主题式实验探究

李周平 庞立霞

摘要：铝粉是一种能量密度高、且经济耐用的金属粉末。铝粉和水反应放出大量的热，已在生产和生活中得到了广泛应用。通过主题式实验教学探究自煮火锅加热包的工作原理，让学生在质疑、探究、生成中学习化学反应能量变化；探究相关物质在加热包中的作用；感受人类对化学反应释放的能量的利用。

关键词：主题式教学；实验探究；能量变化；铝；氧化钙；氢氧化钠；碳酸钠；放热反应

文章编号：1008-0546（2021）11-0088-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.11.022

一、问题提出

从20世纪40年代起，科学家就进行了铝与水反应的相关研究[1]。目前，该反应已被应用于鱼雷超空泡、水下推进系统以及新能源的制备等。近几年，随着消费水平的不断提升和生活节奏的加快，如今的自热食品衍生出了自热米饭、自热火锅、自热粉丝、自热面条、自热螺蛳粉、自热冒菜等多个品类。自热火锅是近年流行的网红食品，大多数自发热包是利用物质与水发生化学反应时释放大量能量，为自煮食物加热。发热包是自热食品能够达到自热条件物品之一，查阅相关的文献[2]，综合比较几种与水反应的金属密度、能量密度，发现铝是最好的燃料，而且铝既实用又便宜。对加热包的加热原理開展科学探究既有实用价值，又能训练科学探究的思维方法。本文以探究自煮火锅加热包为载体，以现实的主题式问题诱发学生去探究思考，激发和满足学生的认知非认知发展需求，将师生互动、协商、交流、合作、对话的教学落到了实处，培养学生的核心素养[3]。

二、探究流程

见表1。

三、探究过程：

环节一：情境导入

师：展示自加热火锅，并用自加热包煮火锅。

生：观看讨论，产生兴趣。

师：你知道自热包加热的原理吗？根据你的生活经验和所学的化学知识，你认为自热包中放的是哪些物质吗？

生：生石灰，氢氧化钠水溶液的反应。

师：展示自热包的主要成分：铝粉、氧化钙、碳酸钠、氢氧化钠（少量）

设计意图：通过创设真实情境，激发生成问题，开展有效活动，引导学生在知识应用中加深对知识的理解，促进知识重构和认识转变，力求实现从虚拟走向真实，从学科走向学生，从经验走向科学，从教学走向教育[4]。让学生用生活的眼光学化学，能激发学生的学习兴趣，让学生感受化学在社会发展中的重要作用。

环节二：探究CaO的作用

学生实验：在锥形瓶中加入4g研磨好的CaO和8mLH2O，用温度传感器测出反应放出的热量。

师：通过CaO和H2O反应释放的热量，能否把火锅煮沸。

生：不能，因为该过程中最高温度为64.4℃，并且高温持续时间短，因此不能把火锅煮沸。

师：多媒体展示资料卡片

师：根据以上数据分析，哪一种金属与水反应单位体积产生的能量最大。

生：单位体积的铝与水反应放出的能量最大。

师：铝与水反应用于水下推进剂，是超高速鱼雷动力推进系统的最佳能源选择。

设计意图：让学生在实验中体会CaO和H2O反应虽然是放热反应，但是放出的热量较少，并且高温时间短，不能为自热包提供较多热量，从而推动学生的思维，激发学生的探究意识。通过多媒体展示几种金属与水反应的能量密度，打破了认为铝和H2O不能反应的错误认识。将“情境”“活动”“问题”“知识”“认知”有效地整合，学生在既熟悉又陌生的情境中，体验探究、反思经验，培养深度学习能力，落实学科核心素养[6]。

环节三：探究Al粉的作用

学生实验：在锥形瓶中加入4gAl和8mLH2O，用温度传感器测出反应放出的热量。

师：铝加到水中，为什么温度几乎没有变化，这是为什么呢？

生：因为在铝的表面有一层氧化膜，阻止了铝与水的反应。

师：怎么除去铝表面的氧化膜呢？

生：用盐酸或氢氧化钠等强酸或强碱。

师：如果除去自加热包中铝粉表面的氧化膜用酸还是用碱好呢？

生：用强碱，可用氢氧化钠或氧化钙与水反应的产物氢氧化钙除去铝表面的氧化膜。

设计意图：让理论和实验发生冲突，再一次激发学生的思维和探究精神。让学生在活动中认识探究、体验探究、学会探究[7]。

环节四：探究NaOH的作用

学生实验：分别取4g铝粉和等质量的氢氧化钠、氧化钙研磨，将研磨好的混合物放到两个锥形瓶中，在锥形瓶中加入水，用温度传感器测出反应放出的热量，观察实验现象。

生：有氢氧化钠的锥形瓶中加入水立即产生大量的气泡，反应剧烈，放出大量的热。有氧化钙的锥形瓶中加入水开始没有明显的变化，3分钟后，开始出现了缓慢反应。

师：根据实验现象，加热包中的氢氧化钠的作用是什么呢？

生：除去铝粉表面的氧化膜，引发反应；反应开始后，氢氧化钠的作用又是除去铝与水反应后附着在铝表面的氢氧化铝。

师：是否可以在加热包中添加大量的氢氧化钠呢？

生：因为铝与氢氧化钠反应非常剧烈，反应难以控制；由于氢氧化钠易潮解，且有强的腐蚀性。

师：多媒体展示资料卡片

原料价格：Na2CO3：2000元/吨CaO：2800元/吨NaOH 3000元/吨

为什么加热包只加少量的NaOH，其作用是什么？根据原料的价格如何才能降低成本呢？

生：少量的NaOH的作用是为了快速除去铝表面的氧化膜；用Na2CO3和CaO反应生成NaOH，即能降低反应的速率，又能降低反应的成本。

设计意图：通过实验探究体会NaOH在自热包中的作用是除去铝表面的氧化膜，从而引发铝与水的反应。又通过问题为什么只加入少量的NaOH？使学生进行深度思考，通过对比三种原料的价格，得到用Na2CO3和CaO制备NaOH，比直接使用NaOH更廉价，加入Na2CO3和CaO的作用是为了产生NaOH。将原教材知识内容进行主题式的情境创设，通过实验探究、解决问题过程中的知识应用，实现对主题知识的网络建构[8]。

环节五：探究Na2CO3的作用

学生实验：在一个锥形瓶中加入1gCaO、2g Na2CO3和1gAl粉再加入8mL H2O，在另一个锥形瓶中加入2gCaO和2gAl粉再加入8mL H2O。用温度传感器测出反应放出的热量。

师：以上两个实验现象有何异同？你认为哪个反应更适合于自加热包？

生：两个反应的高温温度基本都在95℃，加入Na2CO3时高温持续的时间比较长，因此加Na2CO3更适合自加热包中的反应。

师：Na2CO3在此过程中的作用是什么？

生：Na2CO3与CaO的水溶液反应生成NaOH使反应比较缓和，能逐步产生NaOH，有效控制反应速率，可使高温持久。

设计意图：通过对比分析两组实验现象的异同，使学生在实验探究中得到加入Na2CO3的作用。通过真实问题情境的创设，开展多种探究活动，能促进学生学习方式的转变。这与新课程标准的基本理念“重视探究教学”“素养为本”是相契合的[9]。

环节六：归纳总结，优化方案

师：①通过以上实验的探究，你认为自加热包中的成分在加热包工作时起到什么作用？

②使用加热包需要注意什么？

③你期待着什么的自加热包出现？

生1：加热包中的供能物质是CaO、水和Al粉，Al粉是主要的供能物质；Na2CO3的作用是和Ca（OH）2反应生成NaOH，使高温持续时间较长。加热包中少量NaOH的作用是，除去Al粉表面的氧化膜，引发反应。

生2：加水不能太少也不能太多，严格按照水位线加水；防止液体飞溅；保证透气孔畅通，防止饮盒内压强过大。

生3：我期待没有强腐蚀性的自热包出现；能产生大量的热，不产生氢气。

生4：能够循环利用的加热包出现。

设计意图：通过实验探究培养学生“科学探究与创新意识”“科学精神与社会责任”，让学生在实验探究中能发现和提出有探究价值的问题，让学生体会化学对社会发展的重大贡献，具有可持续发展意识和绿色化学观念，能对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断。

四、反思

主题式教学是以某个主题为中心，是对教学主体的辩证统一和“教程”与“学程”的整合；使课堂教学从“有限封闭”向“无限开放”的转化；是融静态性与动态性于一体的、充分彰显教师与学生主体性的整体性教学[10]。《普通高中化学课程标准（2017年版）》强调重视“素养为本”的教学模式，发展学生的化学学科核心素养，这无疑对当代化学教育工作者提出了新要求——选取适切教学模式进行“素养为本”的课堂教学与实践。主题式教学是一种以“学生学习兴趣”为出发点，围绕“某一鲜明主题”进行核心知识、资源整合的教学模式，能够为跨越学科领域的知识建构与学习提供可能，也能够满足学生个性化、多样化的学习需求[11]。

化学是一门综合性、实践性较强的课程，必须坚持“学思结合、知行统一”的教育理念[12]。主题式教学中具有推进课程整合、提升思维能力、促进自主发展的作用。近年来，核心素养导向的高考命题凸显真实复杂情境下的任务驱动。通过对自热火锅构建主题式教学模式，扎实推进化学教學改革，促进学生形成快乐学习、善于思考、笃于践行的良好习惯，从而全面提升学生化学综合素养。主题式教学的课堂围绕教学主题展开，通过真实问题情境的创设，开展多种探究活动，能促进学生学习方式的转变。这与新课程标准的基本理念“重视探究教学”“素养为本”是相契合的。为实现有效教学，教师可以将主题作为课堂教学的灵魂，以学生的发展为目的，设计实效化的教学环节，丰富课堂教学的内涵[13]。

主题式实验探究以课标为依据，以实验为载体，对教材中原有实验的主题再设计，能对高中化学学科进行高效复习。把实验进行合理的归类、主题式组合，既避免原实验的简单重复，又将实验及相关知识进一步系统化。通过主题式教学的探究有助于学生对知识的网络建构。主题式教学的视野和意义远大于专题式教学，教师应加以重视。

参考文献

[1]郑邯勇.铝水推进系统的现状与发展前景[J].舰船科学技术，2003，25（5）：24-25

[2]仝大明，蔡水洲，谢长生，曾大文，夏先平.铝粉与水反应的电化学研究[J].含能材料，2013（2）：262-267

[3]宋曙波.主题式实验探究活动的探索—以铜溶于硫酸实验为例[J].中学化学教学参考，2020（10）：42-43

[4]胡珺晶，吴永才.高三复习课“氧化还原反应”的教学实录与反思[J].化学教育，2018（15）：29-33

[5]周态，王树宗.超空泡鱼雷推进系统相关问题设计初探[J].鱼雷技术，2006，14（5）：27-30

[6]许国平.基于主题式实验探究的“实验室气体制取专题复习”教学设计与反思[J].高考，2018（27）：178

[7]梁凤燕.让科学教学在有效中走向精彩[J].小学科学教师，2019（2）：50

[8]胡建芬.基于教材的主题式初中实验复习[J].中学物理教学参考，2018（10）：11-13

[9]陈巧玲，喻建军.“铝的化学性质”主题式教学实践[J].中学化学教学参考，2020（3）：29-32

[10]袁顶国，朱德全.论主题式教学设计的内涵、外延与特征[J].课程·教材·教法，2006（12）：19-23

[11]许焕民.“化学反应中的热量”主题式教学[J].中学化学教学参考，2020（14）：31-32

[12]郭峰.立足“学思行”教学理念构建小学语文单元主题式教学模式[J].齐鲁师范学院学报，2020（3）：69-75

[13]李芬.高中历史主题式教学模式的实践——以《近代中国资产阶级救国方案探索》为例[J].中学教学参考，2018（7）：72-73