初中化学“燃料及其利用”的项目式教学

摘 要：本文以“解密气割枪”为项目式教学主题，整合人教版化学九年级上册“燃料及其利用”单元内容，开展“物质的化学变化”“科学探究和化学实验”的教学。教师通过项目式教学的引导、探究以及展示，讲授燃烧的条件及其调控、科学探究的一般过程等核心知识；在真实问题的解决过程中，让学生形成认识化学反应的系统思维，体会调控化学反应的重要意义，学习控制变量和对比实验的实验方法，理解科学探究的本质。

关键词：项目式教学；燃料及其利用；化学反应；控制变量

文章编号：1008-0546（2024）11-0035-07

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

一、项目育人价值分析

“解密气割枪”是产品设计类综合实践活动，要求学生学会基于产品设计理念绘制气割枪原理图。气割枪原理图指用于切割金属气割枪的平面设计图；产品设计理念需要学生将身份定位为“设计师”。该项目综合体现“科学探究与化学实验”“物质的化学变化”学习主题的大概念（化学科学本质、物质的变化与转化）及核心知识（科学探究的能力、化学反应），涉及“化学与社会·跨学科实践”学习主题中化学与资源（能源）、化学与材料的有关内容，引导学生认识物质观、变化观、能量观等初中化学概念，促进学生物质与能量、系统与模型、结构与功能等跨学科大概念的形成。［1］

该项目创设真实情境，要求学生主动应用初中化学核心知识，融合物理、美术、语文、通用技术等相关学科知识，同时应用技术工程的方法解决真实问题。在作品的构思、绘制过程中不断反思调整，提高学生解决问题的能力，激发学生实践创新意识。

二、项目本体分析

气割是金属加工领域一种常见的金属加工方法，其原理是用可燃气体与氧气混合燃烧产生热量，预热金属表面，使预热处的金属达到燃烧温度，然后送入高纯度、高速度的切割氧气流，使金属（主要是铁）在氧气中剧烈燃烧，生成氧化熔渣的同时放出大量热量，借助这些热量不断加热切口处金属。金属受热燃烧并使热量迅速传递，直到金属底部；同时借助高速氧气流的动量把燃烧生成的氧化熔渣吹除，被切金属与割炬相对移动形成割缝，从而达到切割金属的目的。

气割枪（割炬）是气割所用的主要工具，由燃气管、氧气管和割嘴等部分组成，其结构如图1所示。气割枪使用的/KvXcBcZ1E942HS3wD2wg+mKaGgAKAe/lo6wlJrqR5g=可燃气体有乙炔、丙烷或天然气等，其中乙炔的使用最为常见。气割枪使用时先拧开乙炔气开关，并稍拧开氧气开关，点燃后，调节氧气的供应量，使氧炔焰成为中性焰。切割时先用氧炔焰把准备切割的某一点烧到红热，再拧开高压纯氧气流开关，使金属在氧气流中剧烈燃烧熔化成液体，冲掉，最后将割枪沿着切割线移动以切割金属。

本项目是燃烧在金属切割中的应用。金属切割的化学原理是金属在燃料燃烧产生的高温中熔化并达到着火点与高压气流中的氧气反应。本项目旨在通过“解密气割枪”让学生明白气割原理并绘制气割枪原理图。

项目任务的完成首先要明确项目的成果，即绘制气割枪原理图；其次，知晓自己的角色定位，把项目拆解成以学科本体为主的任务；再次，进行任务解决，根据任务目的，小组合作探究、探讨分享、反思修正，获得结论；最后，展示本组的项目成果。

三、教学设计思路

本项目的教学设计基于真实问题“解密气割枪”，以项目式教学特有课型：导引课、探究课、展示课，统摄学习任务，具体设计思路如图2所示，着力体现燃烧反应及其利用、控制变量和对比实验的实验方法等核心知识在实际生产中的运用，彰显化学在人类发展、社会进步方面的重要作用。

四、教学实施过程

1. 导引课

铁是世界上最常见、最重要的金属，广泛应用于生产、生活的各个方面。从原料钢铁到各种铁制品都需要对钢铁进行加工。切割、焊接是钢铁最为常见的两种加工方式。

［问题1］金属焊接和切割的原理分别是什么？

［学生］金属的焊接是利用电流的热效应放热，使焊条和金属熔融实现焊接；金属的切割是利用燃料燃烧产生热量使铁熔化完成切割。

［设计意图］引导学生认识铁加工常见的形式：焊接、切割；认识钢铁焊接和切割的原理，了解燃烧在生活、生产中的应用，为项目的开展提供真实情境。

（1）项目分析，角色扮演。

气割枪是金属切割时使用的工具，教师引导学生完成项目：解密气割枪，了解项目框架（见图3）。

［设计意图］介绍项目的内容和项目框架，明确项目成果，让学生对项目具有全局概览性的认识。以目标为导向，以结果为准绳，让学生以终为始、以行为知展开项目。

（2）项目拆解，规划项目。

在项目“解密气割枪”中，作为产品设计师，首先需要把项目拆解成若干的任务，通过项目任务的完成推动项目目标的达成。

他山之石，可以攻玉。借鉴典型的事例，可以让学生快速融入角色，巧妙完成项目拆解。例如，你作为产品设计师，要完成“品尝红酒的酒杯”的设计任务，你该如何思考？有以下思考角度：首先，思考产品需要具备怎样的功能才能满足用户的需求；其次，思考为了实现产品的功能，你应当具有的知识储备和能力层次、产品的框架结构和选材用料；最后，绘制出产品的原理图，完成产品的方案设计。

产品设计师在设计产品时要遵循产品的设计流程，设计的产品符合用户的需求，让思维逻辑清晰、条理有序。

［设计意图］教师通过讲解项目拆解的含义，让学生为项目的拆解做好思想上的准备；借助生活中的产品实例，示范产品设计的思考角度与必备知识，使学生理解项目拆解对项目解决的意义。用思维导图整理产品设计师的思考流程和环节关系，引导学生有理有序进行项目拆解，使学生形成问题解决的思路，并将思路外显成具体的步骤。

［问题2］如何拆解项目——解密气割枪？

［学生1］任务一，研究气割枪的燃料。任务二，研究气割枪的布局。任务三，研究气割枪的喷口。

［学生2］任务一，寻找合适的燃料。任务二，设计可以控制氧气的装置。任务三，绘制原理图。

项目式教学的主题是“解密气割枪”，学生的身份是“设计师”，产品是“气割枪原理图”。最终根据产品功能、知识原理，确定项目任务，拆解流程如图4所示。

图4 “解密气割枪”项目拆解流程图

［设计意图］学生分组首先对项目进行分析拆解，其次展示交流，再次反思修正，最后达成共识，归纳出项目任务。项目拆解的方法思路为：角色扮演，分析判断，提炼归纳，使学生从具体的项目拆解过程中总结项目拆解的一般思路和方法，并将思路外显成具体的步骤。在项目拆解的过程中，培养学生分析判断、归纳概括、问题解决的能力。

（3）实验探究，界定概念。

［问题3］请仔细观察物质燃烧的现象并归纳燃烧的特征。

［学生］通过观察木炭、天然气、酒精在氧气环境下燃烧的实验现象，对实验结果进行归纳，如表1所示。

［问题4］表1从物质和现象的角度对燃烧的特征进行了归纳。请同学们观察实验，思考燃烧的概念是否需要修改？

［学生1］并非所有物质都能被点燃，物质应分为可燃物和不可燃物，表1燃烧特征概括中的“物质”应改成可燃物。

［学生2］镁燃烧的现象为：燃烧剧烈、发白光。与上面的实验有明显不同的是，镁的燃烧没有火焰，因此并不是所有物质燃烧都会有火焰，但一定都会有发光的现象。表1的燃烧特征概括中“有火焰”描述不当，应该修改。

［学生3］物质燃烧都是可燃物和氧气的反应，属于氧化反应，表1燃烧特征概括中应加入反应类型的表述，即燃烧的概念可以归纳为：可燃物与氧气发生的一种发光、放热的剧烈氧化反应。

燃烧的概念是从反应物、反应现象、反应种类的角度对其本质性、概括性的总结。可燃物和氧气在一定条件反应生成反应物，伴随着能量变化，发光可用于照明，放热可应用于烹饪、取暖、切割金属等。

［问题5］根据燃烧的概念，燃烧的条件是什么？

［学生］燃烧的条件包括：①可燃物；②氧气；③达到燃烧所需的最低温度（也叫着火点）。

［设计意图］让学生从不同角度认识燃烧现象，归纳概括出燃烧的概念，培养学生基于实验现象进行证据推理的思维能力；根据事实思考，修正燃烧概念。学生从物质变化、反应条件、反应现象、能量变化等多角度对燃烧形成系统认知，明白燃烧反应的发生需要一定的条件。

2. 探究课

（1）解释设计，探究燃烧原理。

［演示实验］探究白磷和红磷燃烧的条件，实验装置如图5所示。

［资料卡片］着火点是可燃物燃烧所需的最低温度。一般情况下，白磷的着火点为40℃，红磷的着火点为240℃。

［问题1］上述实验是如何证明燃烧所需的条件的？

［小组讨论］观点1：实验中①处的白磷燃烧，可以证明燃烧需要温度达到可燃物的着火点。观点2：实验中①处的白磷燃烧，②处的红磷不燃烧，可以证明温度达到可燃物的着火点是燃烧的条件之一。

［教师］上述两个观点哪个能证明燃烧的条件之一是需要温度达到着火点？请说明理由。

［学生］观点2能证明。因为只根据实验中①处白磷燃烧，无法排除温度未达到着火点，白磷也可能燃烧的情况。通过与实验②处红磷燃烧作对比，才能排除这种可能，证明温度达到着火点是一个必要的条件。

［教师］实验中②和③作对比，是否也可以证明“燃烧需要温度达到着火点”？说明你的理由。

［小组讨论］观点1：不可以。因为白磷和红磷的着火点不同。观点2：不可以。没有控制单一变量，实验③处白磷没有燃烧可能是因为白磷未接触氧气。

［教师］本实验研究的变量是“温度达到着火点”，并不是着火点本身。实验②处温度未达到红磷的着火点，③处温度达到了白磷的着火点，满足对比实验中“研究的变量”不同。但是，②③对比，同时还存在另一个变量，即②接触了氧气，③未接触氧气，这个对比实验中同时存在两个变量，因此不满足单一变量的要求。

［小结］对比实验研究某一变量时，要控制其他变量（影响因素）相同。

［设计意图］通过具体的化学实验探究活动，学习控制变量和对比实验的实验设计方法，培养和发展学生在化学学习中基于现象与逻辑进行独立思考和判断的能力，认识基于证据进行分析推理及形成结论对科学探究的意义，体会合作与交流在科学探究中的重要作用。

［教师］请同学们回顾小组讨论时各自的想法，对照评价量表（见表2）进行自评。

［设计意图］通过实验探究，提高学生控制变量和对比实验法的应用能力；通过“评价量表”展开自评，促使学生进行反思。

（2）应用原理，调控燃烧条件。

实验用品：小石块（不可燃）、白磷、氮气、氧气、冷水、热水（80 ℃）。

实验仪器：试管、烧杯、酒精灯、坩埚钳、燃烧匙等，其他仪器自选。

［学生］利用上述提供的实验用品和仪器，以小组为单位设计实验方案，验证“燃烧需要可燃物和氧气”这一结论，具体实验方案分别如图6和图7所示。

［设计意图］学生通过设计实验方案进一步学习运用控制变量思想探究燃烧的条件，深入理解燃烧的原理；培养从问题和假设出发，明确探究目标，设计探究方案，获取证据并分析得出结论的能力。

［资料卡片］①切割钢板所需温度一般在1100～1150℃。

②常见气体燃料燃烧释放的热值如表3所示，乙炔和丙烷的燃烧数据如表4所示。

［问题2］从燃烧原理的角度，如何调控燃烧才能实现气割枪高温切割的产品功能？

［小组讨论］观点1：利用丙烷调控燃烧，其热值最高且温度满足需求。观点2：利用乙炔调控燃烧，其火焰温度最高。

［小组评价］观点1：上述两种燃料温度都能达到1150℃以上，但温度太高会浪费燃料，只要满足需求就行。观点2：乙炔更好，燃烧速度快，火焰温度高，能迅速达到所需温度；点火温度低，更容易点火且安全。

［教师］上述气体燃料各有其优缺点，根据所切割金属的需求，常见的气割枪多选用乙炔作为燃料。确定燃料之后，还可以从哪些方面调控燃烧，使燃料物尽其用？你能想到哪些具体措施？

［学生1］提供充足的氧气（或空气），如使用鼓风机、使用纯氧（高浓度）、使用多孔的设备等使燃料充分燃烧。

［学生2］增大可燃物与氧气的接触面积，如粉碎、搅拌等。

［设计意图］提高学生提取、分析和加工陌生信息的能力水平，结合实例认识合理利用、调控化学反应的重要性，关注产品需求，认识化学变化在自然界和生产生活中的广泛存在和重要应用，体会化学反应造福人类的独特价值。

3. 展示课

通过导引课和探究课的学习，学生重新思考气割枪的原理是什么，以及气割枪是如何利用燃烧完成切割的。通过教师提供的纯铁及其氧化物的熔点和燃点（见表5），组内思考、讨论，得出“气割”的本质。

（1）再探原理，解释本质。

［问题1］熔化的铁在哪里？

［学生］乙炔燃烧产生的高温使铁在氧气中燃烧，并不是熔化。

［问题2］为什么会观察到火星四射？

［学生］这是铁在氧气中燃烧的现象。

［问题3］割缝是如何形成的？

［学生］乙炔燃烧放热，将待割金属加热，使其温度达到着火点；喷射切割氧，提供纯氧环境，使金属在氧气中剧烈燃烧；燃烧生成的熔渣被切割氧吹除，形成割缝。

［问题4］气割枪的原理是什么？

［学生］“气割”顾名思义就是有一股强的气流冲击完成切割，这里的“强气流”就是氧气。

［设计意图］引导学生掌握气割枪的气割原理，探究气割枪进行切割的三个阶段（预热、燃烧、吹渣）和两个燃烧反应（乙炔燃烧、铁燃烧），培养学生基于事实和逻辑进行独立思考和判断的能力。

（2）设计绘制，展示成果。

导引课中学生已初步了解如何拆分并设计项目。画设计图即画出气割枪的各部分结构，结构的设计是为了实现切割功能。因此，在设计图纸时要满足切割功能和其他安全、操作等方面的需求。

［问题5］以小组为单位，利用燃烧的条件及其调控的相关知识，结合给定的资料，画出气割枪原理设计图，包括外观构造和内部气体流向。根据设计图阐述如何实现切割功能。

［小组1］我们组设计的气割枪如图8所示。首先需要两个气箱供应氧气和乙炔，由两根导管分别连接在气割枪上以输送气体，其中氧气是高压气体。气割枪的主体部分设计了两个开关，其中一个开关控制枪嘴处产生电火花来点燃乙炔气体提供高温；另一个则为旋转开关，用来调节乙炔气流的大小。氧气走下面的通道，分开运输，在枪嘴处混合，并且氧气气流可以把熔渣吹除。在枪体的上部我们还设计了一个提手，方便使用。

［评价组1］第一组的设计主功能能部分达到。两个气道供应乙炔和氧气，在枪嘴处混合点燃，可以提供高温，但是否还有足够的氧气来提供纯氧环境使铁燃烧有待讨论。此外，第一组设计了自动打火装置、乙炔调节阀、手柄，提高了安全性和可操作性。

［小组2］本组设计的气割枪（见图9）有两根气管，上管走氮气，下管走氧气和乙炔。气割枪主体有前握把和后握把，后握把处设计了一个扳机。扳机按力不同可以调节三个档位。1档会出少量的氧气和一定量的乙炔来提供高温；2档会出大量氧气和乙炔，可以一边维持温度一边把熔渣吹走；如果发生危险了按3档，氧气和乙炔同时断气只出氮气。本组设计的气割枪更便于握持和操作且氧气和乙炔在枪嘴处混合点燃，基于第一组的介绍和启发，可以在枪嘴处增加一个自动打火装置。

［评价组2］第二组的设计思路新颖，加入了氮气的气路，安全性比较好。但氧气先经过燃烧再吹渣减弱了力度，是否可另外再增加一条氧气的气道？第二组与第一组相比，设计图标注更加清晰。

［小结］实际生产中正在使用的气割枪的原理结构如图10所示。

通过气瓶来供给乙炔和氧气，气瓶出口处都设有减压阀，乙炔气瓶出口处还设有防回火装置，气瓶与割枪间由长胶管连接。气割枪主要由氧气接口、乙炔接口、手柄、乙炔阀、切割氧阀、预热氧阀、切割氧气管、混合气管和割嘴组成。割嘴处的气体通道有两条，一条是乙炔和氧气的混合通道，一条是高压氧气通道。切割过程中先打开乙炔阀和预热氧阀通过乙炔燃烧调节预热火焰，再打开切割氧阀使铁在氧气中剧烈燃烧，通过高压氧吹除熔渣，从而方便快速切割。

［设计意图］本活动是本节课的核心内容，也是整个项目的关键一环。通过分组绘制气割枪设计图和进行组间互评，可以充分调动学生的主观能动性，发挥想象力，把所学知识运用到生产实际中，激发学生的兴趣。通过绘制和讲评，不仅可以外显知识的掌握与运用情况，还锻炼了学生与他人沟通交流、合作解决问题的能力。

（3）问题解决，运用贯通。

明确了原理和使用后，对气割枪进行应用。小型的电焊维修部，气割时氧气使用较快，更换费时费力。为解决这一问题，工人用气泵产生的气压代替高压氧进行切割，结果无法切割。

［问题6］用气泵代替高压氧无法切割，为什么？

［学生1］空气不能支持乙炔燃烧。

［学生2］开始时乙炔是可以被点燃的，说明此时满足燃烧的三个条件。高压气打开时，可燃物和氧气仍存在，但高压气流带走了部分热量，使温度降低，未达到可燃物的着火点，所以火焰熄灭了。

［设计意图］利用工人使用气割枪时发生的真实问题，引发学生思考。学习化学知识，可以解决与生活相关的真实问题，再次激发了学生学习化学的兴趣。开始学生可能认为空气不能支持乙炔燃烧。通过引导学生回顾燃烧的三个条件，找到关键点，即打开气泵后火焰被吹灭，乙炔无法燃烧，无法提供热量支持铁燃烧。

五、教学反思

1. 从过程形似走向思维神似

项目式教学中重要的一环是导引课的项目拆解，对整个项目起着引领和导航的作用。我们需要“审问之”“明辨之”“笃行之”，最大化地体现项目拆解功能和价值，让学生基于对项目的理解和教师一起进行项目规划。呈现的范例必须是产品设计的思路过程，反映出产品的功能需求、知识原理、结构材质间的逻辑关系，让学生可模仿、可借鉴，进而实践于项目拆解的过程。本项目式教学以“解密气割枪”为主题，整合人教版化学九年级上册“燃料及其利用”［2］单元内容，展示产品设计思维过程，为学生进行项目拆解铺路搭桥，完成了从过程形似走向思维神似，让学生真正去获得方法，发展思维。

2. 聚焦核心活动，发挥“评价”功能

“解密气割枪”探究课的核心任务是能运用控制变量思想，通过实验探究认识燃烧的条件，同时为实现气割枪产品功能提供原理支持。在最初的教学设计中，“贪多、焦点不突出”是最大的问题，既想发展学生控制变量的思想，又想引导学生梳理总结科学探究的一般思路，建立“问题—证据—结论”之间的逻辑关系，往往会导致核心任务活动不充分。在探究燃烧的条件过程中，采用“问题驱动—小组讨论—小组汇报—教师引导—设计实验—汇报实验方案”的活动形式有序展开。勇敢表达、质疑和评价，使每个学生都有表达的机会，促使学生思维外显。在设计和汇报实验方案的过程中，实现模型的应用和巩固，实现学生对“控制变量思想”的思维进阶。

3. 突破学习定式，展现学生魅力

气割枪的原理和使用涉及了很多的知识，需要深入讨论，找到关键点、较有趣的原理引入点和知识的应用点。本节课最重要的是以学生为主体展开教学：一方面，本节课最成功的一点就是把项目成果的实施过程放到了课堂上来进行，而不仅仅是课上展示，那样学生会不自觉地放弃思考，直接上网查找资料，完成设计。课下实施、课上展示反而得不到学生灵动的、奇思妙想的、形态各异的气割枪设计图。另一方面，本节课将板书进行了调整，由知识的展示改进为思路与逻辑的外显，让教师更加明确了这节课要带领学生完成什么以及如何完成。

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）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022．

［2］王晶，郑长龙.义务教育教科书 化学 九年级 上册［M］.北京：人民教育出版社，2012．

*基金项目：本文系北京市教育学会课题“整体设计能力进阶促进化学核心素养发展的大单元教学研究”（FTYB-2021-024）的阶段性研究成果。