實驗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，很多同學都使用過。百度百科介紹“暖寶寶”最早由日本人發明，并興起于日本國內，為最新一代日本高科技產品，產品薄如紙、輕如棉、柔軟而富有彈性。由于叫法不同也被稱為：保暖貼、發熱貼、取暖片、暖手袋、暖手包、一貼熱、暖足貼、舒經貼、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：這個產品能反復使用嗎？這么點粉末就能持續發熱，是什么原理呢？發熱的溫度有多少度，可以調節嗎？……好多的問題有待我們的探索。

關于“暖寶寶”的成分或原理探究的化學課還是挺多的，有關的文章在CNKI中也能搜到不少。我在研究了前輩的教學設計的基礎上加上了傳感器的使用，設計了這節實驗探究課。

既然是高中化學實驗探究課，那就要做真探究，而不是偽探究。探究性學習指學生通過類似于科學家科學探究活動的方式獲取科學知識，并在這個過程中，學會科學的方法和技能、科學的思維方式，形成科學觀點和科學精神。在具體操作層面上，應該讓學生動手動腦，提出問題、分析問題并解決問題，而我們提供必要的設備和技術指導，以便開展實踐教學活動。

以下是教學的部分片段。

師：創設情境，提出問題。用幾幅冬季取暖的照片引出了“暖寶寶”，并發給同學實物，請大家先觀察說明書，了解內容成分。

生：提出了為什么會發熱的問題。

師：說明書上提供了鐵粉、食鹽、水、蛭石、活性炭等成分，這些物質之間能發生什么反應呢？

生：經過討論發現，它們之間并沒有什么反應，因為必須把袋子打開來才能會發熱，所以推測是空氣中的某種成分參與了反應。

師：可能存在哪些物質之間的反應呢?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參與反應?

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”內的粉末倒入三頸瓶內，然后記錄瓶內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，反應不斷發生并放出熱量，使燒瓶內溫度升高，同時二氧化碳的濃度沒有發生變化，但是氧氣卻在不斷減少，這說明“暖寶寶”中的某種成分反應時消耗了氧氣。再進一步探討，這種消耗氧氣的物質還不是碳，因為二氧化碳并沒有增加，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+食鹽的對比實驗，發現，只有當這幾種物質混合在一起的時候才能發出熱量，缺一不可。由此我們更加認識到這些物質都發揮不可替代的作用。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。

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

課堂小結：

本課的授課對象是高一新生，剛開學不到一個月的時間，學生的水平基本還停留在初三的階段，高中化學剛剛學到基本實驗操作，面對這樣一個實驗探究課程，還是有挺大的難度的。為了上好這節課，我想應該簡化操作、強調現象、重點分析、突出原理，所以我選擇了合適的傳感器來代替常規觀察，以便更快捷和實時的記錄實驗數據，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，這就是傳統實驗做不到的地方。這樣大大簡化了操作，而且利用三個傳感器協同工作，相當于同時記錄了實驗中的三個變量，再利用計算機記錄數據，就把實驗過程中的每一時刻（間隔100ms）的三個數據全自動記錄下來，以便形成一系列數據鏈并繪制出直觀的平面坐標圖供師生分析。另一方面，利用傳感器可以喚起學生的問題意識，提高科學探究的實效性。探究實驗課是以實驗活動為中心，以探索研究反應原理為宗旨，培養學生的科學思維、發展其科學探究能力為根本的教學方法。普通的實驗偏重于定性研究，引入傳感器后則偏重于定量研究，兩者相結合更能夠鼓勵學生大膽設想、大膽猜測、大膽的提出問題，因為傳感器可以很方便快捷地驗證學生的猜測，這樣可以迅速地修正實驗方向，推進實驗向著本質原理靠近，能夠更快地揭示實驗基本原理。傳感器的使用改變了學生對實驗的認識，有利于抓住實驗的本質。例如溫度變化，不是靠體表的接觸感知冷暖，而是從數據上進行分析，并結合圖像來讀取溫度是如何變化的。這樣更加客觀的對實驗數據進行記錄和處理，能夠養成學生從“實驗—現象—數據—結論”的科學素養，更對今后認知科學實驗的思維產生深刻影響，打好實驗基礎。一節課，增加了一點新的實驗儀器，突破了一點傳統方法，改變了一點學生的意識，得到了一點新收獲！