运用数字化实验探究自制暖宝宝原料最佳比

徐敏

摘要：学生在社团课“自制暖宝宝”项目化实践活动中发现自制的暖宝宝开始发热慢、升温也慢、热效率低，运用数字化实验通过控制变量设计对比实验，探究自制暖宝宝中铁粉、蛭石、活性炭粉、食盐和水五种原料发热的最佳质量比，以利于教师课堂演示实验和学生分组实验。

关键词：新课标：项目式学习；暖宝宝

文章编号：1008-0546（2023）10-0093-02

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.019

一、问题和解释

2022年义务教育化学新课程标准颁布，新课标倡导“做中学”“用中学”“创中学”开展项目式学习，重视跨学科实践活动。[1]学生在社团课“自制暖宝宝”项目化实践活动中发现自制的暖宝宝开始发热慢、升温也慢、能达到的最高温度不高、热效率低。教师在“金属的冶炼与利用复习”一课中也让学生开展分组实验“自制暖宝宝”，也出现了同样的问题。为更好地解决这个问题，寻找到“自制暖宝宝”的原料最佳质量比，教师以“暖宝宝”为关键词在知网搜索，分析搜索结果中与制作暖宝宝有关的论文研究发现：

周良骏老师利用氧气、二氧化碳和温度傳感器探究密闭容器中暖宝宝的发热原理是铁与氧气和水的原电池反应放热。[2]周文荣老师利用压强、温度、氧气和湿度传感器探究暖宝宝的发热原理，同时利用温度传感器测定了5 g铁粉与1.5 mL水、1 g氯化钠和0.5g活性炭粉混合后的发热效果，并与5g市售暖宝宝的发热效果作对比。[3]蔡元启、吴家俊、吴俞翰三位同学通过设计对照实验组得出铁粉和活性炭质量比过大或过小都会减缓暖宝宝的反应速率，两者较合适的质量比约为5：1，食盐水浓度过高或过低都会使反应速率降低，最佳浓度在10%左右。[4]刘晴老师在课堂上让学生根据化学方程式计算出自制暖宝宝的原料最佳质量比为：铁粉占59%、水占22 %、活性炭占4%、吸水材料占0.3%、NaCI占3%、蛭石占11.5%.[5]

二、实验设计、过程和结论

上述教师和学生的实验中基本都是运用了对比实验手段，粗略测定了自制暖宝宝的原料最佳质量比，但实验过程中试剂用量都比较大，本着绿色化学的理念和方便学生进行分组实验的原则，教师重新设计了不同实验组（表1），并利用氧气传感器测定密闭体系中氧气浓度的变化曲线，利用温度传感器测定温度的变化曲线，通过氧气浓度的变化探究铁粉发生缓慢氧化的速率，通过温度的变化探究自制暖宝宝的发热效率。

实验中选用的自制暖宝宝的原料有：还原铁粉、活性炭粉、食盐、蛭石和水。实验中统一采用500mL三颈烧瓶进行实验（图1），分别利用威尼尔氧气传感器和温度传感器测定不同原料质量比下的氧气浓度变化曲线（图2）和温度变化曲线（图3）。

分析实验所得曲线，可以发现实验组中第6组原料比无论在单位时间耗氧量还是在单位时间温度升高值方面都明显优于其他实验组。实验13，氧气浓度下降和温度升高都非常缓慢。实验14和15组，氧气浓度下降速率比实验13稍快些，实验14温度略有升高，实验15由于多加了水，温度反而下降。实验12是增加的一组实验，探究在第6组实验的基础上再增加铁粉的质量，能否获得更快的耗氧速率和更高的温度值，数字化曲线显示仅增加铁粉的质量并不能达到预期的升温效果。

教师通过数字化实验分析得出自制暖宝宝的最佳原料配比为还原铁粉3 g、活性炭粉0.5 g、食盐1 g、蛭石1 g、水1 mL。教师按照该原料比进行实验发现在600 s内氧气浓度可以下降到9%，温度可以上升到42℃，低于市售暖宝宝的最高温度60℃，且保温效果不如市售暖宝宝（6-8小时）。市售暖宝宝的成分中含有铁粉、水、活性炭、蛭石、吸水性树脂和食盐，自制暖宝宝比市售暖宝宝少了吸水性树脂，可能是其升温速率和保温时长不如市售暖宝宝的主要原因。

三、实验反思

“自制暖宝宝”是由沪教版教材上册第5章金属的冶炼与利用第3节金属防护和废金属回收衍生出的项目式学习活动，由图3密闭体系中各配比原料的温度变化曲线可知在300 s（5 min）内，“自制暖宝宝”的温度可上升至40℃，对比人体温度37℃，仅上升了3℃，升温较不明显，若作为教师在课堂上开展的项目式学习活动，考虑到人体感知外界温度的范围（5℃以上才较为明显），建议采用普通温度计或红外线温度计测温度的方式来检验“自制暖宝宝”的项目式学习成果。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部．义务教育化学课程标准（2022年版）[Sl.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 周良骏，利用传感器探究暖宝宝的发热原理[J]．化学教与学，2012（6）：89-90．

[3] 周文荣．利用数字化实验探究铁粉型“暖宝宝”的发热原理——兼谈初中化学实验创新中的信息素养[Jl.化学教学，2018（1）：63-68．

[4] 蔡元启，吴家俊，吴俞翰．探究暖宝宝发热速率的因素[J]．发明与创新·高中生，2021（10）：27-290.

[5] 刘晴．STEM理念下的项目式学习设计——以制作暖宝宝为例[J]．化学教与学，2022（4）：57-60．