“化学反应与能量转化专题复习”项目式教学

王旭斌

摘要：以“暖身贴的原理探究”为实验主题，学生通过完成“暖身贴发热过程中的化学原理探究”“巩固暖身贴电化学发热背后反应热量变化的本质原因及原电池工作原理”“暖身贴升温较快及持久保温的原理探究”三个任务，复习巩固了“化学反应与能量转化”专题的相关内容，同时也锻炼了真实问题的解决能力，体现素养教学。

关键词：项目式教学;暖身贴;化学反应与能量转化;教学案例

文章编号：1008-0546（2021）04-0073-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.019

一、项目主题内容分析

探索有效的教学模式来提升教学质量，一直以来是教师教学努力的方向。目前项目式教学模式在我国不断被推广，是由于项目式教学能够使学生经历成果导向下的综合任务完成过程，形成真实情境下的复杂问题解决思路，对培养学生的实践应用及迁移创新能力有着独特的功能和价值[1]。因此，利用高中化学学科知识来解决真实情境问题的项目式教学，应该是提升复习课效率和学科素养的有效途径。

“暖身贴的原理探究”是基于项目学习理论设计和实施的苏教版高中《化学1》必修课程复习课教学案例，相比以往传统的知识梳理、习题巩固的复习方法不同，本案例让学生以“暖身贴发热原理”为研究主题，开展以“化学反应与能量转化”专题的相关重要知识为依托的实验设计与探究、交流讨论与评价的小组合作活动，综合考查了化学学科知识应用能力及化学学科方法的实践能力。“暖身贴的原理探究”活动呈现的与“化学反应与能量转化”专题[2]相关内容的联系，如图1。

日常生活中被人们广泛使用的保暖产品“暖身贴”，其成分中除了蛭石、吸水性树脂外，铁粉、水、活性炭、食盐都是学生非常熟悉的化学物质，其快速发热的原理及持久保温的特性能很好地激发学生兴趣。围绕“暖身贴”的成分功能，使用方法，快速发热及保温持久等方面开展研究，既可以帮助学生复习巩固“化学反应与能量转化”专题中“化学反应速率的影响因素”“化学反应中的热量变化”“化学能转化为电能”等相关知识，又可以提升学生利用学科知识结合实验探究来解决生活实际问题的能力，形成学科知识及学科方法解决真实问题的思维方式，达成复习课素养教学目标。因此，将项目学习主题确定为“暖身贴的原理探究”，学习成果确定为“化学反应与能量转化”专题中相关知识巩固与应用。

二、项目教学目标

1.通过对“暖身贴”发热原理的探究，认识其持久保温的原理，巩固化学反应过程中热量变化的本质原因，原电池工作原理模型及化学反应速率的影响因素。

2.通过对“暖身贴”发热原理的探究，形成较强的问题意识（表1中的任务1和3），通过交流与讨论，设计实验方案，操作实验过程，分析实验结果，分享实验成果等形式来提升学生的科学探究能力和信息素养（传感器的应用）。

3.通过经历真实问题解决过程，帮助学生形成问题解决的思路方法，认识化学学科知识在生产、生活中的应用价值，从而发展学生对化学价值的认识水平。

三、项目任务及教学流程

项目学习活动应该聚焦项目学习中关键问题的解决来考虑，即活动内容应体现学科思想方法的应用，活动组织顺序应遵循项目成果达成或关键问题解决的逻辑顺序[3]。依照上述活动设计思路和教学目标，制定以下项目任务及教学流程，如表1所示。

四、项目实施过程及学生学习成果

1.探究“暖身贴”发热过程中的化学原理

【问题驱动】“暖身贴”是我们日常生活中常见的保暖产品，而且简单实用，同学们知道它的发热原理吗？

【布置任务】请同学们以小组为单位仔细阅读提供给大家的“暖身贴”产品说明书，说说其中的成分组成、使用方法，并交流讨论各种成分在其发热过程中可能发挥的作用后进行反馈。

【学生活动】6人一小组的形式展开讨论，收集组员观点进行统一汇报与交流。

【学生观点】产品组成为铁粉、活性炭、水、食盐、蛭石、吸水性树脂，使用方法很简单，打开包装袋就会发热，贴到需要保暖的部位即可，但要注意使用安全。至于发热的原因，应该是里面的铁粉、活性炭、水、食盐之间发生了化学反应放热所致，但蛭石与吸水性树脂的作用不明确。

【学生补充观点1】包装未打开前不发热，开打包装才能发热，说明空气中的氧气也应该是发热的必须条件，因此，一定是发生了复杂的氧化还原反应。

【學生补充观点2】我们组有同学曾经打开过“暖身贴”内包装，里面是黑色的混合物，基于前面两组同学的观点，我们思考成分中铁粉、水、食盐、活性炭以及氧气还形成了原电池，也就是可能还有铁的电化学腐蚀存在。

【教师总结评价，布置新任务】同学们结合已有的知识，判断“暖身贴”发热，是因为药品成分与空气中的氧气发生了复杂氧化还原反应，而且还可能形成了原电池，是电化学放热反应的过程，同学们的观点值得鼓励，这是将化学知识用于解决真实问题的行为表现。那么该如何证明发生氧化还原反应而放热呢？并且还可能形成了原电池？请同学们进行交流与讨论，再结合老师提供的实验仪器设计实验，并验证大家的预判。

【学生活动】学生分成A、B两大组，A组中的各小组设计实验探究“暖身贴”发热过程中温度的变化情况以及氧气浓度的变化情况，①温度探究：接通温度传感器，置于一广口瓶中，往瓶中加入适量的“暖身贴”药品（适时搅拌），记录数据;②氧气浓度探究：接通氧气传感器，往广口瓶中加入适量药品后，立即塞上带氧气传感器的胶塞（密闭体系下监测氧气消耗情况），记录数据。B组中各小组设计实验探究铁棒、碳棒、氯化钠溶液能否形成原电池：将适量的饱和氯化钠溶液置于电解槽中，铁棒、碳棒插入电解液中，与电压、电流传感器连接（形成闭合回路），观察是否有电流与电压产生（定性为主）。代表性实验设计装置如图2（选择了小组中合理的设计），活动完成后，相互分享、交流实验结果。

【学生汇报结果】A组代表：从实验探究可知，①“暖身贴”发热过程中温度上升较快，如图3（数据突跃情况为搅拌药品过程中增大氧气与铁粉的接触面积所致），反应10分钟后，药品与空气接触边缘还有棕黄色产物（Fe3+）。②瓶内氧气浓度明显下降，说明发生了氧化还原反应，如图4。B组代表：从实验探究可知，铁棒、碳棒、食盐水的闭合回路可以产生电流（电流不是很稳定，数据突跃为改变电极间距离所致）、电

【教师总结评价】通过分组实验探究，同学们验证了“暖身贴”因铁粉、水、氧气之间发生氧化还原反应而放热，且属于构成原电池的电化学放热过程，同时，大家在实验中还体验了传感器在化学实验探究中的创新性和优势（直观，定量）。通过活動研究，希望同学们认识到实验探究才是支撑理论分析的重要手段，更要明白创新技术给科学研究带来的便利。

2.巩固“暖身贴”电化学发热背后反应热量变化的本质原因及原电池工作原理

【布置任务】①请同学们从化学反应的本质角度说说“暖身贴”的发热原理，并画出能量与反应历程关系图;②请同学们以“暖身贴”中形成的原电池为模型，说说原电池的工作原理及形成条件，并画出工作原理模型图。

【学生汇报总结】①由于“暖身贴”发热的主要反应为：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2，从化学反应本质看，打破2mol Fe，1mol O2，2mol H2O中的化学键吸收的总能量小于形成2mol Fe（OH）2中化学键所放出的总能量，反应放热。如图7。②从实验中铁棒、碳棒、食盐水形成的原电池可知，一个自发进行的氧化还原反应（2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2）是构成原电池的核心条件，活泼性不同的电极、闭合回路、电解质溶液（不一定参与反应）也是基本条件;工作原理：外电路负极物质发生氧化反应（Fe-2e-=Fe2+），失电子经导线转移到正极，正极物质得电子发生还原反应（O2+2H2O+4e-=4OH-），内电路电解质溶液中的离子为了平衡因电子得失导致两极附近溶液电荷不平衡而发生定向移动，从而形成闭合回路，实现化学能与电能的转化，如图8。

【教师总结评价】利用建构模型，同学们很好地巩固了反应放热的本质及原电池的工作原理，希望同学们能根据认知的模型继续去解释新的问题。

3.暖身贴升温较快和保温持久的原理探究

【布置任务】产品说明上表明“暖身贴”10min可上升到4O℃以上（活动探究中也已证明），且指出保温时间至少有10h。请大家结合“蛭石”和“吸水性树脂”的功能介绍，如图9所示，再结合影响反应速率的相关知识，分组讨论升温快且保温持久的可能原因。

【学生观点】从铁的电化学腐蚀以及产物的颜色可知“暖身贴”温度上升较快应该还有一个原因，即4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3也是放热反应。

【学生补充观点1】反应过程中形成了原电池可以加快反应放热，且放出的热量被蛭石及时“锁住”，不仅保温持久，而且也会使化学反应发生的环境温度升高，加快反应速率，促进热量放出。

【学生补充观点2】产品成分中铁以细小的铁粉形式参与反应，增大了接触面积，也可加快反应速率。

【教师总结评价，布置新任务】同学们结合所学反应速率的相关知识，将“暖身贴”发热过程中升温快的原因分析得很到位，其实通过卡片资料，我们可以了解到“蛭石”以及“吸水性树脂”的关键用途：吸水性树脂吸水后混合在产品成分中，起到反应发生所需水分的补给作用，而蛭石的保温性能不仅让产品本身的保温时间延长，而且“锁住”的热量可以促进水变成水蒸气和升高反应环境的温度，两种条件的改变都可加快反应的速率，促进升温。所以说，整个发热过程相辅相成，可见小小的“暖身贴”产品，设计过程充满了科学与智慧。接下来，请同学们根据老师提供的实验材料及仪器，设计合理的实验方案，证明原电池的形成确实可以加快反应速率，并分享你们的设计方案。

【学生活动】学生分组讨论设计方案，并结合自己的方案进行实验验证，交流分享实验设计方案及结果。

【学生汇报结果】第I小组：取相同两铁片，其中一块用导线与碳棒连接，一起投入稀硫酸中，一段时间后称量剩余铁片的质量，发现与碳棒连接的铁片质量更小，说明形成原电池可以加快反应;第二小组：取相同两镁片，其中一片接上铜导线，一起投入稀硫酸中，发现接有铜导线的镁片很快消失了，说明形成原电池可以加快反应;第三组：取相同两铁片，其中一铁片用导线与碳棒连接，分别投入设有相对压强传感器两试管中，再同时加等量稀硫酸，观察压强变化，发现形成原电池的试管中压强明显更大;第四组……

【教师总结评价】通过实验，同学们都验证了原电池的形成可以加快反应速率，其实大家还可以相互比较谁的方法更简单、更科学、更创新。实践是检验真理的唯一标准，实验探究是解决科学问题最有效的途径，而创新意识更是科学发展的助推器，希望同学们永远保持严谨求实和创新的态度。

五、项目教学反思

项目式教学对教师及教学条件都提出了更高的要求，对一个项目的开发需要教师投入较多的精力与时间，项目的成功开展必须要有学校的教学条件支撑，如本项目活动中，传感器的应用是化学实验的创新教学方式，可是学校很难完全满足学生开展小组实验的要求，从而就失去了一个提高信息素养的机会。当然，本项目在复习课中的实施，切实的激发了学生学习的主观能动性，活动过程中学生的表现，真实反映了学生解决问题过程中的学科核心能力及不足之处，可帮助教师做出精准评价从而来提升后期的教学效率。

文献摘要

[1]陈颖，王磊，徐敏，尚荣荣，陈松，宁燕丹.高中化学项目教学案例——探秘神奇的医用胶[J].化学教育（中英文），2018，39（19）：8-14

[2]王祖浩.普通高中课程标准实验教科书：化学2（必修）5版[M].南京：江苏教育出版社，2009：29-4

[3]侯肖，胡久华.在常规课堂教学中实施项目式学习——以化学教学为例[J].教育学报，2016，12（4）：39-44

[4]王小路，黄晋，张友寿，龙威，夏露，李四年.耐火保温材料现状及发展[J].耐火材料，2016，50（1）：75-80

[5]齐葳芊.高吸水性树脂在日用化学工业中的应用[J].科技创新与应用，2013（32）：14