基于真實情境的項目式學(xué)習(xí)案例的設(shè)計與實施

廖榮滔

摘要：以“探秘火箭推進(jìn)劑”為主題，開展高中化學(xué)“化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)”的教學(xué)。學(xué)生通過完成“了解火箭推進(jìn)劑”“火箭推進(jìn)劑的選擇”“火箭推進(jìn)劑的發(fā)展與展望”“未來火箭推進(jìn)劑的研究方向”等4個項目任務(wù)，理解了反應(yīng)熱的原理，培養(yǎng)了學(xué)生的文獻(xiàn)檢索能力、實驗探究能力以及發(fā)展了學(xué)生的高階思維能力。將文獻(xiàn)查閱與學(xué)生實驗相結(jié)合，讓學(xué)生在真實情境中，完成反應(yīng)熱等相關(guān)知識的內(nèi)化。

關(guān)鍵詞：項目式學(xué)習(xí);化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng);火箭推進(jìn)劑

文章編號：1008-0546（2022）10-0055-04中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

一、項目主題內(nèi)容分析

通過高中化學(xué)必修第一冊和選擇性必修1有關(guān)化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的學(xué)習(xí)，學(xué)生理解了化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的有關(guān)概念，掌握了熱化學(xué)方程式的書寫和有關(guān)燃燒熱和蓋斯定律的計算。具備了有關(guān)化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的計算、分析和歸納等能力。但缺少從真實情境中如何選擇物質(zhì)、評價化學(xué)反應(yīng)的思路;缺少從能量視角研究化學(xué)反應(yīng)的思路。在所學(xué)知識的基礎(chǔ)上，從化學(xué)反應(yīng)規(guī)律出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生用化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)原理探秘火箭推進(jìn)劑，根據(jù)熱化學(xué)方程式，以及與蓋斯定律相結(jié)合的反應(yīng)熱計算，分析化學(xué)反應(yīng)，形成合理選擇和利用化學(xué)反應(yīng)的思路。幫助學(xué)生在化學(xué)層面上找到分析問題和解決問題的方法，建立認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的能量視角，完善物質(zhì)變化觀念，培養(yǎng)學(xué)生從生活中學(xué)習(xí)化學(xué)的意識，提高學(xué)生的探究能力、動手能力以及合作能力。

二、項目教學(xué)目標(biāo)

（1）通過了解火箭推進(jìn)劑的種類及反應(yīng)原理，知道獲取能源的途徑，認(rèn)識能量變化的原因，發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)。

（2）通過書寫熱化學(xué)方程式，計算燃燒熱，比較、評價化學(xué)反應(yīng)，初步形成分析推理、對比歸納能力，發(fā)展學(xué)生變化觀念與平衡思想。

（3）通過了解火箭推進(jìn)劑的發(fā)展歷程，感受科技對人類社會進(jìn)步的促進(jìn)作用，從STSE角度認(rèn)識并體會化學(xué)反應(yīng)中能量變化的價值，發(fā)展學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任感。[1]

三、項目任務(wù)及教學(xué)流程

見表1。

四、項目實施過程及學(xué)生學(xué)習(xí)成果

1.了解火箭推進(jìn)劑

（1）觀看視頻談感受

教師：播放2022年2月27日中央電視臺的新聞報告《長征八號成功發(fā)射，一箭22星創(chuàng)紀(jì)錄》，要求學(xué)生觀看后發(fā)表感受。

學(xué)生：1970年中國將“東方紅一號”衛(wèi)星送入軌道，由此拉開了中國航天的序幕。如今，“北斗”“神舟”“天舟”“嫦娥”“玉兔”“天問”……星辰大海中，中國“星”亮晶晶。中國已由航天大國開始邁向航天強(qiáng)國。我們曾經(jīng)艱難，曾經(jīng)受制于人，但有著自力更生、艱苦奮斗精神的中國人民，邁向航天強(qiáng)國的步伐無人可以阻擋，隨著神舟十三號載人飛行任務(wù)的實施，在不久的將來，“中國空間站”將會在星辰大海中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。作為新時代的青年，應(yīng)勤奮學(xué)習(xí)、錘煉身心，努力做新時代具有過硬本領(lǐng)和高尚品格的接班人。

（2）調(diào)查火箭和火箭推進(jìn)劑的發(fā)展歷史

教師：我國航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，神舟十三號，天舟三號發(fā)射成功，長征系列火箭功不可沒。今天我們選擇火箭升空的動力來源——推進(jìn)劑作為研究對象，上周已布置了對火箭及火箭推進(jìn)劑發(fā)展史進(jìn)行調(diào)查研究的任務(wù)，請各小組派代表進(jìn)行展示。

學(xué)生：通過網(wǎng)絡(luò)查找相關(guān)文獻(xiàn)并進(jìn)行整理和歸納，火箭推進(jìn)劑發(fā)展歷史以火箭的第一級推進(jìn)劑為例，可分為四代，第一代：火藥;第二代：燃料是偏二甲肼，氧化劑是四氧化二氮;第三代：燃料是煤油，氧化劑是液態(tài)氧;第4代：燃料是液態(tài)氫，氧化劑是液態(tài)氧。圖1是某學(xué)習(xí)小組展示的調(diào)查結(jié)果。

（3）用火柴自制小火箭

①任務(wù)引導(dǎo)

教師：你知道火箭發(fā)射和飛行的原理嗎？

學(xué)生：火箭的發(fā)射和飛行符合牛頓運(yùn)動定律，火箭發(fā)動機(jī)內(nèi)推進(jìn)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，產(chǎn)生大量的熱和氣體，噴出的高速氣體給予火箭本體一個反作用力，使火箭的速度產(chǎn)生變化。

教師：圖2是液體火箭和固體火箭發(fā)動機(jī)構(gòu)造的區(qū)別，但火箭發(fā)射和飛行的原理是一樣的，都是發(fā)動機(jī)內(nèi)推進(jìn)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)噴出的高速氣體推進(jìn)火箭。你能用實驗?zāi)M火箭的發(fā)射嗎？

②實驗探究

在查閱了相關(guān)的文獻(xiàn)后，同學(xué)們分組討論，制定了實驗計劃。

用一小塊鋁箔把一根剪斷的火柴頭和火柴梗緊緊包裹成圓柱形，包緊火柴頭使其前方不透氣。再取一小塊正方形的鋁箔，中間用鐵釘戳穿，并套到包緊火柴頭和火柴梗的圓柱形的鋁箔上捏火箭尾翼狀。

取出火柴梗，把包緊火柴頭的圓柱形鋁箔套在回形針做成的發(fā)射架上。劃著另一根火柴，隔著鋁箔加熱里面的火柴頭（具體操作見圖3）。

③實驗現(xiàn)象

火柴頭被引燃后，看到火柴頭像火箭一樣“嗖”地一聲飛了出去，留下一道白煙。

④實驗結(jié)論

火藥燃燒產(chǎn)生大量的熱和氣體，氣體迅速膨脹，由于氣體被鋁箔束縛著，只能從預(yù)留的通道高速噴出，由于反沖作用，火柴頭像火箭一樣“嗖”地一聲飛了出去。

2.火箭推進(jìn)劑的選擇

（1）定性比較各代火箭推進(jìn)劑

教師：同學(xué)們，能從多個角度來分析各代液體火箭推進(jìn)劑的優(yōu)缺點(diǎn)嗎？

學(xué)生：結(jié)合文獻(xiàn)進(jìn)行整理并完成下表（表2），學(xué)習(xí)小組匯報各代火箭推進(jìn)劑的優(yōu)缺點(diǎn)。

（2）定量比較各代火箭推進(jìn)劑

教師：你能從定量的角度比較各代火箭推進(jìn)劑嗎？請完成以下習(xí)題。

已知：①10.0g液態(tài)偏二甲肼（C2H8N2）與液態(tài)四氧化二氮完全燃燒生成氣態(tài)物質(zhì)可以放出425kJ熱量;②煤油主要成分是C12H26，其燃燒熱為8571.4kJ·mol-1;③某些共價鍵的鍵能數(shù)據(jù)：H-H：436.0kJ·mol-1、O=O：497.3kJ·mol-1、O-H：462.8kJ·mol-1;④H2O（g）=H2O（l）ΔH=-44.0kJ·mol-1。根據(jù)以上數(shù)據(jù)書寫三類液體推進(jìn)劑燃燒的熱化學(xué)方程式。

學(xué)生：三類液體推進(jìn)劑燃燒熱化學(xué)方程式分別是：C2H8N2（l）+2N2O4（l）=2CO2（g）+4H2O（g）+3N2（g）ΔH=-2550.0kJ·mol-1

2C12H26（l）+37O2（g）=24CO2（g）+26H2O（g）ΔH=-15998.8kJ·mol-1

2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）

ΔH=-481.9kJ·mol-1

教師：三類火箭推進(jìn)劑的熱值分別是多少呢？提示：熱值就是單位質(zhì)量（或體積）的燃料完全燃燒時所放出的熱量，單位是J·kg-1。[3]

學(xué)生：通過計算，偏二甲肼、煤油和氫氣的熱值分別是：4.25×107J·kg-1、4.71×107J·kg-1和1.20×108J·kg-1。

教師：（1）為什么長征2，3，4號運(yùn)載火箭一級燃料不選碳?xì)浠衔锒x偏二甲肼，氧化劑不選液氧而選四氧化二氮？（2）為什么火箭各級發(fā)動機(jī)選擇的推進(jìn)劑略有不同？

學(xué)生：（1）（引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)條件和燃燒產(chǎn)物等角度分析）使用偏二甲肼和四氧化二氮組合無需點(diǎn)火，混合即能反應(yīng)，減少發(fā)生事故的可能性;使用偏二甲肼成本較低;使用偏二甲肼可以避免燃燒不完全造成積碳堵塞管道。（2）（引導(dǎo)學(xué)生從儲存條件，用量等角度分析）各級火箭燃料用量不同;使用煤油和液氧組合成本低;使用煤油和液氧組合技術(shù)較為成熟。

教師：選用何種火箭推進(jìn)劑要結(jié)合成本、性能、環(huán)境、安全等因素綜合考慮，選用性能盡可能高（比沖高、熱值高）、腐蝕性盡可能小、化學(xué)性質(zhì)盡可能穩(wěn)定、毒性盡可能小、價格盡可能便宜的火箭推進(jìn)劑。

3.火箭推進(jìn)劑的發(fā)展與展望

教師：隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展以及我國新一代運(yùn)載火箭陸續(xù)投入使用，研發(fā)高性能推進(jìn)劑成為趨勢?；鸺七M(jìn)劑可以從哪些方面改良？

學(xué)生1：從環(huán)境保護(hù)角度考慮，相對于傳統(tǒng)推進(jìn)劑的產(chǎn)煙、有毒性和污染環(huán)境等缺點(diǎn)而言，新型推進(jìn)劑應(yīng)具有排煙少、燃燒反應(yīng)無毒無害，可回收再利用等特點(diǎn)。

學(xué)生2：從安全角度考慮，新型推進(jìn)劑生產(chǎn)原料要安全無毒，生產(chǎn)過程不產(chǎn)生有害物質(zhì)，性質(zhì)穩(wěn)定，腐蝕性小，運(yùn)輸過程中不易發(fā)生爆炸等對人員造成危害。

學(xué)生3：從經(jīng)濟(jì)角度考慮，新型推進(jìn)劑生產(chǎn)工藝盡可能簡單，原料來源豐富，價格便宜。

學(xué)生4：從性能角度考慮，新型推進(jìn)劑應(yīng)具有更高的熱值、密度和比沖。[4]

教師：詳細(xì)介紹綠色推進(jìn)劑標(biāo)準(zhǔn)。

4.未來火箭推進(jìn)劑的研究方向

教師：通過研究，我們可以感受到火箭推進(jìn)劑的發(fā)展對人類社會的發(fā)展和進(jìn)步起到巨大的推動作用，體會到化學(xué)反應(yīng)中能量變化的重要價值，更加堅定我們學(xué)好化學(xué)的決心。請從火箭推進(jìn)劑的熱值、比沖、環(huán)境等角度出發(fā)，以材料科學(xué)家的角色擬定未來火箭推進(jìn)劑的性能以及可能的研究方向，各小組討論后將未來火箭推進(jìn)劑具有的性能和推進(jìn)劑可能的研發(fā)方向以思維導(dǎo)圖形式呈現(xiàn)出來，并與全體同學(xué)交流。

學(xué)生：從比沖、熱值、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等角度考慮未來火箭推進(jìn)劑的性能并提出自己對未來火箭推進(jìn)劑的研究設(shè)想，圖4是某學(xué)習(xí)小組展示的“未來火箭推進(jìn)劑的研究方向”的思維導(dǎo)圖。

五、項目教學(xué)反思與改進(jìn)建議

本項目以“探秘火箭推進(jìn)劑”為總?cè)蝿?wù)驅(qū)動，通過完成四個基于真實情境的項目任務(wù)，理解和鞏固了化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的原理，將文獻(xiàn)查閱與學(xué)生實驗相結(jié)合，讓學(xué)生多角度地展示自己，旨在培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)檢索能力、實驗探究能力以及高階思維能力。

本項目式學(xué)習(xí)研究中也暴露了學(xué)生在實際動手研究中存在的一些問題。首先，學(xué)生在實驗方案的設(shè)計上存在不全面、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯栴}，變量控制意識不夠，需要提高科學(xué)探究性的意識。此外，學(xué)生的思考比較淺顯，不夠深入，需要教師提出呈梯度遞進(jìn)的問題，多方面、多角度地引導(dǎo)學(xué)生深入思考并探究，使學(xué)生對實際問題的研究成為常態(tài)，養(yǎng)成思考和質(zhì)疑的習(xí)慣。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]李成智.中國航天技術(shù)的突破性發(fā)展[J].中國科學(xué)院院刊，2019，34（9）：1014-1027.

[3]史冬雨.輕烴混合燃?xì)庀路涓C狀阻火器的阻火特性研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2019.

[4]杜宗罡，史雪梅，符全軍.高能液體推進(jìn)劑研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[J].火箭推進(jìn)，2005（3）：30-34，49.