”組成成分的分析和原電池原理的探究。本教學(xué)設(shè)計(jì)在借鑒已有研究的基礎(chǔ)之上，結(jié)合原電池原理，化學(xué)反應(yīng)速率等原理進(jìn)行綜合考慮，將教學(xué)納入一個更真實(shí)、更多元的教學(xué)情景中，在更廣泛的視野下發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，體現(xiàn)學(xué)科思維能力。

二、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：成分鑒別，用化學(xué)方法認(rèn)識物質(zhì)

[引入]多媒體展示常見的自發(fā)熱產(chǎn)品：暖寶寶、自熱米飯、自發(fā)熱艾灸隨身熱敷貼。并且給每個學(xué)習(xí)小組分發(fā)一片暖寶寶，引導(dǎo)打開包裝袋，感受暖寶寶的溫度。

[教師]提示學(xué)生閱讀產(chǎn)品說明書，并讓學(xué)生設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案來驗(yàn)證其中的Fe、NaCl、C這些成分。學(xué)生經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和總結(jié)，得方案如下：

（1）鐵粉驗(yàn)證：用磁鐵吸引混合物，分離出部分“鐵粉”，然后將鐵粉加入到一定濃度的鹽酸中，觀察現(xiàn)象，取試管中上層清液或者過濾后取濾液，加入KSCN溶液、H2O2。

（2）NaCl驗(yàn)證：取適量混合物溶解于水中，過濾待用。

Na+驗(yàn)證：焰色反應(yīng)。

CI-檢驗(yàn)：取上述濾液適量，加入HNO3酸化的AgNO3溶液觀察現(xiàn)象。

環(huán)節(jié)二：聯(lián)想發(fā)散，探究發(fā)熱原理

[教師]暖寶寶能發(fā)熱，必然發(fā)生了放熱的化學(xué)反應(yīng)，請問大家參與反應(yīng)的物質(zhì)可能是什么？

[學(xué)生1]可能有O2，因?yàn)檎f明書中明確指出本產(chǎn)品開袋即發(fā)熱，由此推測O2參與了該放熱反應(yīng)。

[學(xué)生2]可能是碳粉，因?yàn)镃和O2反應(yīng)是放熱反應(yīng)。

[學(xué)生3]應(yīng)該不會是碳粉，C在常溫下是非常穩(wěn)定的，但暖寶寶在打開袋子后就能發(fā)熱，C不具備反應(yīng)的條件。

[學(xué)生4]感覺是鐵粉參加反應(yīng)，因?yàn)橛蠴2，成分中有H2O，具備鐵生銹的條件，但是鐵生銹也沒有這么快??？

[學(xué)生5]可能是NaCl，不然NaCl在里面有什么作用？

反思：從學(xué)生的回答說明學(xué)生具備一定的證據(jù)推理能力，但學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到新的情景，解決新問題時所體現(xiàn)出的素質(zhì)和能力有所欠缺，對新情境的感知和處理能力、舊知識與新情境的鏈接能力有待提高，即學(xué)生的遷移能力不夠強(qiáng)[5]。所以教學(xué)中一方面要加強(qiáng)學(xué)生對知識熟練程度，另外教師在教學(xué)中要注重學(xué)生遷移能力的培養(yǎng)，有意識地引入一些將知識融入新情景中的教學(xué)主題。

[教師]展示已經(jīng)使用后的暖寶寶固體混合物，觀察顏色，略有紅褐色物質(zhì)出現(xiàn)，并用磁鐵再次吸引，吸引的混合物量減少，證明Fe參加反應(yīng)。有這些證據(jù)后，同學(xué)們能想到暖寶寶里面發(fā)生的什么反應(yīng)嗎？

[學(xué)生6]暖寶寶里面發(fā)生的反應(yīng)應(yīng)該就是鐵生銹？

[教師]根據(jù)各種證據(jù)推理，暖寶寶里面發(fā)生的反應(yīng)就是鐵生銹，鐵生銹的反應(yīng)可以簡化為：4Fe（s）+3O2（g）->2Fe2O3（s），該反應(yīng)的△H=-3296.8kJ/mol<0，所以鐵生銹是一個放熱反應(yīng)。

[提問]此反應(yīng)能直接利用其熱量嗎？如果要利用熱量怎么辦？

[學(xué)生]鐵生銹反應(yīng)比較緩慢，放出的熱量很快就散失，所以起不到保暖的作用，因此必須想辦法加快該反應(yīng)的反應(yīng)速率，使該反應(yīng)的熱量更迅速地釋放出來。[教師提問]暖寶寶是如何加快了鐵生銹的化學(xué)反應(yīng)速率呢？

[學(xué)生討論]加快鐵生銹的方法。

[教師引導(dǎo)]回顧一下鐵生銹的種類，多媒體展示鐵析氫腐蝕、吸氧腐蝕的條件。暖寶寶中的Fe、H2O、NaClC創(chuàng)造了鐵的吸氧腐蝕的條件，形成原電池從而加快了該反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率。暖寶寶中鐵的吸氧腐蝕過程可簡化為：

負(fù)極：Fe-2e-→Fe2+

正極：O2+2H2O+4e-→4OH-

總反應(yīng)：2Fe+O2+2H2O→2Fe（OH）2 （1）

4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3 （2）

2Fe（OH）3→Fe2O3+3H2O （3）

環(huán)節(jié)三：深入探析，探究化學(xué)反應(yīng)速率影響因素

[教師引導(dǎo)]請大家再次閱讀使用說明，注意使用注意事項(xiàng)（1）不能在洗浴后立即使用暖寶寶;（2）不能和電熱毯等加熱產(chǎn)品同時使用，不能在睡覺時使用。請思考為什么？

[實(shí)驗(yàn)展示]隨意取一包學(xué)生的暖寶寶用溫度計(jì)測量溫度，然后將暖寶寶貼在裝有75C熱水的燒杯壁3分鐘，模擬家用取暖設(shè)備，取下暖寶寶3分鐘后測量溫度。

[教師提問]通過實(shí)驗(yàn)大家知道為什么不能和電熱毯等加熱產(chǎn)品同時使用，也不能在蓋棉被時使用了嗎？

[學(xué)生總結(jié)]加熱使化學(xué)反應(yīng)速率加快，單位時間內(nèi)放出更多的熱。

[教師]室溫（15℃）下，正常使用暖寶寶，溫度在38℃左右，但是加熱后，反應(yīng)速率加快，放出大量的熱，同時棉被隔熱能力好，暖寶寶產(chǎn)生的熱不能及時散發(fā)，也相當(dāng)于對暖寶寶加熱。所以使用暖寶寶請遵循使用注意事項(xiàng)。

[多媒體展示]因?yàn)楫a(chǎn)品在使用前不能發(fā)生反應(yīng)，所以袋子材質(zhì)要很特別，由原料層、明膠層和無紡布袋組成。無紡布袋是采用微孔透氣膜制作的，它還得有一個常規(guī)不透氣的外袋——明膠層。在使用時，去掉外袋，讓內(nèi)袋（無紡布袋）暴露在空氣里，空氣中的氧氣通過透氣膜進(jìn)入里面。

[教師]可以看出來工程師通過不透氣的外袋隔離O2來控制反應(yīng)的啟停。如果加大O2的濃度會怎樣？如何加大O2濃度？

[實(shí)驗(yàn)展示]

結(jié)論：將暖寶寶成分和空氣直接接觸以及將氧氣通過暖寶寶成分中都是加大了O2的濃度，溫度升高，說明反應(yīng)的速率加快，所以單位時間內(nèi)放出更多的熱量，因此工程師選擇了合適的具有微孔透氣膜制作的無紡布袋來控制O2的濃度，從而控制化學(xué)反應(yīng)速率的快慢。

[實(shí)驗(yàn)展示]取暖寶寶，然后在表面加適量水，模擬洗浴后直接使用暖寶寶

分析：本實(shí)驗(yàn)并沒有得到想要的結(jié)果，溫度變化和正常使用并無區(qū)別，嘗試用加濕機(jī)制蒸氣的方式加水、直接將暖寶寶放入水中都沒有明顯的變化，可能原因在于控制O2流通速度的無紡布袋能有效阻止水的進(jìn)入，有待繼續(xù)研究。使用說明告誡洗浴后不能馬上使用，可能原因是洗浴后體溫較高的原因，或者水在蒸發(fā)的過程中會緩慢進(jìn)入而加快反應(yīng)的速率。

環(huán)節(jié)四：回歸現(xiàn)實(shí)，關(guān)注社會生產(chǎn)，培養(yǎng)社會責(zé)任

[教師]化學(xué)理論、原理來源于生產(chǎn)，反過來又在促進(jìn)生產(chǎn)中發(fā)揮巨大作用，從近代化學(xué)工業(yè)發(fā)展來看，沒有扎實(shí)的化學(xué)理論基礎(chǔ)研究，就不可能有先進(jìn)的化學(xué)工業(yè)，氨的合成便是化學(xué)與生產(chǎn)相結(jié)合的一個典型例子[5]，可以說在現(xiàn)代生活中，化學(xué)理論、原理為社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，暖寶寶全球每年消耗量達(dá)十億片，它是化學(xué)服務(wù)生活的典型例子，至此我需要告訴大家一個真相，“暖寶寶”是日本一家企業(yè)經(jīng)國家工商行政管理總局商標(biāo)局核準(zhǔn)注冊的注冊商標(biāo)，并不是冬季取暖片產(chǎn)品的通用名稱，其他廠家生產(chǎn)的類似產(chǎn)品不能叫“暖寶寶”，為了避免侵權(quán)只能叫“取暖包”、“暖貼”、“熱力貼”“暖寶寶貼”等[6]。其實(shí)“暖寶寶們”原理很簡單，中國也能生產(chǎn)品質(zhì)優(yōu)良的發(fā)熱產(chǎn)品，但是日本卻將實(shí)際的化學(xué)原理運(yùn)用于生活，并服務(wù)于生活，這是我們需要學(xué)習(xí)的地方。

三、設(shè)計(jì)反思

清華大學(xué)資深教授錢穎一曾經(jīng)說到：“我們對教育的重視，主要體現(xiàn)在對教育價值的認(rèn)知是知識獲取（學(xué)生角度）和知識傳授（教師角度）。目前的教育是一個以知識為中心的教育，學(xué)生的職責(zé)是學(xué)習(xí)知識，而教師的職責(zé)是傳授知識”。顯然傳統(tǒng)的只重視“知識”本身的教育不太適合時代的發(fā)展，所以“新課標(biāo)”提出，化學(xué)課程必須以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，立足于學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代生活和未來發(fā)展的需要，充分發(fā)揮其整體育人功能。

教師如何達(dá)到“新課標(biāo)”的教學(xué)要求，如何讓化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地？那就是在教學(xué)中設(shè)計(jì)滿足學(xué)生多元發(fā)展需求的高中化學(xué)課程，選擇體現(xiàn)基礎(chǔ)性和時代性的化學(xué)課程內(nèi)容[7]。一般復(fù)習(xí)課的基本要求是記憶、理解、應(yīng)用（會做題）相關(guān)知識，但按照布魯姆知識體系來看，記憶、理解、應(yīng)用還只是初級認(rèn)知[8]，也僅僅是皮亞杰“圖式”理論中簡單的“同化”而沒有向認(rèn)知的更深層次發(fā)展[9]。本課程設(shè)計(jì)中，以學(xué)生生活現(xiàn)象為教學(xué)素材，綜合地運(yùn)用了物質(zhì)檢驗(yàn)，化學(xué)反應(yīng)中的能量變化，原電池原理和化學(xué)反應(yīng)速率影響因素等化學(xué)原理，學(xué)生在運(yùn)用這些原理解決問題過程中，不但促進(jìn)了對原理本身的認(rèn)識，更促進(jìn)了學(xué)生分析問題，解決問題等重要的思維能力，促進(jìn)了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[9]程昭.學(xué)生氧化還原反應(yīng)概念的認(rèn)知發(fā)展研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2014：5-7