在实际问题的解决中促进学生思维能力发展

张玮 张军

摘要：化学是与人类命运息息相关，推动着人类发展的自然科学。通过化学学科视角，人类可以对自然界的事物以及事物之间关系更为深入地把握。在此基础上，人类合理地利用自然，推动社会进步。“新课标”要求教师在教学中设计以发展化学学科核心素养为主旨，立足于学生适应现代生活和未来发展的需要的课程。本教学设计中，以探析暖宝宝的组成成分和发热原理为契机，让学生利用化学学科知识和思维方法去认识身边的事物，由此加强学生对化学知识和原理的掌握，促进化学思维。

关键词：复习课;证据推理;社会责任;化学魅力

文章编号：1008-0546（2019）04-0039-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.012

一、设计背景

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）指出在化学学科的教学中，不仅仅是停留在传授知识的层面，而更上升到教育的功能上，要求教师开设多样化的课程传授知识，同时能提升学生的核心素养，使学生形成正确的价值理念，形成能适应社会的必备品格和关键能力[1]。

人教版《化学反应原理》包括反应速率、反应方向及限度、热力学、电化学等化学原理，这些看似独立的化学原理，在实际使用中却可能同时作用。鉴于此，在《化学反应原理》内容全部结束后的复习课中，设计了“工程师如何改变暖宝宝中的化学反应速率”的教学。

查阅文献发现，有许多老师设计了以“暖宝宝”为情境的教学案例，如江苏南京顾晔老师的《“暖宝宝使用前后主要成分的探究”的教学实录》[2]、江苏泰兴熊宗齐，徐泓老师的《“暖宝宝”反应原理和产物组成的探究》[3]、江苏南京周良骏老师的《利用传感器探究暖宝宝的发热原理》[4]等，这些教学设计的重点内容在于对“暖宝宝”组成成分的分析和原电池原理的探究。本教学设计在借鉴已有研究的基础之上，结合原电池原理，化学反应速率等原理进行综合考虑，将教学纳入一个更真实、更多元的教学情景中，在更广泛的视野下发展学生的化学学科素养，体现学科思维能力。

二、教学过程

环节一：成分鉴别，用化学方法认识物质

[引入]多媒体展示常见的自发热产品：暖宝宝、自热米饭、自发热艾灸随身热敷贴。并且给每个学习小组分发一片暖宝宝，引导打开包装袋，感受暖宝宝的温度。

[教师]提示学生阅读产品说明书，并让学生设计相应的实验方案来验证其中的Fe、NaCl、C这些成分。學生经过实验和总结，得方案如下：

（1）铁粉验证：用磁铁吸引混合物，分离出部分“铁粉”，然后将铁粉加入到一定浓度的盐酸中，观察现象，取试管中上层清液或者过滤后取滤液，加入KSCN溶液、H2O2。

（2）NaCl验证：取适量混合物溶解于水中，过滤待用。

Na+验证：焰色反应。

CI-检验：取上述滤液适量，加入HNO3酸化的AgNO3溶液观察现象。

环节二：联想发散，探究发热原理

[教师]暖宝宝能发热，必然发生了放热的化学反应，请问大家参与反应的物质可能是什么？

[学生1]可能有O2，因为说明书中明确指出本产品开袋即发热，由此推测O2参与了该放热反应。

[学生2]可能是碳粉，因为C和O2反应是放热反应。

[学生3]应该不会是碳粉，C在常温下是非常稳定的，但暖宝宝在打开袋子后就能发热，C不具备反应的条件。

[学生4]感觉是铁粉参加反应，因为有O2，成分中有H2O，具备铁生锈的条件，但是铁生锈也没有这么快啊？

[学生5]可能是NaCl，不然NaCl在里面有什么作用？

反思：从学生的回答说明学生具备一定的证据推理能力，但学生将所学知识应用到新的情景，解决新问题时所体现出的素质和能力有所欠缺，对新情境的感知和处理能力、旧知识与新情境的链接能力有待提高，即学生的迁移能力不够强[5]。所以教学中一方面要加强学生对知识熟练程度，另外教师在教学中要注重学生迁移能力的培养，有意识地引入一些将知识融入新情景中的教学主题。

[教师]展示已经使用后的暖宝宝固体混合物，观察颜色，略有红褐色物质出现，并用磁铁再次吸引，吸引的混合物量减少，证明Fe参加反应。有这些证据后，同学们能想到暖宝宝里面发生的什么反应吗？

[学生6]暖宝宝里面发生的反应应该就是铁生锈？

[教师]根据各种证据推理，暖宝宝里面发生的反应就是铁生锈，铁生锈的反应可以简化为：4Fe（s）+3O2（g）->2Fe2O3（s），该反应的△H=-3296.8kJ/mol<0，所以铁生锈是一个放热反应。

[提问]此反应能直接利用其热量吗？如果要利用热量怎么办？

[学生]铁生锈反应比较缓慢，放出的热量很快就散失，所以起不到保暖的作用，因此必须想办法加快该反应的反应速率，使该反应的热量更迅速地释放出来。[教师提问]暖宝宝是如何加快了铁生锈的化学反应速率呢？

[学生讨论]加快铁生锈的方法。

[教师引导]回顾一下铁生锈的种类，多媒体展示铁析氢腐蚀、吸氧腐蚀的条件。暖宝宝中的Fe、H2O、NaClC创造了铁的吸氧腐蚀的条件，形成原电池从而加快了该反应的化学反应速率。暖宝宝中铁的吸氧腐蚀过程可简化为：

负极：Fe-2e-→Fe2+

正极：O2+2H2O+4e-→4OH-

总反应：2Fe+O2+2H2O→2Fe（OH）2 （1）

4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3 （2）

2Fe（OH）3→Fe2O3+3H2O （3）

环节三：深入探析，探究化学反应速率影响因素

[教师引导]请大家再次阅读使用说明，注意使用注意事项（1）不能在洗浴后立即使用暖宝宝;（2）不能和电热毯等加热产品同时使用，不能在睡觉时使用。请思考为什么？

[实验展示]随意取一包学生的暖宝宝用温度计测量温度，然后将暖宝宝贴在装有75C热水的烧杯壁3分钟，模拟家用取暖设备，取下暖宝宝3分钟后测量温度。

[教师提问]通过实验大家知道为什么不能和电热毯等加热产品同时使用，也不能在盖棉被时使用了吗？

[学生总结]加热使化学反应速率加快，单位时间内放出更多的热。

[教师]室温（15℃）下，正常使用暖宝宝，温度在38℃左右，但是加热后，反应速率加快，放出大量的热，同时棉被隔热能力好，暖宝宝产生的热不能及时散发，也相当于对暖宝宝加热。所以使用暖宝宝请遵循使用注意事项。

[多媒体展示]因为产品在使用前不能发生反应，所以袋子材质要很特别，由原料层、明胶层和无纺布袋组成。无纺布袋是采用微孔透气膜制作的，它还得有一个常规不透气的外袋——明胶层。在使用时，去掉外袋，让内袋（无纺布袋）暴露在空气里，空气中的氧气通过透气膜进入里面。

[教师]可以看出来工程师通过不透气的外袋隔离O2来控制反应的启停。如果加大O2的浓度会怎样？如何加大O2浓度？

[实验展示]

结论：将暖宝宝成分和空气直接接触以及将氧气通过暖宝宝成分中都是加大了O2的浓度，温度升高，说明反应的速率加快，所以单位时间内放出更多的热量，因此工程师选择了合适的具有微孔透气膜制作的无纺布袋来控制O2的浓度，从而控制化学反应速率的快慢。

[实验展示]取暖宝宝，然后在表面加适量水，模拟洗浴后直接使用暖宝宝

分析：本实验并没有得到想要的结果，温度变化和正常使用并无区别，尝试用加湿机制蒸气的方式加水、直接将暖宝宝放入水中都没有明显的变化，可能原因在于控制O2流通速度的无纺布袋能有效阻止水的进入，有待继续研究。使用说明告诫洗浴后不能马上使用，可能原因是洗浴后体温较高的原因，或者水在蒸发的过程中会缓慢进入而加快反应的速率。

环节四：回归现实，关注社会生产，培养社会责任

[教师]化学理论、原理来源于生产，反过来又在促进生产中发挥巨大作用，从近代化学工业发展来看，没有扎实的化学理论基础研究，就不可能有先进的化学工业，氨的合成便是化学与生产相结合的一个典型例子[5]，可以说在现代生活中，化学理论、原理为社会经济的发展打下了坚实基础。

据统计，暖宝宝全球每年消耗量达十亿片，它是化学服务生活的典型例子，至此我需要告诉大家一个真相，“暖宝宝”是日本一家企业经国家工商行政管理总局商标局核准注册的注册商标，并不是冬季取暖片产品的通用名称，其他厂家生产的类似产品不能叫“暖宝宝”，为了避免侵权只能叫“取暖包”、“暖贴”、“热力贴”“暖宝宝贴”等[6]。其实“暖宝宝们”原理很简单，中国也能生产品质优良的发热产品，但是日本却将实际的化学原理运用于生活，并服务于生活，这是我们需要学习的地方。

三、设计反思

清华大学资深教授钱颖一曾经说到：“我们对教育的重视，主要体现在对教育价值的认知是知识获取（学生角度）和知识传授（教师角度）。目前的教育是一个以知识为中心的教育，学生的职责是学习知识，而教师的职责是传授知识”。显然传统的只重视“知识”本身的教育不太适合时代的发展，所以“新课标”提出，化学课程必须以发展化学学科核心素养为主旨，立足于学生适应现代生活和未来发展的需要，充分发挥其整体育人功能。

教师如何达到“新课标”的教学要求，如何让化学学科核心素养落地？那就是在教学中设计满足学生多元发展需求的高中化学课程，选择体现基础性和时代性的化学课程内容[7]。一般复习课的基本要求是记忆、理解、应用（会做题）相关知识，但按照布鲁姆知识体系来看，记忆、理解、应用还只是初级认知[8]，也仅仅是皮亚杰“图式”理论中简单的“同化”而没有向认知的更深层次发展[9]。本课程设计中，以学生生活现象为教学素材，综合地运用了物质检验，化学反应中的能量变化，原电池原理和化学反应速率影响因素等化学原理，学生在运用这些原理解决问题过程中，不但促进了对原理本身的认识，更促进了学生分析问题，解决问题等重要的思维能力，促进了学生的认知发展。

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）[M].北京：人民教育出版社，2018：3

[2]顧晔.“暖宝宝使用前后主要成分的探究”的教学实录[J].化学教育，2012（12）：73-75

[3]熊宗齐，徐泓。“暖宝宝”反应原理和产物组成的探究[J].化学教与学，2013（3）：25-26

[4]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

[5]薛彬.生物教学中训练学生知识迁移能力方法的研究[D].天津：天津师范大学，2012（9）：1-2

[6]唐敖庆，卢嘉锡，徐光宪.化学哲学基础[M].北京：科学出版社，1986：67

[7]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：2

[8]王先锋.对核心素养视城下高中化学POEC教学策略的新认知[J].中学化学教学参考，2018（9）：7

[9]程昭.学生氧化还原反应概念的认知发展研究[D].武汉：华中科技大学，2014：5-7