实验探究暖宝宝的工作原理

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“暖宝宝”是冬季里常用的取暖用品，很多同学都使用过。百度百科介绍“暖宝宝”最早由日本人发明，并兴起于日本国内，为最新一代日本高科技产品，产品薄如纸、轻如棉、柔软而富有弹性。由于叫法不同也被称为：保暖贴、发热贴、取暖片、暖手袋、暖手包、一贴热、暖足贴、舒经贴、暖宫宝等。

用过它的人都觉得挺方便的，而且有很多好奇的想法。譬如：这个产品能反复使用吗？这么点粉末就能持续发热，是什么原理呢？发热的温度有多少度，可以调节吗？……好多的问题有待我们的探索。

关于“暖宝宝”的成分或原理探究的化学课还是挺多的，有关的文章在CNKI中也能搜到不少。我在研究了前辈的教学设计的基础上加上了传感器的使用，设计了这节实验探究课。

既然是高中化学实验探究课，那就要做真探究，而不是伪探究。探究性学习指学生通过类似于科学家科学探究活动的方式获取科学知识，并在这个过程中，学会科学的方法和技能、科学的思维方式，形成科学观点和科学精神。在具体操作层面上，应该让学生动手动脑，提出问题、分析问题并解决问题，而我们提供必要的设备和技术指导，以便开展实践教学活动。

以下是教学的部分片段。

师：创设情境，提出问题。用几幅冬季取暖的照片引出了“暖宝宝”，并发给同学实物，请大家先观察说明书，了解内容成分。

生：提出了为什么会发热的问题。

师：说明书上提供了铁粉、食盐、水、蛭石、活性炭等成分，这些物质之间能发生什么反应呢？

生：经过讨论发现，它们之间并没有什么反应，因为必须把袋子打开来才能会发热，所以推测是空气中的某种成分参与了反应。

师：可能存在哪些物质之间的反应呢?生：可能是铁被氧化，也可能是碳被氧化。

师：怎么知道是什么物质参与反应?

生：可以测量周围空气的组成，比如测量氧气的变化、看看二氧化碳是否增加等。

师：你的想法很好，可是你如何测量氧气和二氧化碳的变化呢?

生：……

师：我支持你的想法！我可以给你提供这样的传感器，用于测量空气中氧气和二氧化碳的细微变化。

展示传感器，介绍使用方法。我们选择了三颈瓶，外加温度、二氧化碳、氧气传感器，搭建装置（图1），将“暖宝宝”内的粉末倒入三颈瓶内，然后记录瓶内的温度和气体的变化，得到图2。

从以上图示中，我们可以分析得到随时间的延长，反应不断发生并放出热量，使烧瓶内温度升高，同时二氧化碳的浓度没有发生变化，但是氧气却在不断减少，这说明“暖宝宝”中的某种成分反应时消耗了氧气。再进一步探讨，这种消耗氧气的物质还不是碳，因为二氧化碳并没有增加，所以推测是铁与氧气作用而放热。

在接下来的课堂中，我们重点要解决的问题是“暖宝宝”配料表中的食盐、活性炭、水等起什么作用。为了很好地阐释这个问题，我们使用了几个温度传感器制作了铁粉、铁粉+食盐、铁粉+活性炭、铁粉+活性炭+食盐的对比实验，发现，只有当这几种物质混合在一起的时候才能发出热量，缺一不可。由此我们更加认识到这些物质都发挥不可替代的作用。所以我们用铁钉、饱和食盐水、碳棒模拟了原电池的原理，用电流传感器测定到了其中的电流。

通过这一连串的实验，我们得出了暖宝宝的发热原理：利用原电池原理加快铁粉的氧化。

课堂小结：

本课的授课对象是高一新生，刚开学不到一个月的时间，学生的水平基本还停留在初三的阶段，高中化学刚刚学到基本实验操作，面对这样一个实验探究课程，还是有挺大的难度的。为了上好这节课，我想应该简化操作、强调现象、重点分析、突出原理，所以我选择了合适的传感器来代替常规观察，以便更快捷和实时的记录实验数据，方便分析。传感器的使用，可以很简单的测出烧瓶中氧气浓度和二氧化碳浓度的变化，这就是传统实验做不到的地方。这样大大简化了操作，而且利用三个传感器协同工作，相当于同时记录了实验中的三个变量，再利用计算机记录数据，就把实验过程中的每一时刻（间隔100ms）的三个数据全自动记录下来，以便形成一系列数据链并绘制出直观的平面坐标图供师生分析。另一方面，利用传感器可以唤起学生的问题意识，提高科学探究的实效性。探究实验课是以实验活动为中心，以探索研究反应原理为宗旨，培养学生的科学思维、发展其科学探究能力为根本的教学方法。普通的实验偏重于定性研究，引入传感器后则偏重于定量研究，两者相结合更能够鼓励学生大胆设想、大胆猜测、大胆的提出问题，因为传感器可以很方便快捷地验证学生的猜测，这样可以迅速地修正实验方向，推进实验向着本质原理靠近，能够更快地揭示实验基本原理。传感器的使用改变了学生对实验的认识，有利于抓住实验的本质。例如温度变化，不是靠体表的接触感知冷暖，而是从数据上进行分析，并结合图像来读取温度是如何变化的。这样更加客观的对实验数据进行记录和处理，能够养成学生从“实验—现象—数据—结论”的科学素养，更对今后认知科学实验的思维产生深刻影响，打好实验基础。一节课，增加了一点新的实验仪器，突破了一点传统方法，改变了一点学生的意识，得到了一点新收获！