沈健

摘要：以探秘“自热火锅发热剂”为项目学习主题，通过“产品说明中为什么要求‘远离明火，严禁在密闭场所中使用”“小火锅发热剂可以只用生石灰吗？”“发热剂产品的设计与评价你有什么建议？”，三个真实问题驱动项目学习，以达到酸碱盐专题复习目的。

关键词：项目式教学;发热剂;酸碱盐;复习

文章编号：1008-0546（2022）08-0060-07   中图分类号：G632.41   文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.013

一、项目主题内容分析

酸碱盐是初中化学的核心知识，也是培养学生学科核心素养的重要载体。本项目学习主题是“探秘自热火锅发热剂”，在组织学生阅读发热剂（来至网购：京东—烘焙精灵旗舰店—食品发热包）的产品包装说明（见图1）后，循序渐进地提出三个真实问题驱动项目学习：产品说明中为什么要求“远离明火，严禁在密闭场所中使用”？小火锅发热剂可以只用生石灰吗？发热剂产品的设计与评价你有什么建议？

这一项目整合了“常见酸、碱、盐、氧化物、单质的性质与用途”“气体制备”等初中化学核心知识与技能，培养学生科学探究与创新意识，提升学生科学态度与社会责任等核心素养，在“做科学”的探究实践中培养学生的创新精神和实践能力[1]，发展学生的三种成功技能——批判性思维/解决问题的能力、协同协作的能力和自我管理的能力[2]，让学生真实体验到化学源自生活又服务于生活。

二、项目教学目标

通过分析发热剂反应原理，复习巩固常见酸、碱、盐、氧化物、单质的性质，强化化学方程式书写能力，提高学生信息素养。通过研讨发热剂反应过程中产生气体的检验与体积测量方法，促使学生形成基于化学认知的安全意识。通过发热剂成份能否只用生石灰的探秘，启蒙对化学反应热的认知。通过项目式教学，培养学生证据推理的科学态度、思考方法和动手能力，促进团队协作融合，培育学生良好的社会责任感，使学生产生化学能为人类创造美好未来做出更多重要贡献的情感认同。

三、项目任务及教学流程（见表1）

四、项目实施过程及学习成果

1.创设情景，引入项目主题

【教师】不用火，不用电，只需一杯凉水，就可得到香飘四溢、热气腾腾的美味，你们知道是什么吗？（展示自热火锅实物）有体验过的同学请举下手，哪位同学能介绍一下它的使用方法？

【学生】将发热包放在盆底，加入水，放好上面装食物的小盆，盖上盖子，几分钟后就冒热气，再过段时间就可以吃了。

【教师】请阅读发热包说明，你能说出发热包里的反应原理吗？

【学生】CaO+H2O =Ca （OH）2这是放热反应， Na2CO3还会和Ca（OH）2反应。

【教师】（新闻里的化学）据新浪微博“中国消防”称，有人一顿自热火锅吃掉了7500元（人民币）——史上最贵！故事是这样的，德国斯图加特的消防局内突然收到了某酒店内传来的“火警”讯号，几名全副武装的消防员，立刻赶去事发地点，原来是旅客使用自热火锅冒出大量蒸气触发火警探头。消防员确认无火灾隐情后，开出了950欧元的罚单。虽然是虚惊一场，但为什么發热剂的包装袋上有“使用时要远离明火，严禁在密闭场所中使用”的要求？你认为这种要求与现象可能与发热剂中的什么物质有关呢？

【学生】生石灰与水反应只是放热，并没有产生可燃性物质，但不知是否与发热剂成份中的“铝”有关？

【教师】铝有什么样的性质可能引发燃烧现象？

【学生】铝本身可以燃烧，铝会和酸溶液反应产生具有可燃性的氢气。

【教师】请同学们结合发热包成份及使用方法讨论上述两种原因的可能性。

【学生】在发热包使用的条件下，铝不可能燃烧;加水后发热剂中产生了氢氧化钠、氢氧化钙等碱性物质，没有与酸溶液接触，不会生成氢气。

【教师】会不会是我们初中阶段对铝的认识还不全面呢？到高中我们将学习到铝具有如下性质：2Al+2NaOH+2H2O =2NaAlO2+3X ↑。请同学们思考物质“X”的化学式是什么？

【学生】H2。

【教师】请同学们将发热剂中的化学反应原理用化学方程式表示出来，并请一位同学到黑板板书。

2.发热剂产生气体的检验

【教师】从反应原理我们得知，有氢气产生，氢气有什么样的性质？我们该如何检验氢气呢？

【学生】氢气密度比空气小，可以吹肥皂泡。氢气具有可燃性，燃烧生成水。

【教师】用图2-I 检验H2，若观察到烧杯壁上有水雾，可否证明是氢气燃烧呢？

【学生】不可以，这个反应会产生大量的热，有大量水蒸气产生，干扰了氢气的检验。

【教师】如何排除水蒸气的干扰呢？请同学们分组设计实验方案，实验方案设计注意化学实验三要素，作为实验对象的物质体系，适当的仪器装置和必要的安全措施，合理的实验步骤和规范的操作技术[3]，我们将以实验装置图做为该阶段项目成果进行展示。

【学生展示实验装置】方案一、二、三实验装置分别对应图2中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

【师生共同评价方案】方案一操作简单，水蒸气可能液化不彻底;方案二利用了生石灰与水反应的性质，但生石灰可能吸水后，气体流通不畅，发生装置内压力过大使塞子被顶开;方案三中使用的浓硫酸具有强烈的腐蚀性，使用时要特别小心。

【教师】针对方案一，你有什么简单方法证明是否排除了水蒸气干扰？方案二、三要在实际使用中检验它的可行性。在点燃气体前，我们还要注意什么？……

【教师】为什么在吹肥皂泡实验（见图3）中，要将气体通入水中？

【学生】可以起到冷却作用，最初在做时，因炽热的水蒸气容易使肥皂泡破裂。

【教师】产品使用说明中为什么要求“远离明火，严禁在密闭场所中使用”？

【学生】原因是使用中会产生大量可燃性的气体——氢气，可能会导致爆炸事故发生。

【教师】氢气点燃一定就会爆炸吗？爆炸的条件是什么？这样一包发热剂可以产生多少体积氢气呢？

3.一包发热剂产生氢气的体积测定

【教师】如何测定发热剂使用过程中产生氢气的体积呢？请同学们展示课前准备好的实验方案。

【项目成果阶段展示与评价】

学生1：将称量好的发热剂放入锥形瓶，加入足量的水，用排水法收集并测量生成的氢气的体积（见图6），再按比例推算整包发热剂在使用时产生气体的体积。

学生2：图6没有考虑到反应过程中放出大量的热，气体体积受温度影响变化较大，应该要在集气装置之前，增加气体冷却装置，见图7。

学生3：图8将气体直接通入水中冷却比图7更充分，且还可以观察到气体流速及是否还有气体产生。

学生4：图9不仅考虑冷却气体，还能注意到平衡瓶内外气压，多个串联的集气瓶增大收集气体的体积，可以相应减少实验误差带来的影响。

【项目阶段成果汇报】

学生1：去掉6、7两组数据，其余数据平均值为1156.84 mL，推算可知50 g发热剂在使用过程中产生的氢气体积大约有23.14 L。

学生2：在测定气体体积时要注意外界温度与压强的影响。

学生3：实验中数据离差超出预想，怀疑是粉末中成份分布不均造成的，也可能和实验环境温度不同有关。

4.发热剂产品的设计与评价

（1）小火锅发热剂可以只用生石灰吗

【教师激疑】生石灰与水作用是放热反应，为什么在该发热剂中还要放铝粒呢？小火锅的发热剂可以只用生石灰吗？要解决这个问题，我们需要做哪些新的研究？

【研讨实验方案】设计对照组，测量自热小火锅发热剂（50 g）在使用过程中食材锅内水温变化，改用50 g氧化钙再测量一次，评估小火锅的发热剂能否只用生石灰。具体方案如下：取某品牌小火锅包装为实验容器，其结构如图11所示，外锅放入发热包（50 g），并加水至水位线（200 mL），食材锅内加水300 mL，测量食材锅内水温变化（锅盖始终盖着，见图12），每分钟读取数据一次。然后换成50 g生石灰（荷泽天峰仪器设备有限公司200 g装），重做一遍。测定时间范围是0～36 min（参考正常使用自热小火锅时间），实验数据见图13。

【项目阶段成果汇报】生石灰与水作用是放热反应，但从收集数据可知，等质量的生石灰与水作用放热较少，水的比热很大，小火锅的发热剂不能全用生石灰。查阅资料得知碳酸钠与氢氧化钙溶液作用是吸热反应，证明铝与氢氧化钠溶液作用是放热反应，且是等质量的发热剂比生石灰与水作用放热更多的主要原因。

（2）使用过的发热包及“外锅”内液体的处置

【教师置疑】使用过的发热包及外锅内的液体如何处理呢？属于哪类垃圾（可回收垃圾，有害垃圾，厨余垃圾，其他垃圾）呢？请同学们测量发热剂使用后废水和剩余固体的pH。

【学生】用pH试纸测量发现使用后废水和剩余固体的pH都是13～14，呈碱性。

【教师提供资料】我国《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）中pH 限值是6～9[4]。

【学生】发热剂使用后的废弃液体和固体碱性很强，不要用手直接接触，属于有害垃圾，不能随意丢弃，有条件的可用酸中和后再放入有害垃圾箱，没有条件的，至少要用袋子密封装好后再放入有害垃圾箱。

（3）发热剂产品的评价

【教师】你对该发热剂的产品使用或设计有什么评价或建议呢？

【项目阶段成果汇报】央视新闻曾报道，加勒万河谷的驻守解放军战士，在高寒的巡逻线上吃上热气腾腾的小火锅。自热食品发热剂源于野战单兵食品开发，方便在特殊环境下使用，如今在懒人经济的浪潮中也崭露头角。发热包在使用中会产生大量可燃性气体氢气，不能在密闭的空间（如小汽车、高铁、飞机）里使用，使用过程中要远离明火，注意食物不能堵住出气口，“外锅”温度较高，注意预防烫伤，不宜放在玻璃桌面，要放在耐热台面上使用。因为反应过程中产生大量的热，所以往发热包中加的水不能是热水，否则加水时水可能会爆沸，溅出伤人。产品的设计要考虑对环境友好，在产品设计的源头就要考虑使用后废棄物的处理。比如改进发热剂成份配比，在其使用后的废物pH趋于7，对环境危害最小化。有的学生拆开使用过的发热包（见图14），发现里面还有些物质与水作用能产生气体，怀疑中心部位的发热剂未充分反应，提出可否改进发热包的包装形式，由原来方块状改为“甜甜圈”形、或细条状，这样可以促进内部成份参与反应，也能使食材锅底部与发热包更充分接触，提高热传递效率。

【教师】同学们在本项目结束后，可以调查还有哪些类型发热剂产品应用于我们生活，它们的发热原理是什么？

【学生1】有利用铁粉氧化制成的“暖宝宝”。

【学生2】我还见到有一种热敷袋，可以用于保健。查阅资料得知，热敷袋内所装的液体是醋酸钠的过饱和水溶液，使用时仅需轻压热敷袋内的金属片，形成结晶核，以引发醋酸钠结晶（放热过程）;再生时，仅需将已固化的热敷袋置入热水中直至全部晶体溶解后，取出冷却至室温即可再次使用。

五、项目教学实践的反思

1.项目教学与复习课功能的交集

项目教学是以问题为导向，以项目为载体的一种教学方法，项目教学能够使学生经历成果导向下的综合任务完成过程[5]，在复习课中引入项目教学，避免了“炒冷饭”的无趣，促进学生自主梳理，构建知识体系，提升学生综合解决问题能力，使理论与实践紧密相连。项目教学与复习课功能在内容、目标、方法三个维度上存在交集（见图15），可在复习课教学中引入项目式教学。

2.纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行

义务教育阶段化学课程中的科学探究，是学生积极主动地获取化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动[1]。项目教学是指向真实问题的科学探究，现今学生科学探究的经验多来自习题，是纸面上的经验，缺乏解决真实陌生问题的实践经验，且纸面经验也需在实践中检验。项目式教学的情景来自现实世界，在处理复杂问题的过程中不断有“学生声音和选择”，项目成果对现实世界会产生真实影响，这是做多少道探究题都无法获得的体验。

生石灰和浓硫酸都可干燥氢气是众所周知的事实，可在干燥发热剂产生氢气时，由于发热剂与水作用反应放热，在某段时间内气体压力大、流速快，带来的大量水蒸气使生石灰吸水膨胀堵塞气体通道，会使发生装置瓶塞被顶飞，反应液溅出（见图16），而在浓硫酸中气体通过性好，没有这种情况发生。这个意外事件，让学生认识到，在干燥管内装入的生石灰要用大粒（3～5 mm），且注意不要让粉状生石灰填入空隙（不能图省事而用药匙取生石灰，会带入粉末，留下隐患），预留膨胀空间，确保气体通过速率。在气体流速较快的情况下干燥气体尽量不使用生石灰。发热剂与20 mL水作用，这并不是随便的选择，其中经历许多尝试与困惑。原来笔者的想法是引导学生通过化学计算来确定发热剂的取量，领会通过化学计算理性选择仪器规格及药品取量的实验策略。即以收集近1000 mL 氢气（密度为0.09 g/L）为标准，假定发热剂中氧化钙、碳酸钠、铝三种成分恰好完全反应，则发热剂中至少需要含有0.81 gAl、0.84 gCaO、1.59 gNa2CO3，共需發热剂3.24 g。为预留一定容积防气体受热膨胀，笔者从3 g开始试做，结果收集的气体体积远大于1000 mL，两个集气瓶里的水全排光了，意味着实验失败。于是笔者就逐渐减少发热剂的用量，降到1.6 g 时，终于进入1000 mL 范围，仍能收集到752～940 mL 气体。思其原因，上述计算是依据反应：2Al+2NaOH+2H2O =2NaAlO2+3H2↑，求出氢氧化钠质量，再根据关系：CaO～Ca （OH）2～Na2CO3～2NaOH求出氧化钙与碳酸钠的质量，这种想法忽略一个问题，铝是在碱性条件下与水反应，而不一定是和氢氧化钠溶液反应，故上述计算的假定违背事实，三种物质的质量比不是0.81～0.84～1.59，铝在发热剂中的含量应更大，碳酸钠占比相对更少，这点从往使用过后的发热包中加入足量的稀盐酸，仅有少量气泡产生的现象得以佐证。故当发热剂取量小于3.24 g 时，出现收集的气体体积仍大于1000 mL 的实验现象。之所以建议学生用2.5 g发热剂，一是该量刚好能平铺锥形瓶（500 mL）底，不易结成团块，二是多次实验发现收集气体体积均在1500 mL 以内;用20 mL水可以盖住固体粉末，利用水的比热较大可缓解发生装置内温度过高，但水量不宜太多，否则反应速率偏慢。

3.角色扮演是项目实施的策略之一

在项目实施中，为培养学生协同协作的能力和自我管理的能力，笔者为项目组设置了10种角色，分别是：项目管理员、方案设计员、实验操作员、观察记录员、成果推介员、文案撰写员、信息技术员、资料保管员、仪器协调员、情报沟通员。在项目实施中，每一位同学可以选择2～3种角色，中途允许学生根据分工和自已特点做适当调整。

4.项目实践的过程也是劳动教育的过程

项目实践是劳动教育在学科教学落地的实践平台。在测定发热剂产生氢气体积的实验研究中，学生要克服实验的重复性所带来的枯燥和乏味，一遍遍严谨读取数据，精心清洗仪器，在这种平凡的劳作中等待研究成果。有的同学，量水时一不小心把水洒了，又要重新再做一次，这时不用教师说，他们就能感到劳动成果来之不易。发热剂反应到后期，反应速率极慢，学生看到仍有气泡产生，不敢拆仪器读取数据。从原来在放学时盲然等待实验结束，到后面有经验了，学生来上课时，把装置组装并加好药品，等到放学的时候再来“收割”数据。我觉得这种劳动体验是化学学科给孩子成长路上铺下艰苦奋斗、细致耐心、执着求真、科学高效的人生底色。

项目式教学是学生在真实问题驱动下的沉浸式学习。项目式教学课程的研发，如何做好项目式教学的时空管理，仍是需思考与实践的重要课题。

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（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012：3，9.

[2]约翰·拉尔默，约翰·梅根多勒，苏西·博思.“PBL项目学习黄金标准”[M].胡静，张昱华，彭红玲等译.北京：光明日报出版社，2019：36.

[3]宋心琦.化学实验教学改革建议之一[J].化学教学，2012（4）：3-4.

[4] 中华人民共和国国家标准.污水综合排放标准（GB8978-1996）[S].北京：中国标准出版社.1996：277.

[5]陈颖，王磊，徐敏，尚荣荣等.高中化学项目教学案例[J].化学教育，2018，39（19）：8-14.