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标题 利用数字化实验探究铁粉型“暖宝宝”的发热原理
范文 周文荣






摘要：以数字化实验探究铁粉型“暖宝宝”发热原理为载体，从树立信息观念、运用信息工具、提升信息能力、辐射信息成果四个维度，分析初中化学实验创新中的信息意识、信息观念、工具运用、信息获取、信息分析、信息创造、信息再加工及信息辐射等信息素养的发展与提升，旨在促进化学教师养成自主探究、综合分析信息的意识和习惯，提升传递、发展、创新信息的能力。
关键词：实验创新；信息素养；数字化实验；铁粉型“暖宝宝”；实验探究
文章编号：1005-6629（2018）1-0063-06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
实验创新是培养创新人才、发展核心素养的重要组成部分，传统实验创新主要集中于实验内容的挖掘、实验装置的整合与改进、实验试剂的选择及实验形式的完善。随着科学技术的不断发展，数字化实验技术逐渐应用于实验，让化学实验从传统走向现代，为实验的设计拓展了创新的视角。《教育部关于推进教师教育信息化建设的意见》明确提出：“信息化已经引起中小学的教育思想、观念、内容、方法等方面发生深刻变革，要实现信息技术在中小学逐步普及和应用，建设一支数量足够、质量合格的具有较高信息素养的中小学师资队伍是关键。”如何让现代技术服务于化学实验创新，是化学教师面对的新挑战。在互联网+时代，需要化学教师对化学学科课程与现代技术进行有效整合，提升自身的信息素养。
1974年，美国信息产业协会主席保罗·车可斯基把信息素养定义为“利用大量的信息工具及主要信息源使问题得到解答的技术和技能”。我国学者认为：信息素养不仅包括利用信息工具和信息资源的能力，还包括识别获取选择信息、加工处理传递信息并将信息用于实际问题的解决和进行创新性思维的综合的信息能力。基于数字化实验设计，把化学信息素养界定为在化学学习活动中运用数字技术对化学信息的获取、分析、加工、创新和应用的素养，包括信息观念、信息工具、信息能力和信息应用。笔者以利用数字化实验探究“暖宝宝”（文中实验所用“暖宝宝”均为铁粉型）发热原理为例，分析初中化学实验创新中的信息素养。
1树立信息观念
信息观念是积极、辩证地对待信息的素养，包括信息意识和信息态度。
1.1信息意识
信息意识指对教与学过程中信息价值的感知、收集信息的意识及运用信息技术解决问题的欲望。
良好的信息意识是科学探究的开始。初中化学学习“铁发生锈蚀的主要因素”时，经常有教师以“暖宝宝”为例给学生介绍铁锈蚀的积极作用。对这个信息的感知是什么，是轻描淡写一带而过，还是深度探究，这就是信息意识问题。“暖宝宝”的发热原理和铁的锈蚀本质是否一致？“暖宝宝”在发热过程中氧气的浓度、湿度变化是否和预期的一致？教师要能够收集这些质疑的信息，并有解决问题的欲望。
1.2信息态度
信息态度是理解和对待信息的素养，是辨别和评价信息，抵制不良信息，优选良好信息的积极的态度。
一線教师利用沪教版（教育部2012年审定）教材第5页的装置图（如图1）进行了实验，在锥形瓶中放人拆开包装的“暖宝宝”，一段时间后发现红墨水在导管内上升了一段距离。因为看到这个现象时间较长，一些教师用针筒代替锥形瓶，用口径较小的输液管代替玻璃导管设计了如图2所示装置，很快就看到输液管中倒流人红墨水。
这些实验是否证明了“暖宝宝”的发热原理和铁的锈蚀本质一致呢？对于这些信息我们怎样理解和对待，这就是信息态度问题。红墨水倒流只能说明密闭容器内压强减小，还不能明确证明氧气、水等物质的变化情况，还需要进一步设计实验进行深入研究，从而获得更多更准确的信息。
2运用信息工具
信息工具是指收集、分析、加工信息并解决实际问题的载体。化学信息工具常见的有化学文献、化学工具书、计算机及网络工具、多媒体工具等。要熟练使用信息工具，就需要我们掌握各种媒体（图片、动画、声音、视频）知识，会使用常见的化学软件，知道计算机的基本原理和运用，会使用上网软件，会利用网络搜索引擎检索所需信息，会下载网络资源等。利用数字化实验探究“暖宝宝”，主要用到化学文献、网络检索、数字化实验等工具。
2.1运用化学文献、网络检索工具
通过网络检索，初步收集关于某品牌“暖宝宝”的基本信息如下：
通过查阅化学文献，收集初中学生对“暖宝宝”中不熟悉的物质的资料如下：
2.2运用数字化实验
数字化实验主要由传感器、数据采集器、计算机及相关应用软件构成。探究“暖宝宝”用到的气体压强传感器、氧气浓度传感器、温度传感器、湿度传感器分别用于检测密闭体系内的气压，氧气浓度、温度、湿度的变化，并以数字、曲线等多种形式形象地显示出来。
运用数字化实验，可以将反应的过程从数据和视觉上呈现出来。例如，对于图1、图2实验，利用数字化实验可以设计如图5所示实验进行初步验证。主要用到的仪器和药品分别是具支锥形瓶、导管、橡皮塞、气压传感器、数据采集器、电脑、“暖宝宝”。
实验过程中，可以看到压强从102kPa左右下降到85kPa左右的量化的动态过程，结果如图6所示。数字化实验的运用实现了数据记录的连续性，减少了基础的统计、处理和分析，摆脱了繁琐的计算过程，避免了传统实验仪器由于估读时人为引进的各种测量误差。
3提升信息能力
信息能力指准确地运用信息工具收集信息、分析加工信息、应用创新信息并解决实际问题的能力。
3.1信息获取能力
信息获取能力指根据需要有目的地去主动收集、发现信息的能力。铁的锈蚀条件需要氧气和水，那么“暖宝宝”在发热过程中氧气的浓度、湿度变化是否和预期的一致？可以设计如下数字化实验来获取信息。
（1）实验仪器和药品。三颈烧瓶及配套橡皮塞、铁架台、温度传感器、氧气浓度传感器、湿度传感器、数据采集器、电脑、“暖宝宝”
（2）实验装置（见图7）。
（3）操作要点。按图7连接装置，设置采集频率、采集时间。将拆除包装的暖宝宝放人三颈烧瓶，点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，观察电脑屏幕上的曲线变化。
（4）实验结果（见图8）。
3.2信息分析能力
信息分析能力是指对获取的信息与预期假设进行对比分析、筛选甄别的能力。一方面要筛选有用合理的信息验证假设，另一方面要对与预期不符的信息进行分析，探寻原因，形成合理的解释。
从图8实验结果可以看出温度随着时间的变化逐渐升高，氧气的浓度随着时间的变化逐渐减少，这两者说明“暖宝宝”在放热过程中需要消耗氧气，与预期的假设一致。而湿度却随着时间的变化逐渐增大，与铁锈蚀需要水产生了认知冲突。通过对前面文献检索获得的资料进行分析，“暖宝宝”中的吸水树脂吸收了自身重量几百倍至千倍的水分，在放热过程中释放出水提供给反应进行，从而导致容器内湿度的增大。
3.3信息创造能力
信息创造能力是指在收集、分析信息的基础上，进一步综合、拓展，透过表面现象寻求事物的根源，产生创新信息的能力。
在图5、图7实验的基础上，可以进一步设计实验对“暖宝宝”进行深度探究，获取对“暖宝宝”放热原理新的认识。
（1）实验仪器：锥形瓶及配套橡皮塞、温度传感器、数据采集器、电脑。
（2）实验药品：见表1。（3）实验装置：见图9。
（4）操作要点及实验结果：按图9连接装置，设置采集频率、采集时间。分别将实验一至实验六的药品放人锥形瓶中，点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，观察电脑屏幕上的曲线变化，实验结果如图10。
根据数字化实验采集的信息，对实验一至实验四进行分析，可知铁的锈蚀需要水，同时实验四600s时在四个实验中温度最高，说明氯化钠可以加快铁的锈蚀，这些信息与初中已有的认知完全符合。
从图10实验结果中，还可以获得两个新的信息：
实验五在加人活性炭后温度变化比前面四个实验都大。通过运用信息工具进行检索和对信息的比较分析可知，铁粉、活性炭、食盐水构成原电池反应，加快铁的氧化，将化学能转变为热能。铁粉作为原电池的负极，电极反应式为Fe-2e-=Fe2+，活性炭作为原电池的正极，电极反应式为O2+2H2O+4e-=40H-，总反应方程式为2Fe+02+2H2O=2Fe（OH）2，然后继续发生后续反应4Fe（OH）2+2H2O+O2=4Fe（OH）2、2Fe（OH）3=Fe2O3·xH2O+（3-x）H2O。
實验六虽然“暖宝宝”中铁粉质量要比前五个实验要少，但实验温度变化却明显高于其他实验。通过运用信息工具进行检索和对信息的比较分析可知，“暖宝宝”中的蛭石是很好的保温材料，可以减少与外界的热交换，吸水树脂可反复释水，从而维持反应的持续进行。同时，活性炭疏松多空的结构使得铁粉与其他物质接触非常充分（多次实验证明，用磁铁难以将铁粉从“暖宝宝”中分离出来），从而加快了反应速率。
3.4信息的再加工能力
信息的再加工能力指将文献或网络检索、实验采集和分析创造等不同渠道获得的信息进行综合，形成可以留存和传递的信息的能力。
在实验创新设计中获得的只是对“暖宝宝”的零散信息，教师可以进一步基于初中学生已有的基础进行重新整理、归纳、再加工，以资料卡、典型例题、实验案例、经典课例等形式，形成适合于初中学生再认识、可传递的信息。例如，通过对“暖宝宝”有关信息的整合、提炼，可以设计如下习题：
某品牌的“暖宝宝”的主要成分为铁粉、水、活性炭、蛭石、吸水性树脂、食盐。
[资料1]蛭石：一种铁镁质铝硅酸盐矿物，成分为Mg0.5（H2O）4Mg3[AlSi3O10]（OH）2，是当今世界首屈一指的超级保温材料。
[资料2]吸水性树脂：一种新型的高分子材料，它能够吸收自身重量几百倍至千倍的水分，吸水能力特强，保水能力特高，并且可反复释水、吸水。
某兴趣小组同学对“暖宝宝”产生了浓厚的兴趣，在老师的帮助下，设计了如图7所示实验装置，分别利用____传感器、氧气浓度传感器和湿度传感器验证“暖宝宝”放热是由于铁在
的作用下发生缓慢氧化，实验结果如图8。
（1）“暖宝宝”用于取暖，是将____能转化为____能。
（2）分析图像可知，图像____与我们所学知识不相符。原因可能与“暖宝宝”原材料中的____有关。
（3）铁钉生锈需较长时间，而“暖宝宝”能快速放热的原因可能是____、____（写两点即可）。
4辐射信息成果
实验创新设计最终指向的是学生。信息成果的辐射就是将再加工后的新信息通过有效的途径传递给学生，促进学生的能力与素养的发展。
课堂教学是辐射信息成果，有效传递信息的重要途径。探究“暖宝宝”专题复习课堂学习可按如下设计，其中关于“暖宝宝”有关信息以资料卡的形式在学案上提供给学生，学习环节一、二、四与前面获取的信息成果关联不大，故不赘述。
[学习环节一]认识“暖宝宝”的包装及保存
主要是认识“暖宝宝”的包装属于什么材料、暖宝宝如何保存。
[学习环节二]定性分析“暖宝宝的主要成分
主要是用多种方法定性分析“暖宝宝”中含有活性炭和铁粉。
[学习环节三]探究“暖宝宝”的发热原理
[实验探究1]按照下列四个反应物进行探究，在密闭的锥形瓶中有空气，用温度传感器测定锥形瓶中温度的变化，得到时间一温度曲线如下图。（说明：每组实验所用同种药品质量相等，忽略其他因素的影响）
[交流与讨论1]請根据实验结果，讨论以下问题：
[问题1]哪些物质发生反应放出了热量？氯化钠的作用是什么？
[问题2]暖宝宝的原理：铁粉、活性炭、食盐构成原电池反应，加快铁的氧化，将化学能转变为热能。反应机理可以看作三步反应：（1）2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2；（2）4Fe（OH）V+2H2O+O2=4Fe（OH）3；（3）2Fe（OH）3=Fe2O3+3H2O，请写出暖宝宝的总反应方程式。
[问题3]从反应的机理来看，如果没有水反应能否进行？
[问题4]从实验三、实验四比较分析，活性炭在“暖宝宝”发热中的作用是什么？
[交流与讨论2]实验四中锥形瓶中的压强、氧气含量和湿度会如何变化？尝试画出它们随时间变化的大致曲线。
[实验探究2]完成图7实验，得到图8实验结果。
[反思与评价]请根据实验结果与自己所画图像对比，对与预期图像不同处进行分析。
[归纳总结]“暖宝宝”发热原理及主要成分的作用。
[学习环节四]定量分析“暖宝宝”中铁的质量分数
主要是用多种方法定量测定“暖宝宝”中铁粉的质量分数。
通过问题的分层设计和自主探究的学习方式，促进了学生运用各种信息工具去收集、加工、处理信息能力的提升；同时拓宽了学生的信息视野，有效地将教师再加工后的信息传递给了学生，逐步发展了学生的信息思维。
信息素养作为一种高级的认知技能，它的培养不是一时的，而应当是一个持续性、终身化的学习过程。教师要在平时学习和教学中关注生活中有用信息，积累科技中前沿信息，养成自主探究、综合分析信息的意识和习惯，提升传递、发展、创新信息的能力。
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更新时间：2025/2/5 15:49:22