運用手持技術對鋼鐵的腐蝕進行四重表征教學小探

倪霞

摘要：以鋼鐵的腐蝕為教學內容，通過對傳統析氫、吸氧腐蝕的實驗裝置進行了改進獲取宏觀實驗現象，并運用手持技術采集鋼鐵腐蝕過程中的壓強和氧氣濃度變化的數據，引導學生分析壓強和氧氣濃度變化曲線，從四重表征模式的4個維度深入認識鋼鐵的腐蝕實質，對運用手持技術和四重表征相結合的教學模式進行了小探。同時應用課堂互動反饋系統對教學效果進行即時反饋，提高教學效率，構建智慧課堂。

關鍵詞：手持技術；鋼鐵腐蝕；四重表征；課堂互動反饋系統

一、問題的提出

1.理論背景

2009年，錢揚義等人基于手持實驗即時收集數據和自動生成曲線的技術背景，首次提出“曲線表征”的定量分析方法，并將化學“三重表征”教學模式發展為“四重表征”教學模式（Tetra-Representaion Teaching Model，簡稱TRTM見表1）。

四重表征教學模式是在課堂教學中創設驅動學生進行“四重表征”轉換的問題情境，引導學生觀察實驗現象、測量反應過程中的相關數據，理解微觀層面的信息，并落實符號表征，從“四重表征”水平思考問題，尤其是提高對曲線圖像的理解能力。從而使學生通過四重表征間的相互轉換理解化學概念、反應本質和實驗原理。

2.教材分析

鋼鐵的腐蝕是我們現實生活中常見的腐蝕形式。這部分知識在日常生產和生活中的應用非常廣泛，所涉及的化學知識主要是原電池和電解池的基本原理。人教版、魯科版和蘇教版的教材均在原電池后這一章節中介紹這一知識點。蘇教版選修《化學反應原理》教材中先給出析氫和吸氧腐蝕實驗，然后從微觀角度分析鋼鐵電化學腐蝕原理，再落實電極方程式。但在具體教學中，鐵的析氫腐蝕實驗操作不確定影響因素多、現象不明顯，導致這種教學方法更多關注的是對鋼鐵電化學腐蝕原理的微觀解釋。而學生在思維上延續著宏觀思維的方式，從微觀層面上理解鐵的腐蝕尚顯不足，更談不上在曲線圖像層面的能力提高了。

3.研究的問題

本節課運用數字化手持技術對鋼鐵的腐蝕進行四重表征教學，主要解決4個問題：（1）使用鐵的析氫和吸氧腐蝕的改進實驗裝置；（2）引導學生分析手持實驗所得的實驗數據曲線圖；（3）對鋼鐵電化學腐蝕進行四重表征；（4）實現良好的課堂互動，及時反饋并了解學生的學習效果。

二、教學設計

1.教學目標的設計

通過對鋼鐵的析氫、吸氧腐蝕實驗現象的觀察并對手持技術實驗所得的實驗數據進行分析，掌握鋼鐵的析氫、吸氧腐蝕原理，提升實驗操作能力和數據分析能力以及化學研究的熱情。

2.教學內容的設計

整合本課時教學內容之間的內在聯系，注重學生的認知和情感的階段性發展，設計了有助于本節課順利實施的進階學習任務（見表2）。

三、教學方法和教學問題的解決

1.運用改進后的實驗裝置，放大宏觀現象

實驗操作：將鐵粉15.5g，碳粉0.2g，混合均勻后，分成兩份分別倒入用氯化鈉溶液潤濕過的小試管和稀醋酸潤濕過的大試管中，按圖安裝好儀器。觀察、比較與大試管相連的U型管a和與小試管相連的u型管b中水柱（藍色的CuSO4溶液）的變化和試管中的現象。取反應后的物質，向其分別滴加鐵氰化鉀、酚酞溶液。

實驗現象：隨著反應的進行，u型管a中藍色液面先是左低右高，后慢慢變成左高右低；U型管b中藍色液面一直為左高右低。在大小試管中都有紅棕色物質生成。取大試管反應后的物質，向其滴加鐵氰化鉀出現藍色，滴有酚酞的部位無顏色變化。取小試管中物質，向其滴加鐵氰化鉀出現藍色，滴有酚酞的部位呈微紅。

實驗分析：在相同pH條件下（包含強酸性環境中），鐵的吸氧腐蝕的正極電勢始終大于析氫腐蝕的正極電勢，即鐵發生吸氧腐蝕的熱力學趨勢大于析氫腐蝕。因此鐵的吸氧腐蝕在自然界中更普遍，在實驗演示中也更容易成功，析氫腐蝕的實驗往往無明顯現象。這套裝置將析氫腐蝕實驗與吸氧腐蝕放在套管中進行，收到不一樣的效果。用小試管插入大試管中，排走空氣，盡量降低氧氣含量。在氧氣量較少的情況下，酸性環境中，析氫腐蝕暫時占了上風。能觀察到析氫腐蝕現象：液柱向外、氣壓增大的明顯宏觀現象。而明顯的宏觀現象為引導學生探究鋼鐵腐蝕的原理本質以及四重表征奠定了基礎。

2.利用數字化手持技術繪制曲線，提升學生分析曲線能力

手持技術設備簡單，具有便捷、實時檢測、準確、直觀顯示、綜合測定等突出的優點。手持技術是數字化實驗實施的有效手段。本節課應用手持技術使得一些原本不顯現的現象更加明顯和可測。本節課利用手持技術分別測定在密閉體系中中性條件和酸性條件下壓強、氧氣含量隨時間的變化曲線（如圖2、3、4、5）。

從圖3可以觀察到中性條件下氧氣含量一直在減小，同時觀察圖2中隨著反應的進行密閉體系中氣壓也是相應減小，說明中性條件下主要為氧氣參與鐵的腐蝕反應。

從圖5可以觀察到酸性條件下氧氣含量一直在減??；同時觀察圖4中隨著反應的進行密閉體系中氣壓是先增大，說明在酸性條件下酸和氧氣均參與鐵的腐蝕；密閉體系中氣壓后減小，說明隨著酸性的減弱鐵的腐蝕以吸氧為主。

利用手持技術繪制氣壓和氧氣含量隨時間變化的曲線，并引導學生理解和分析，得出中性條件和酸性條件下鐵的腐蝕的實質。這樣不僅直觀有效理解鐵的腐蝕的實質，而且可以提升學生分析圖像能力，更為對鐵的腐蝕進行微觀、符號表征打下基礎。

3.基于四重表征模式分析原理，培養學生四重表征的思維

在宏觀現象的基礎上，以實驗曲線為抓手分析相關變量的變化，同時緊密聯系“宏觀-曲線-符號-微觀”的四重表征，再從微觀角度分析其主要粒子變化，最后落實符號信息（見表3）。

4.利用課堂互動反饋系統進行教學效果測查，即時反饋學生思維狀態

課堂互動反饋系統是一種以多媒體、計算機網絡等現代化信息技術為基礎的網絡平臺，在課堂中通過電子載具Pad，全班學生可以記錄、互動、即時反饋信息給老師的一種教學應用系統。本節課利用課堂互動反饋系統，將課堂互動貫穿于整節課中。學生利用Pad對實驗現象、板書和學案進行拍照保存，對上課內容有選擇的進行記錄。當堂進行檢測時，快速得到反饋數據。從反饋數據可知，學生對曲線的分析能力明顯提高，甚至個別題的正確率高達100%。

四、教學反思與建議

1.手持技術實驗教學與四重表征教學模式相結合

相對于傳統實驗注重從對宏觀現象的觀察來分析其實驗原理，手持實驗更注重從實驗曲線的角度去分析反應原理。本節課緊密聯系“宏觀-曲線-微觀-符號”四重表征，通過手持技術實驗形式，探究宏觀現象背后的微觀本質，再從微觀角度分析其主要粒子的實質變化，最后落實符號表述。在課堂教學中創設促進學生“四重表征”轉換的問題情境，引導學生從“四重表征”水平思考問題，尤其是提高學生對曲線圖像的理解能力。

2.課堂互動反饋系統與課堂教學相結合

基于Pad課堂互動反饋系統可以對學生的選擇做出即時統計，并將結果以視覺化圖表等多種形式反饋在Pad上。在實際課堂中，教師可以設計前測，學生通過Pad參與測試，讓教師快速了解全班學生的基本情況。上課時，簡單的習題檢測讓教師隨時掌握學生對所學內容的理解程度的反饋信息，從而及時調整教學方式和進度。課后可以進行習題的發布。課堂互動反饋系統與課堂教學相結合的教學方式，讓學生和教師充分互動，凸顯了教學的有效性，建構了智慧課堂。

從研究結果可以看出，采用手持技術實驗教學與四重表征教學模式相結合的教學模式，并借助課堂互動系統及時反饋教學有效性，對提高學生知識的掌握程度、落實化學學科素養、提升四重表征思維都有很好的效果。