基于真实情境的项目式学习案例的设计与实施

廖荣滔

摘要：以“探秘火箭推进剂”为主题，开展高中化学“化学反应的热效应”的教学。学生通过完成“了解火箭推进剂”“火箭推进剂的选择”“火箭推进剂的发展与展望”“未来火箭推进剂的研究方向”等4个项目任务，理解了反应热的原理，培养了学生的文献检索能力、实验探究能力以及发展了学生的高阶思维能力。将文献查阅与学生实验相结合，让学生在真實情境中，完成反应热等相关知识的内化。

关键词：项目式学习;化学反应的热效应;火箭推进剂

文章编号：1008-0546（2022）10-0055-04中图分类号：G632.41文献标识码：B

一、项目主题内容分析

通过高中化学必修第一册和选择性必修1有关化学反应热效应的学习，学生理解了化学反应热效应的有关概念，掌握了热化学方程式的书写和有关燃烧热和盖斯定律的计算。具备了有关化学反应热效应的计算、分析和归纳等能力。但缺少从真实情境中如何选择物质、评价化学反应的思路;缺少从能量视角研究化学反应的思路。在所学知识的基础上，从化学反应规律出发，引导学生用化学反应热效应原理探秘火箭推进剂，根据热化学方程式，以及与盖斯定律相结合的反应热计算，分析化学反应，形成合理选择和利用化学反应的思路。帮助学生在化学层面上找到分析问题和解决问题的方法，建立认识化学反应的能量视角，完善物质变化观念，培养学生从生活中学习化学的意识，提高学生的探究能力、动手能力以及合作能力。

二、项目教学目标

（1）通过了解火箭推进剂的种类及反应原理，知道获取能源的途径，认识能量变化的原因，发展学生宏观辨识与微观探析的核心素养。

（2）通过书写热化学方程式，计算燃烧热，比较、评价化学反应，初步形成分析推理、对比归纳能力，发展学生变化观念与平衡思想。

（3）通过了解火箭推进剂的发展历程，感受科技对人类社会进步的促进作用，从STSE角度认识并体会化学反应中能量变化的价值，发展学生科学态度与社会责任感。[1]

三、项目任务及教学流程

见表1。

四、项目实施过程及学生学习成果

1.了解火箭推进剂

（1）观看视频谈感受

教师：播放2022年2月27日中央电视台的新闻报告《长征八号成功发射，一箭22星创纪录》，要求学生观看后发表感受。

学生：1970年中国将“东方红一号”卫星送入轨道，由此拉开了中国航天的序幕。如今，“北斗”“神舟”“天舟”“嫦娥”“玉兔”“天问”……星辰大海中，中国“星”亮晶晶。中国已由航天大国开始迈向航天强国。我们曾经艰难，曾经受制于人，但有着自力更生、艰苦奋斗精神的中国人民，迈向航天强国的步伐无人可以阻挡，随着神舟十三号载人飞行任务的实施，在不久的将来，“中国空间站”将会在星辰大海中独领风骚。作为新时代的青年，应勤奋学习、锤炼身心，努力做新时代具有过硬本领和高尚品格的接班人。

（2）调查火箭和火箭推进剂的发展历史

教师：我国航天事业蓬勃发展，神舟十三号，天舟三号发射成功，长征系列火箭功不可没。今天我们选择火箭升空的动力来源——推进剂作为研究对象，上周已布置了对火箭及火箭推进剂发展史进行调查研究的任务，请各小组派代表进行展示。

学生：通过网络查找相关文献并进行整理和归纳，火箭推进剂发展历史以火箭的第一级推进剂为例，可分为四代，第一代：火药;第二代：燃料是偏二甲肼，氧化剂是四氧化二氮;第三代：燃料是煤油，氧化剂是液态氧;第4代：燃料是液态氢，氧化剂是液态氧。图1是某学习小组展示的调查结果。

（3）用火柴自制小火箭

①任务引导

教师：你知道火箭发射和飞行的原理吗？

学生：火箭的发射和飞行符合牛顿运动定律，火箭发动机内推进剂发生化学反应时，产生大量的热和气体，喷出的高速气体给予火箭本体一个反作用力，使火箭的速度产生变化。

教师：图2是液体火箭和固体火箭发动机构造的区别，但火箭发射和飞行的原理是一样的，都是发动机内推进剂发生化学反应喷出的高速气体推进火箭。你能用实验模拟火箭的发射吗？

②实验探究

在查阅了相关的文献后，同学们分组讨论，制定了实验计划。

用一小块铝箔把一根剪断的火柴头和火柴梗紧紧包裹成圆柱形，包紧火柴头使其前方不透气。再取一小块正方形的铝箔，中间用铁钉戳穿，并套到包紧火柴头和火柴梗的圆柱形的铝箔上捏火箭尾翼状。

取出火柴梗，把包紧火柴头的圆柱形铝箔套在回形针做成的发射架上。划着另一根火柴，隔着铝箔加热里面的火柴头（具体操作见图3）。

③实验现象

火柴头被引燃后，看到火柴头像火箭一样“嗖”地一声飞了出去，留下一道白烟。

④实验结论

火药燃烧产生大量的热和气体，气体迅速膨胀，由于气体被铝箔束缚着，只能从预留的通道高速喷出，由于反冲作用，火柴头像火箭一样“嗖”地一声飞了出去。

2.火箭推进剂的选择

（1）定性比较各代火箭推进剂

教师：同学们，能从多个角度来分析各代液体火箭推进剂的优缺点吗？

学生：结合文献进行整理并完成下表（表2），学习小组汇报各代火箭推进剂的优缺点。

（2）定量比较各代火箭推进剂

教师：你能从定量的角度比较各代火箭推进剂吗？请完成以下习题。

已知：①10.0g液态偏二甲肼（C2H8N2）与液态四氧化二氮完全燃烧生成气态物质可以放出425kJ热量;②煤油主要成分是C12H26，其燃烧热为8571.4kJ·mol-1;③某些共价键的键能数据：H-H：436.0kJ·mol-1、O=O：497.3kJ·mol-1、O-H：462.8kJ·mol-1;④H2O（g）=H2O（l）ΔH=-44.0kJ·mol-1。根据以上数据书写三类液体推进剂燃烧的热化学方程式。

学生：三类液体推进剂燃烧热化学方程式分别是：C2H8N2（l）+2N2O4（l）=2CO2（g）+4H2O（g）+3N2（g）ΔH=-2550.0kJ·mol-1

2C12H26（l）+37O2（g）=24CO2（g）+26H2O（g）ΔH=-15998.8kJ·mol-1

2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）

ΔH=-481.9kJ·mol-1

教师：三类火箭推进剂的热值分别是多少呢？提示：热值就是单位质量（或体积）的燃料完全燃烧时所放出的热量，单位是J·kg-1。[3]

学生：通过计算，偏二甲肼、煤油和氢气的热值分别是：4.25×107J·kg-1、4.71×107J·kg-1和1.20×108J·kg-1。

教师：（1）为什么长征2，3，4号运载火箭一级燃料不选碳氢化合物而选偏二甲肼，氧化剂不选液氧而选四氧化二氮？（2）为什么火箭各级发动机选择的推进剂略有不同？

学生：（1）（引导学生从反应条件和燃烧产物等角度分析）使用偏二甲肼和四氧化二氮组合无需点火，混合即能反应，减少发生事故的可能性;使用偏二甲肼成本较低;使用偏二甲肼可以避免燃烧不完全造成积碳堵塞管道。（2）（引导学生从储存条件，用量等角度分析）各级火箭燃料用量不同;使用煤油和液氧组合成本低;使用煤油和液氧组合技术较为成熟。

教师：选用何种火箭推进剂要结合成本、性能、环境、安全等因素综合考虑，选用性能尽可能高（比冲高、热值高）、腐蚀性尽可能小、化学性质尽可能稳定、毒性尽可能小、价格尽可能便宜的火箭推进剂。

3.火箭推进剂的发展与展望

教师：随着航天技术的不断发展以及我国新一代运载火箭陆续投入使用，研发高性能推进剂成为趋势。火箭推进剂可以从哪些方面改良？

学生1：从环境保护角度考虑，相對于传统推进剂的产烟、有毒性和污染环境等缺点而言，新型推进剂应具有排烟少、燃烧反应无毒无害，可回收再利用等特点。

学生2：从安全角度考虑，新型推进剂生产原料要安全无毒，生产过程不产生有害物质，性质稳定，腐蚀性小，运输过程中不易发生爆炸等对人员造成危害。

学生3：从经济角度考虑，新型推进剂生产工艺尽可能简单，原料来源丰富，价格便宜。

学生4：从性能角度考虑，新型推进剂应具有更高的热值、密度和比冲。[4]

教师：详细介绍绿色推进剂标准。

4.未来火箭推进剂的研究方向

教师：通过研究，我们可以感受到火箭推进剂的发展对人类社会的发展和进步起到巨大的推动作用，体会到化学反应中能量变化的重要价值，更加坚定我们学好化学的决心。请从火箭推进剂的热值、比冲、环境等角度出发，以材料科学家的角色拟定未来火箭推进剂的性能以及可能的研究方向，各小组讨论后将未来火箭推进剂具有的性能和推进剂可能的研发方向以思维导图形式呈现出来，并与全体同学交流。

学生：从比冲、热值、安全、环保、经济等角度考虑未来火箭推进剂的性能并提出自己对未来火箭推进剂的研究设想，图4是某学习小组展示的“未来火箭推进剂的研究方向”的思维导图。

五、项目教学反思与改进建议

本项目以“探秘火箭推进剂”为总任务驱动，通过完成四个基于真实情境的项目任务，理解和巩固了化学反应热效应的原理，将文献查阅与学生实验相结合，让学生多角度地展示自己，旨在培养学生的文献检索能力、实验探究能力以及高阶思维能力。

本项目式学习研究中也暴露了学生在实际动手研究中存在的一些问题。首先，学生在实验方案的设计上存在不全面、不严谨的问题，变量控制意识不够，需要提高科学探究性的意识。此外，学生的思考比较浅显，不够深入，需要教师提出呈梯度递进的问题，多方面、多角度地引导学生深入思考并探究，使学生对实际问题的研究成为常态，养成思考和质疑的习惯。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]李成智.中国航天技术的突破性发展[J].中国科学院院刊，2019，34（9）：1014-1027.

[3]史冬雨.轻烃混合燃气下蜂窝状阻火器的阻火特性研究[D].西安：西安石油大学，2019.

[4]杜宗罡，史雪梅，符全军.高能液体推进剂研究现状和应用前景[J].火箭推进，2005（3）：30-34，49.