初中化学“燃烧的条件”项目式教学实践——探究打火机的工作原理.pdf

学科教学刘东方李研刘伟赵飞摘要以“探究打火机的工作原理”为主题，开展初中化学“燃烧的条件”的项目式教学。通过完成“拆解打火机”“探究打火机的点火过程”“对比打火机和火柴工作原理的异同”“打火机的保存与使用”四个任务，经历完整的问题解决过程。通过分析与推理、比较与归纳、实验探究等科学方法认识燃烧的条件，发展科学探究能力。从多种视角认识燃烧反应，初步形成认识化学反应的系统思维意识，制作打火机工作原理图体现了项目式教学的本质特征，实现学习结果的可视性、共享性、交流性。关键词初中化学项目式教学燃烧的条件打火机的工作原理初中化学初中化学“燃烧的燃烧的条件条件”项目式教学实践项目式教学实践探究打火机的工作原理作者简介：刘东方（1981），女，辽宁沈阳人，沈阳师范大学教师教育学院教授，博士，研究方向：化学教育、教师教育；李研（1999），女，辽宁台安县人，沈阳师范大学硕士研究生，研究方向：化学教育；刘伟（1988），女，辽宁沈阳人，岐山一校小学二级教师，硕士，研究方向：科学教育；赵飞（1983），男，辽宁葫芦岛人，沈阳师范大学教师教育学院讲师，硕士，研究方向：教师教育。基金项目：本文系2022辽宁省教育厅义务教育重点课题“辽宁省中学科学教师教研能力提升策略研究”（课题编号：LNJA202233）、中国教育学会课题2021年度教育科研一般规划课题“我国中学理科教师教研能力发展研究”（课题编号：202100482205B）、2021沈阳师范大学研究生教改立项-重大项目“学科教育硕士临床实践教学模式改革研究”（课题编号：YJSJG120210003）的阶段性研究成果。一、项目主题内容分析“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592023.5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。二、项目教学目标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）三、项目任务及教学流程首先，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60学科教学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教学流程教学任务任务 1：拆解打火机，了解打火机的内部结构任务 2：从物理与化学相结合角度探究打火机的点火过程任务3：比较、归纳打火机和火柴燃烧异同，再探燃烧条件任务 4：打火机的安全保存与合理使用制作项目作品驱动性问题初步猜想打火机怎 样 产 生 火 焰？打火机具有怎样的内部结构打火机的燃料是什么？为什么该物质适合作为燃料？为什么按压按手就能看见火打火机与火柴的工作原理有哪些异同，燃烧需要满足哪些条件不当的保存或使用也会带来危害，怎样合理保存与使用打火机通过绘制打火机的工作原理图，回顾“探究打火机的工作原理”的问题解决过程学生活动（1）体验打火机的工作过程（2）猜想打火机原理（3）拆解打火机（1）完成对比实验（2）推测燃料成分（3）阅读资料卡片1（4）阅读资料卡片2（1）完成对比表格（2）完成对比实验（3）阅读资料卡片3（1）观看视频（2）讨论与交流教师活动（1）提供打火机实物（2）准备拆解打火机的工具，指导学生完成拆解任务（1）提供实验药品和仪器（2）提供相关资料（3）完成演示实验（1）提供火柴及相关资料（2）引导学生完成表格（3）提供实验药品和仪器（1）提供视频资料（2）组织学生交流讨论，并进行评价设计意图了解打火机的内部结构，增强学生动手能力培养物质性质决定用途的意识，理清打火机组成结构与机理的关系建立从多个视角认识燃烧反应培养学生针对问题提出解决方案的能力四、项目实施过程及学生学习成果（一）介绍项目背景,提出项目问题【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。（二）拆解打火机，了解打火机的内部组成结构【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612023.5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。（三）从物理与化学相结合角度探究打火机的点火过程【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资料1：正丁烷是一种有机化合物，常温常压下是一种无色、易液化的气体。引燃温度为287，与氧化剂接触后猛烈反应9。【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，62学科教学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资料2：按下打火机按手瞬间，机械结构带动了打火机的储气阀门开启，液态丁烷瞬间汽化，压电陶瓷发生了形变，它的内部两侧就会出现正负电荷，表现出有电的状态，这时按压力产生的机械能转化为电能，压电陶瓷放出高压电击穿空气产生火花10。【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。（四）对比打火机和火柴燃烧的异同，再探燃烧的条件【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资料3：火柴盒的侧面涂有红磷（发火剂）、三硫化二锑（Sb2S3，易燃物）和玻璃粉；火柴头上的物质一般是KClO3，MnO2和S等。玻璃粉主要成分是二氧化硅等，不可燃，粗糙表面，起到摩擦生热的作用11。【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？632023.5【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。表5某小组完成的打火机与火柴的比较表燃 料燃烧环境点火过程工作原理现 象能量变化打火机丁 烷空 气压电陶瓷打火器产生电弧通过电火花点燃丁烷气体发光、放热、有新物质生成化学能转化为热能、光能火 柴三硫化二锑空气、KClO3分解产生的氧气摩擦生热摩擦产生热量，使与KClO3等接触的红磷发火并引起火柴头上的三硫化二锑等可燃物燃烧，从而使火柴杆着火【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。（五）打火机的安全保存与合理使用【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。五、教学反思（一）知识方面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64学科教学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。（二）能力与素养方面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。（三）思维方面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。（四）兴趣方面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。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）S.北京：北京师范大学出版社，2022.2汪英.“燃烧的条件”实验课与新授课的整合教学J.化学教育，2015，36（7）：16-19.3叶婉，李婉冰，姜建文.发展学生“证据推理与模型认知”素养的教学实践：以“燃烧与灭火”为例J.化学教学，2021（3）：57-62.4宁晓强，李聪聪.显化反应条件视角发展反应调控意识：受控的燃烧J.化学教育（中英文），2022，43（23）：36-42.5张明辉.“燃烧与灭火”教学设计J.中学化学教学参考，2021（6）：32-33.6尹峻.基于问题解决的初中化学教学设计：以“燃烧与灭火”为例J.化学教与学，2022（15）：43-46.7李焱，杜红，张恒信.探究锡纸中的化学奥秘：“燃烧灭火和金属性质”的主题化探究复习及反思J.中学化学教学参考，2016（5）：22-24.8刘东方，李文昱，康新.高中化学“铁及其化合物”的项目式教学：探秘铁肥的合理使用J.化学教育（中英文），2022，43（17）：53-61.9隽桂才，张仙，王记臣.丁烷性质实验J.化学教学，1994（4）：49-50.10朱蕾蕾，熊举峰.打火机的物理原理及教学应用J.科技风，2022（31）：121-123.11杨俊峰，魏明贵.项目式教学在初中化学中的实践与反思：以“火柴中的化学”教学为例J.实验教学与仪器，2022，39（5）：14-16.（责任编辑：姜显光）65