實(shí)驗(yàn)探究暖寶寶的工作原理

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“暖寶寶”是冬季里常用的取暖用品，很多同學(xué)都使用過。百度百科介紹“暖寶寶”最早由日本人發(fā)明，并興起于日本國內(nèi)，為最新一代日本高科技產(chǎn)品，產(chǎn)品薄如紙、輕如棉、柔軟而富有彈性。由于叫法不同也被稱為：保暖貼、發(fā)熱貼、取暖片、暖手袋、暖手包、一貼熱、暖足貼、舒經(jīng)貼、暖宮寶等。

用過它的人都覺得挺方便的，而且有很多好奇的想法。譬如：這個產(chǎn)品能反復(fù)使用嗎？這么點(diǎn)粉末就能持續(xù)發(fā)熱，是什么原理呢？發(fā)熱的溫度有多少度，可以調(diào)節(jié)嗎？……好多的問題有待我們的探索。

關(guān)于“暖寶寶”的成分或原理探究的化學(xué)課還是挺多的，有關(guān)的文章在CNKI中也能搜到不少。我在研究了前輩的教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加上了傳感器的使用，設(shè)計(jì)了這節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課。

既然是高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課，那就要做真探究，而不是偽探究。探究性學(xué)習(xí)指學(xué)生通過類似于科學(xué)家科學(xué)探究活動的方式獲取科學(xué)知識，并在這個過程中，學(xué)會科學(xué)的方法和技能、科學(xué)的思維方式，形成科學(xué)觀點(diǎn)和科學(xué)精神。在具體操作層面上，應(yīng)該讓學(xué)生動手動腦，提出問題、分析問題并解決問題，而我們提供必要的設(shè)備和技術(shù)指導(dǎo)，以便開展實(shí)踐教學(xué)活動。

以下是教學(xué)的部分片段。

師：創(chuàng)設(shè)情境，提出問題。用幾幅冬季取暖的照片引出了“暖寶寶”，并發(fā)給同學(xué)實(shí)物，請大家先觀察說明書，了解內(nèi)容成分。

生：提出了為什么會發(fā)熱的問題。

師：說明書上提供了鐵粉、食鹽、水、蛭石、活性炭等成分，這些物質(zhì)之間能發(fā)生什么反應(yīng)呢？

生：經(jīng)過討論發(fā)現(xiàn)，它們之間并沒有什么反應(yīng)，因?yàn)楸仨毎汛哟蜷_來才能會發(fā)熱，所以推測是空氣中的某種成分參與了反應(yīng)。

師：可能存在哪些物質(zhì)之間的反應(yīng)呢?生：可能是鐵被氧化，也可能是碳被氧化。

師：怎么知道是什么物質(zhì)參與反應(yīng)?

生：可以測量周圍空氣的組成，比如測量氧氣的變化、看看二氧化碳是否增加等。

師：你的想法很好，可是你如何測量氧氣和二氧化碳的變化呢?

生：……

師：我支持你的想法！我可以給你提供這樣的傳感器，用于測量空氣中氧氣和二氧化碳的細(xì)微變化。

展示傳感器，介紹使用方法。我們選擇了三頸瓶，外加溫度、二氧化碳、氧氣傳感器，搭建裝置（圖1），將“暖寶寶”內(nèi)的粉末倒入三頸瓶內(nèi)，然后記錄瓶內(nèi)的溫度和氣體的變化，得到圖2。

從以上圖示中，我們可以分析得到隨時間的延長，反應(yīng)不斷發(fā)生并放出熱量，使燒瓶內(nèi)溫度升高，同時二氧化碳的濃度沒有發(fā)生變化，但是氧氣卻在不斷減少，這說明“暖寶寶”中的某種成分反應(yīng)時消耗了氧氣。再進(jìn)一步探討，這種消耗氧氣的物質(zhì)還不是碳，因?yàn)槎趸疾]有增加，所以推測是鐵與氧氣作用而放熱。

在接下來的課堂中，我們重點(diǎn)要解決的問題是“暖寶寶”配料表中的食鹽、活性炭、水等起什么作用。為了很好地闡釋這個問題，我們使用了幾個溫度傳感器制作了鐵粉、鐵粉+食鹽、鐵粉+活性炭、鐵粉+活性炭+食鹽的對比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)這幾種物質(zhì)混合在一起的時候才能發(fā)出熱量，缺一不可。由此我們更加認(rèn)識到這些物質(zhì)都發(fā)揮不可替代的作用。所以我們用鐵釘、飽和食鹽水、碳棒模擬了原電池的原理，用電流傳感器測定到了其中的電流。

通過這一連串的實(shí)驗(yàn)，我們得出了暖寶寶的發(fā)熱原理：利用原電池原理加快鐵粉的氧化。

課堂小結(jié)：

本課的授課對象是高一新生，剛開學(xué)不到一個月的時間，學(xué)生的水平基本還停留在初三的階段，高中化學(xué)剛剛學(xué)到基本實(shí)驗(yàn)操作，面對這樣一個實(shí)驗(yàn)探究課程，還是有挺大的難度的。為了上好這節(jié)課，我想應(yīng)該簡化操作、強(qiáng)調(diào)現(xiàn)象、重點(diǎn)分析、突出原理，所以我選擇了合適的傳感器來代替常規(guī)觀察，以便更快捷和實(shí)時的記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便分析。傳感器的使用，可以很簡單的測出燒瓶中氧氣濃度和二氧化碳濃度的變化，這就是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)做不到的地方。這樣大大簡化了操作，而且利用三個傳感器協(xié)同工作，相當(dāng)于同時記錄了實(shí)驗(yàn)中的三個變量，再利用計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)，就把實(shí)驗(yàn)過程中的每一時刻（間隔100ms）的三個數(shù)據(jù)全自動記錄下來，以便形成一系列數(shù)據(jù)鏈并繪制出直觀的平面坐標(biāo)圖供師生分析。另一方面，利用傳感器可以喚起學(xué)生的問題意識，提高科學(xué)探究的實(shí)效性。探究實(shí)驗(yàn)課是以實(shí)驗(yàn)活動為中心，以探索研究反應(yīng)原理為宗旨，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、發(fā)展其科學(xué)探究能力為根本的教學(xué)方法。普通的實(shí)驗(yàn)偏重于定性研究，引入傳感器后則偏重于定量研究，兩者相結(jié)合更能夠鼓勵學(xué)生大膽設(shè)想、大膽猜測、大膽的提出問題，因?yàn)閭鞲衅骺梢院芊奖憧旖莸仳?yàn)證學(xué)生的猜測，這樣可以迅速地修正實(shí)驗(yàn)方向，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)向著本質(zhì)原理靠近，能夠更快地揭示實(shí)驗(yàn)基本原理。傳感器的使用改變了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識，有利于抓住實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)。例如溫度變化，不是靠體表的接觸感知冷暖，而是從數(shù)據(jù)上進(jìn)行分析，并結(jié)合圖像來讀取溫度是如何變化的。這樣更加客觀的對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和處理，能夠養(yǎng)成學(xué)生從“實(shí)驗(yàn)—現(xiàn)象—數(shù)據(jù)—結(jié)論”的科學(xué)素養(yǎng)，更對今后認(rèn)知科學(xué)實(shí)驗(yàn)的思維產(chǎn)生深刻影響，打好實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。一節(jié)課，增加了一點(diǎn)新的實(shí)驗(yàn)儀器，突破了一點(diǎn)傳統(tǒng)方法，改變了一點(diǎn)學(xué)生的意識，得到了一點(diǎn)新收獲！