在应用中感受化学学科价值的教学设计

詹发云 周文荣

摘要：以酒精为例复习“燃料及其应用”，在生活应用中感知酒精燃料，在实验操作中制备固体酒精，在乙醇汽油应用中体悟利用效率，在新型燃料探索中开发未来能源，以真实的应用情境彰显化学的学科价值。

关键词：学科价值;酒精燃料;应用

文章编号：1008-0546（2020）10-0073-04

中图分类号：C632.41

文献标识码：B doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2020.10.019

一、设计背景

《义务教育化学课程标准（2011年版）》指出，从学生已有的经验出发，让他们在熟悉的生活情境中学习化学，帮助学生从科学、技术和社会相互联系的视角认识化学。知识的获得最好需要还原到知识建立的情境中去，同时再应用到具体的情境中才能实现知识的发展，实现其价值[1]。教学中要不断地从社会生活和新的科技发展中吸取新鲜信息，理解化学学科本质，提升学科核心素养，增强学生的社会责任感。本文从知识的应用视角让学生感受和认识化学学科的价值。

围绕“酒精”这一生活常用品展开“燃料及其利用”的复习，从生活应用中感知酒精的价值，从实验操作中体悟燃烧与灭火的原理，从乙醇汽油的探讨中体悟新型燃料的使用价值，增强环保意识和能源意识，认识到化学对经济社会发展的作用，彰显化学的学科价值，落实学科育人的目标。

二、设计思路

复习课的教学不能让学生机械地“被动塑造”，而应是积极地“自主构建”;教师不应是“以题为本”“再次告知”，而应是“搭建平台”“帮助重构”。“燃料及其利用”的复习主要包括“燃烧和灭火、燃料和热量、使用燃料对环境的影响”三部分内容，知识的难度并不大，让学生在真实、恰当、有趣的问题情境中进行深层次的再学习是教学设计的关键。本节课以酒精为燃料作为核心线索，融入燃烧条件、灭火原理以及燃料的综合利用和新能源开发等展开设计（教学设计思路见图1），在真实的情境中解决实际问题。

三、教学过程

1.在生活中感知

【教师】外出郊游往往自带一些食物，在户外一般给食物加热的方式有哪些呢？

【学生】木炭、卡式炉、加热包、固体酒精、就地取材（树枝等）等。

【教师】这是老师上次来宜兴郊游所带的一些白色固体燃料，猜猜是什么物质？

【学生】观察外型，发现包装内还有少量液体，可能是固体酒精。

【教师】固体酒精（固化酒精）是液态酒精的固体形态吗？你是如何得知或者判断的？

【学生l】不是，因为液态酒精在常温常压下是无色透明液体，而固体酒精是固体。

【学生2】不是，固体酒精燃烧后会有少量的白色或者黑色的固体残留，而液态酒精燃烧后的生成二氧化碳和水，无固体残留。

【教师】“固体酒精”这种新型固体燃料，并不是固体状态的酒精，是液态酒精与固化剂（如醋酸钙）形成的一种凝胶。

设计意图：化学与社会生活实际有着广泛而紧密的联系。课堂伊始，引导学生从日常生活现象和已有的生活经验入手，从资源、环保、携带方便等要素考虑一般在户外给食物加热的方式，交流讨论选出最合适的加热方式。从生活走进化学，是符合学生的认知规律，很好的调动学生学习的兴趣。

2在实验中探寻

【实验药品】

药品：无水酒精、饱和醋酸钙溶液、多种有色颜料、水

仪器：50mL小烧杯、200mL大烧杯、蒸发皿、石棉网、玻璃棒、lOmL量筒、火柴

【实验步骤】

（1）在50mL小烧杯中加入无水酒精约lOmL，挤入1滴你喜欢的颜料，搅拌均匀。

（2）在另一只50mL小烧杯中加入约SmL的饱和醋酸钙溶液，倒入刚才的lOmL酒精混合液，凝固塑形;

（3）用药匙取出少量固体放人蒸发皿中，用火柴点燃固体，观察火焰颜色;

（4）用你熟悉而简便的方式熄灭火焰。

【实验反思】

【问题l】点燃固体酒精的条件是什么？熄灭该固体的原理又是什么？

【问题2】从物质组成的角度看，为何一般含有碳、氢（氧）元素的物质具有可燃性？

【问题3】人们为什么要把液体酒精制作成固体酒精？日常应该如何保存？

设计意图：化学学科理解是指教师对化学学科知识及其思维方式和方法的一种本原性、结构化的认识。教学中要强化对学科本体知识的理解，深化认识学科本质[2]。从自制固体酒精到燃烧条件与灭火原理的回顾是属于本体知识范畴，从物质燃烧需要氧气，可以看出物质中碳、氢元素变成二氧化碳和水需要氧元素，也就是说从物质组成的角度看，含有碳、氢（氧）元素的有机物中只要碳、氧原予比不饱和（大于1：2），或氢、氧原子比不饱和（大于2：1）亦或二者均不饱和，这种物质一般具有可燃性，这才是对化学学科本质的探寻。

3.在应用中体悟

与传統燃料相比，乙醇作为一种新型生物燃料，广泛应用于餐饮业、旅游业和野外作业，正受到人们越来越多的关注，开发利用乙醇作为动力燃料，乙醇汽油应运而生。

【资料】92号乙醇汽油是由90%的普通汽油和10%的燃料乙醇（即体积比为9：1）调和而成。乙醇汽油比普通92号汽油碳氢化合物含量排放下降16.2%，CO排放下降30%，可以有效降低汽车尾气排放。汽油中加入燃料乙醇，提高了汽油中的含氧量，使得燃烧更加充分，提高了热效率。乙醇是一种良好的溶剂，易对汽车密封橡胶及其它非金属材料产生轻微腐蚀、溶胀，或软化龟裂作用，且乙醇在燃烧过程中还会产生乙酸，对汽车的金属会有轻微腐蚀。

（1）算一算：根据表l资料所示，你能计算出乙醇汽油中的含氧量吗？

【学生】9L92号汽油和1L燃料乙醇的总质量为：0.72kg/Lx9L+ 0.78kg/LxlL

1L燃料乙醇中的氧元素质量为：0.78kg/LxlLx（16÷46）

乙醇汽油中的含氧量：

【教师】有同学认为9L92号汽油和1L燃料乙醇最后的总结、体积为10L，大家再次讨论一下，从微粒的观点看，溶液混合后最后的总体积可否简单相加。若忽略体积变化，9L92号汽油和1L燃料乙醇的总质量可用0.75kg/Lx10L=7.5kg。

（2）想一想：乙醇含氧量高，使得燃料燃烧更充分，是否乙醇含量越高越好呢？

【学生】根据资料，在普通无铅汽油中添加10%的燃料乙醇，对金属、橡胶及其它非金属材料等基本没有影响，超过10%的乙醇，以上的问题会影响较大。

【教师】当在汽油中掺兑少于10%时，对在用汽车发动机无需进行大的改动，即可直接使用乙醇汽油。超过15%的乙醇时，以上的问题会有一定影响，必须添加有效的腐蚀抑止剂。

（3）试一试：有人担心使用乙醇汽油后，油耗会不会增加（油费增加）？油耗为行驶lOOKm所需要的燃料的体积。假设lOOKm消耗92号汽油量为10L的汽车，采用乙醇汽油，耗油量为多少？（假设能量利用率相同）。

【学生】通过小组讨论形成如下思路：（1）计算10L92号汽油产生的热量（2）产生相同热量所需要的乙醇汽油体积（3）92号汽油的以及乙醇汽油的价格比较。

【教师】10L92号汽油产生的热量：lOx0.72x43=309.6x103kJ;产生相同热量所需要的乙醇汽油体积309.6×103÷（39.8 x103）÷0.75 =10.37L; 10L92号汽油67.5元;10.37L乙醇汽油价格为68.23元，所以行驶lOOkm，乙醇汽油比92号汽油贵68.23元-67.5元=0.73元。按照当下的价格，乙醇汽油稍稍贵了一些，但燃料乙醇的生产资源丰富，技术日益成熟，是可再生能源。

（4）议一议：国家是否有必要推广使用乙醇汽油？

【学生】分小组进行科学计算、逻辑思辨，从污染防治、能源清洁、来源、价格以及自己的经验等多方面各抒己见，有自己的独特看法。大多数赞成推广应用，也有少数学生有保留意见。

【教师】事物的发展总有两个方面，过犹不及，如何让其合理应用，优化组合，权衡利弊，稳步推进也是政策制定的标准之一。目前全国乙醇汽油使用情况见图2的红色区域，与国家统计局2014年公布的全国13个粮食主产区相吻合，也切合了地域特点。相对于传统的普通无铅汽油，乙醇汽油具有燃料品质好，能量利用率高，环境污染少等优势，突出表现为它的经济性和环保性的特点。

中国工程院院士岳国君认为，发展生物燃料乙醇有利于促进粮食供求平衡，形成粮食生产和消费良性循环发展的局面。他还强调，尤其是东北地区有着发展生物燃料乙醇的产业基础，大力发展生物燃料乙醇，将有利于东北振兴，可以“让东北的土地再长出一个‘大庆油田”。

设计意图：通过四个这样的“问题链”，很好地培养学生的逻辑推理和思辨的能力。化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质[3]。化学教学要弘扬学科价值，充分发挥其育人功能，而不是简单的技能训练，要让学生在科学思维和严密逻辑的指引下，发现化学学科的独特魅力。“打好蓝天白云保卫战，绿水青山就是我们的金山银山，”提高生物燃料乙醇的使用和应用是国家战略，大部分同学认为大力推广这种新型优质汽车燃料，对环保、改善能源结构和促进农业生产等具有重大意义。

4.在拓展中提升

【教师】通过学习，你认为乙醇做为燃料利用的方向有哪些？未来有何期待？

【学生】乙醇燃料（包括固体酒精）、乙醇汽油、乙醇汽车等。

【教师】人们正在研究开发乙醇燃料电池，燃烧是化学能转化为热能，电池是化学能转化为电能，实现了能量的转化方式的变化。乙醇燃料电池易储存，易推广，与气体燃料电池相比，液体更方便储存和运输。乙醇基本无毒，一旦泄漏，对生物和社会的危害较小，且易被发现。

【教师】据我国工程、科学院预测，我国石油仅可供采14年。我国自1993年开始进口石油，2018年进口依存度已达到70.9%，超过国际公认的保障能源供应安全的依存度50%。同时，我国的环境污染，特别是大气污染，如近期频繁出现的雾霾天气日益严重，PM2.5严重超标，其中常规的汽油和柴油燃烧产生的NO和硫化物以及微粒占大气中PM2.5总量的25%。为了解决上述问题，我们将应当如何应对？

【学生】现有能源提高能源的利用效率，另外是开发新的能源。

【教师】传统的三大化石燃料是哪些？人们是如何提高其利用效率的？（举例）

【学生】煤和石油综合利用——煤的干馏和石油的分馏，让固体的煤和液体的石油变成多种成分使用，提高利用效率。将煤和石油变成气体物质作为燃料，例如煤干馏成份焦炉煤气-CO、H2、CH4等，石油分餾成分一汽油、煤油、柴油等，使其“增大与氧气接触面积”，燃烧更加充分，提高能量转化率。

【教师】吴仲华院士曾提出了能源利用必须“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”，才能达到最有效的目的。从我们的日常生活出发，提供充足的氧气;改善燃烧方式;增大燃料的接触面积。当下提高能源的使用效率，难度较大，短期内难以有大的突破，而开发新能源则是一条行之有效的办法。

【案例】人们在汽油中加入另一种物质X，与现有国标汽柴油（或组分油），按一定体积（或重量比）经严格科学工艺调配制成的一种新型清洁燃料。我国拥有丰富的煤炭资源，X可以从煤中提取，特别是利用高硫劣质煤和焦炉气生产，既可提高资源综合利用又可减少环境污染。它的资源可行性非常好，能够代替宝贵的石油资源。

【定性分析】X+02→CO2+H2O

【定量研究】X+O2 =CO2+H2O

如圖3，用李比希法测定X中碳氢元素质量。已知6.4g X完全燃烧产生的水被Mg（ ClO4）2吸收，装置增重7.2g，二氧化碳被NaOH吸收，装置增重8.8g。若X相对分子质量为32，则X是何物质，写出X燃烧的化学方程式。

学生通过计算得知，m（C）：m（H）：m（O）=3：1：4，n（C）：n（H）：n（O）=1：4：1，物质X为CH4O（甲醇）。燃烧的化学方程式2CH4O+3O2=点燃2CO+4H2O

【教师】从保护生态环境的考虑，CH4O的分子结构为一个碳、四个氢、一个氧，不管是动力燃烧还是热力燃烧，细微颗粒物的排放很少。由于其含有50%的氧原子，氮氧化物的排放也很低，因此甲醇燃料是对环境非常友好的清洁能源。因此推广甲醇汽车、使用甲醇燃料，对于减轻大气环境污染，打赢这场“蓝天保卫战”是极大的助力。

【教师】人们在不断地开发新能源和燃料，你对未来的能源（燃料）开发和使用有何建议（应具有哪些特点）？

【学生】小组讨论，各抒己见，来源广，可再生，无污染，热值高等，最后形成图4所示的归纳总结。

设计意图：人们对燃料的开发和利用一直在不断地追求和探索。从酒精的燃烧出发，设计甲醇的实验又一次从定性、定量和能量等多角度认识化学反应。学习化学是为了更好地运用化学知识为我们的生产生活服务，使得我们的环境更美、生活更好，生命更优！

四、教学后记

教材中对乙醇（酒精）的介绍限于其化学性质和基本用途，本节课让学生进一步认识和了解乙醇（酒精）更广泛的应用，进而对当下能源危机和污染危机作深层次的思考。学生的学习动机源于对知识的价值和使用价值的认识，即获得的知识能够真实应用到周围的环境中去，并能解决实际问题。教学要让学生更深刻的理解学科本质，这样才能使其在面临处理与化学有关的社会生活问题时能做出更理智、更科学的思考和判断[4]。

在深化课改融五育，全面发展育新人的今天，知识的价值更多地在于其承载的育人功能，化学教育的价值在于要让学生用绿色化、环境友好的观点去分析、处理、制造生活中的化学品，进而懂得用化学知识来改善生活，热爱化学而不恐惧，贴近化学而不远离，体验身边的、真实的、有用的化学是初中阶段作为化学启蒙教育的必修课。

参考文献

[1] 单旭峰，宋修明.真实情境的高考化学命题理论与实践[J].中学化学教学参考，2019（5）：1-5

[2] 肖中荣.基于学科育人的化学教学要注意“三要三忌”[J].中学化学教学参考，2019（6）：10-11

[3] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[4] 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012