刘东方 李 研 刘 伟 赵 飞
“燃烧的条件”内容属于“物质的化学变化”主题下“化学反应及质量守恒定律”的核心内容之一。《义务教育化学课程标准(2022年版)》(以下简称课程标准)提出了解化学反应需要一定的条件;通过实验探究认识燃烧的条件,理解燃烧和灭火的原理及其在生活中的应用;能运用变量控制思想设计燃烧条件等实验探究方案[1]。这部分内容有三方面价值,一是通过分析与推理、实验探究、归纳与总结等方式,掌握燃烧的定义及条件,增进对科学探究的体验,增强化学学习的兴趣,发展科学探究能力[2];二是通过对比试验,学会控制变量思想,培养预测实验结果、设计实验方案、分析事实、得出结论的能力;三是从物质变化、能量变化、反应条件、反应现象、元素守恒等视角认识燃烧,初步形成认识化学反应的系统思维意识[3]。
学生在日常生活中已经熟悉燃烧现象,在氧气及其实验室制取与性质验证的学习中,观察木炭、硫、红磷、铁丝、蜡烛等物质的燃烧,知道氧气能支持燃烧,知道物质与氧气间的反应属于氧化反应,知道物质的燃烧需要有氧气的参与;还经历了大量的实验探究,经历提出问题、猜想假设、设计实验、实施实验、收集证据、分析推理得出实验结论等过程,初步了解实验探究的过程与方法,这为设计实验方案、探究燃烧条件、得出燃烧定义奠定了理论与实践基础[4]。理解“燃烧的条件”有助于深入认识燃烧现象,引领“灭火的原理和方法”的学习。
随着核心素养的提出,“燃烧的条件”的教学呈现出很多以发展核心素养为目标的设计思路。例如,在新授课中,以情境教学理论为基础,将学生的日常生活经验与教学内容联系起来,或列举古代人们用火取暖、烧烤食物、驱逐动物、冶炼金属等情境[5],或以艾德荒野取火,培养学生的证据意识,发展学生证据推理与模型认知等化学学科核心素养[3],或以“钻木取火成功需要什么条件”为问题情境,驱动学生探究燃烧的条件,感受燃烧的价值[6]。在复习课中,以“探究锡纸中的化学奥秘”为主题创设真实的、能引发学生探究欲望的学习情境,引导学生在探究问题过程中进行“燃烧的条件”相关知识的学习[7]。在项目式教学中还要进一步思考和探索:当生活与学科知识紧密连接后,如何以真实任务和驱动性问题贯穿学习始终,以帮助学生的认知、情感和实践体验顺利融合,通过完成作品或成果,体现项目式教学的本质特征[8]。
从项目主题来看,打火机在日常生活中颇为常见,为人类的生活提供了便利。在打火机的内部结构中,液态丁烷作为打火机的燃料、压电陶瓷是实现打火机点火的关键部件、对比打火机与火柴工作原理的异同得出燃烧的条件、探究打火机燃料燃烧的生成物等任务中蕴含了大量的化学知识,与本节课内容密切相关,体现了化学学科与人类生活息息相关。
1.通过对比实验,巩固控制变量思想,掌握燃烧的现象、定义及条件,知道燃烧属于化学变化。(必备基础知识)
2.通过探究打火机的工作原理,能根据驱动性问题进行猜想与假设,开展科学探究;从物理与化学相结合的视角对打火机的点火过程进行解释说明,初步形成物质的性质决定用途的认识思路,培养学生自主设计实验方案的能力。(科学探究与实践、化学观念)
3.通过比较、归纳打火机的工作原理和火柴燃烧的异同点,得出燃烧的定义,建立从物质变化、反应条件、能量变化、反应现象等视角认识燃烧反应,初步形成认识化学反应的系统思维意识;通过解决真实问题,感受化学在生活中的应用,体会化学学科的现实价值。(科学思维、科学态度与责任)
首先,指导学生拆解打火机,了解打火机的内部结构。其次,引导学生从物理与化学相结合的角度探究“为什么丁烷适合作为打火机的燃料”,知道压电陶瓷能使丁烷达到着火点,进而了解打火机的工作原理。再次,比较、归纳打火机燃料燃烧和火柴燃烧的异同,掌握燃烧需要的条件,从多个视角认识燃烧反应,得出燃烧的定义。最后,完成项目作品,绘制打火机的工作原理图,并在师生之间进行交流讨论。本项目中教学任务、驱动性问题、学生活动、教师活动以及设计意图等教学流程如表1所示。
表1 教学流程
【展示实物,导入项目】展示打火机,供学生观察并体验打火机的工作过程。提出问题,打火机是如何产生火焰的?
【学生讨论,形成思路】将打火机进行拆解,分析各个部件在工作过程中的作用,讨论打火机是如何产生火焰的。
【驱动性问题】打火机的外观小巧精美,每个零部件在点火过程中都发挥着至关重要的作用。初步猜想打火机是怎样产生火焰的?
【分组实验】利用教师准备的平头螺丝刀、手套等工具,在教师指导下拆解打火机,打火机的主要零件如图1所示。
图1 常见压电打火机拆解示意图
【猜想与汇报】打火机是通过某种方式点燃液态燃料而产生火焰的。其主要零部件有:塑料外壳、压电陶瓷、按手、杠杆、喷气嘴、防风帽、调火环、引流芯等。
设计意图:通过拆解打火机,了解打火机的内部结构,培养学生动手操作能力与逻辑推理能力。
【驱动性问题1】塑料壳中的液体就是打火机的燃料,该液体是什么物质?为什么选用该物质作为打火机的燃料?为了缩小猜想范围,可以从以下四种物质中进行选择。
A.酒精 B.水 C.液态丁烷 D.液氮
【学生讨论与汇报】首先,经过实验验证,水和液氮不能燃烧,不能作为打火机的燃料,由此可以排除B、D 两个选项;其次,在拆解打火机的过程中,可以观察到打火机内部液体迅速汽化,由液态变成气态,并伴随一股刺激性气味。而酒精具有醇香气味,且液态酒精在常温下不会迅速由液态变为气态,由此可以排除选项A。综上,打火机内部的燃料是液态丁烷。
【布置任务】阅读资料卡片1(如表2所示),分析丁烷适合作为打火机燃料的原因。
表2 资料卡片1
【学生分组讨论,汇报交流】根据资料卡片1 可知,丁烷是易液化的气体,利用体积压缩将丁烷气体变成液体便于储存。丁烷具有可燃性,且引燃温度较低。因此丁烷适合作为打火机的燃料。
【教师提问】燃烧应该满足的条件之一就是需要可燃物的参与。如何验证丁烷的可燃性?
【学生汇报实验方案】可以用胶皮管连接丁烷贮气罐和玻璃导管,压迫喷头,释放丁烷,在玻璃导管末端处点燃丁烷,观察现象。
【驱动性问题2】打火机在工作时,按压按手就会出现火焰,在简单的操作过程中每个零部件都发挥着重要作用。那么,打火机是怎样实现点火的呢?
【布置任务】阅读资料卡片2(如表3所示),分析并总结压电陶瓷打火机的工作原理。
表3 资料卡片2
【学生分组讨论,汇报交流】由资料卡片2 可知,打火机的点火过程是利用压电陶瓷打火器实现的,压电陶瓷打火器利用压电效应产生电弧,丁烷气体遇到火花而被点燃,发生化学变化。
【教师提问】丁烷气体逸散到空气中不燃烧,但是遇到电弧就将被点燃。因此,电弧使温度达到丁烷气体的着火点致使其燃烧。由此可知,燃烧需要满足的条件之一是什么?
【学生回答】可燃物的燃烧需要达到其着火点。
【教师提问】根据以上学习内容,尝试说出打火机的工作原理。
【学生汇报】按下按手,在杠杆的作用下,喷嘴被抬起,液态丁烷迅速汽化被释放到空气中,压电陶瓷产生电流,通过高压导线将电流传到引火簧处,气态丁烷被点燃,形成火焰。
设计意图:从物理与化学相结合的视角对“打火机的点火过程”进行解释说明,初步形成物质的性质决定用途的化学观念。说明打火机的工作原理,理清打火机内部结构与工作机理的关系。
【提出问题】同学们观察并点燃实验台上的火柴,思考为什么火柴一划就会产生火焰?
【布置任务】阅读资料卡片3(如表4所示),体验火柴的点燃过程。
表4 资料卡片3
【驱动性问题】比较火柴与打火机的工作原理与工作时产生的现象,总结燃烧需要满足哪些条件?
【学生分组讨论,汇报交流】学生交流讨论后,某小组完成表格情况如表5所示。
【布置任务】同时点燃两个打火机,一个打火机用烧杯扣住,另一个在空气中点燃即可。观察并记录现象。你能得出什么结论?
【学生实验并汇报】用烧杯扣住的打火机燃烧一段时间后熄灭,另一个打火机能持续工作。得出结论:燃烧需要氧气的参与。
【教师讲解】打火机的工作是在空气中完成的,火柴中氯酸钾受热分解产生氧气,因此可以作为火柴燃烧的供氧剂。由此可知,燃烧需要有氧气的参与。
【教师强调】燃烧需要满足的三个条件:可燃物、氧气(或空气)、达到燃烧所需的最低温度(也叫着火点),三者缺一不可。
【提出问题】结合打火机和火柴的工作特点,你能否给“燃烧”下定义?
【学生回答】通常情况下,可燃物与氧气间发生的一种发光、放热的剧烈的氧化反应叫作燃烧。
设计意图:引导学生从多个视角认识燃烧反应,初步形成认识化学反应的系统思维意识。
【驱动性问题】打火机在为人类的生活提供便利的同时,也存在一些安全隐患。怎样安全保存与使用打火机呢?
【学生观点1】避免打火机受到重力敲击。一次性打火机里充满了丁烷等液化气体,打火机受到撞击后,塑料外壳破碎,造成压力不等,液化气体外泄,使打火机外壳破裂爆炸。
【学生观点2】存放打火机要远离火源和高温环境。打火机的塑料外壳受热易发生形变导致气体泄漏,温度达到丁烷的着火点会引起爆炸。
【学生观点3】使用打火机前要检查是否漏气。
设计意图:培养学生针对真实问题运用所学知识提出解决方案的能力。
本项目基于学生实际生活中的常见物品“打火机”作为项目主题,以探究打火机的工作原理为线索设计一系列项目任务。学生经历完整的探究过程,逐步建构燃烧需要的三个条件,理解燃烧概念。
学生在解决项目式教学问题的过程中,其分析资料、实验探究、比较与归纳等能力得到提升;以物理与化学相结合的视角解释打火机的工作原理,形成物质的性质决定用途的意识;开展基于给定信息进行分析推理和设计实验探究方案等活动,学生的科学探究素养得以发展。
设计一系列具有针对性的问题,从“拆解打火机,了解打火机的内部结构”“解释丁烷适合作为打火机燃料的原因”到“探究打火机的点火过程”“如何合理保存与使用打火机”,将总任务拆解成逻辑关系上紧密相连的、问题解决思路上层层递进的子任务,最终形成项目作品“打火机的工作原理图”。学生经历完整的探究过程,初步形成了解决问题的一般思路与方法,通过自主设计项目产品,有利于外显与整合解决问题的思路过程。
在项目式教学过程中,学生的学习热情高涨,能够积极投身于问题解决中,真正成为学习的主体,收获了对于学习情境的沉浸式体验感、合作交流的温馨和谐感、问题解决的成就感、设计项目产品的创新感等真实体验。