基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的“弱酸條件下，鐵的電化學(xué)腐蝕研究”教學(xué)設(shè)計(jì)

劉瑤瑤

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)《高考實(shí)驗(yàn)試題再思考》的設(shè)計(jì)背景：

該項(xiàng)目成立的背景在于筆者對(duì)課標(biāo)、高考趨勢(shì)的分析。課標(biāo)要求學(xué)習(xí)者通過(guò)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，應(yīng)具備正確的價(jià)值觀念、擁有多元化發(fā)展要求的必備品格和學(xué)科關(guān)鍵能力。在項(xiàng)目學(xué)習(xí)《高考實(shí)驗(yàn)試題再思考》開展過(guò)程中會(huì)接觸不同類別的化學(xué)知識(shí)、處理各種異常現(xiàn)象、利用多種數(shù)據(jù)對(duì)比等科學(xué)研究方法。所以，可以說(shuō)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。另外，高考考查趨勢(shì)越來(lái)越多地體現(xiàn)對(duì)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查：（1）更加關(guān)注化學(xué)科技前沿，選取更多的真實(shí)素材。在真實(shí)情境下，真實(shí)實(shí)踐，解決真實(shí)的問(wèn)題，更能充分體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的育人價(jià)值;（2）更加重視學(xué)科方法素養(yǎng)，強(qiáng)化高階思維培養(yǎng)。利用陌生素材，在陌生情境中，解決陌生問(wèn)題的同時(shí)考查學(xué)生關(guān)鍵能力;（3）更注重教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)，聚焦其真實(shí)性與問(wèn)題化，倡導(dǎo)做真實(shí)驗(yàn)、看真現(xiàn)象、進(jìn)行真探究。基于以上我設(shè)計(jì)了項(xiàng)目學(xué)習(xí)《高考實(shí)驗(yàn)試題再思考》以及本節(jié)課，對(duì)高考試題中實(shí)驗(yàn)“現(xiàn)象”提出質(zhì)疑，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證質(zhì)疑，研究弱酸性條件的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象背后的原理，并再此過(guò)程中培養(yǎng)高階思維，提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

學(xué)習(xí)目標(biāo)：

在學(xué)生心中埋下一顆質(zhì)疑的種子，因?yàn)橘|(zhì)疑是獨(dú)立思考和創(chuàng)新的前提，學(xué)生通過(guò)質(zhì)疑高考試題，發(fā)現(xiàn)具備研究?jī)r(jià)值的問(wèn)題，開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)和研究，逐漸形成并學(xué)會(huì)運(yùn)用化學(xué)科學(xué)思維解決問(wèn)題，提升“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”素養(yǎng)，并在此過(guò)程中有所創(chuàng)新。

學(xué)情分析：項(xiàng)目開展對(duì)象——高三學(xué)生

1.高三學(xué)生有較全面的化學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，但實(shí)驗(yàn)探究能力、數(shù)據(jù)分析、曲線分析能力欠缺，科學(xué)思維構(gòu)建不全面，學(xué)科核心素養(yǎng)有待進(jìn)一步提高;走出課堂，真正實(shí)踐的機(jī)會(huì)較少。

2.高三學(xué)生面臨高考沖刺，沒(méi)有過(guò)多的時(shí)間可以親身實(shí)踐解決問(wèn)題，對(duì)高考實(shí)驗(yàn)試題的思考，既可以培養(yǎng)學(xué)生從文字、試題中學(xué)會(huì)歸納、對(duì)比等學(xué)科思想，也可進(jìn)一步提升其實(shí)驗(yàn)操作能力和完善的科學(xué)思維。

3.依據(jù)教材中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖1，學(xué)生的已有認(rèn)知是弱酸性條件下，吸氧腐蝕，壓強(qiáng)應(yīng)該減小;這種認(rèn)知和2014年安徽高考試題的現(xiàn)象產(chǎn)生沖突，學(xué)生認(rèn)為教材中提到的弱酸性條件下應(yīng)該發(fā)生吸氧腐蝕，壓強(qiáng)不可能升高。所以，學(xué)生會(huì)認(rèn)為高考試題中現(xiàn)象（如圖2）可能不準(zhǔn)確，產(chǎn)生質(zhì)疑。

教學(xué)重點(diǎn)：因?yàn)槭腔陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)，本課的研究問(wèn)題是環(huán)環(huán)相扣，密不可分，每一環(huán)節(jié)，每一個(gè)方向的研究過(guò)程和使用的方法，都是解決問(wèn)題的重點(diǎn)。

教學(xué)難點(diǎn)：本課的難點(diǎn)問(wèn)題是研究方向3的研究?jī)?nèi)容：利用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出的壓強(qiáng)曲線的數(shù)據(jù)對(duì)比論證該過(guò)程中電化學(xué)腐蝕類型的影響因素。

教學(xué)策略：課前三個(gè)研究方向做出初步研究和探討，課上利用平板分組投屏實(shí)現(xiàn)方案的借鑒與交流，借助課前方向1的實(shí)驗(yàn)方法，重新研討設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并做出多組實(shí)驗(yàn)中溫度和壓強(qiáng)的對(duì)比實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)的突破。

教學(xué)過(guò)程：

一、信息技術(shù)整合設(shè)計(jì)意圖

整合點(diǎn)1：利用QQ建立項(xiàng)目討論群，借助“美師優(yōu)課”平臺(tái)定期發(fā)布高考試題：當(dāng)學(xué)生對(duì)高考實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生質(zhì)疑時(shí)，隨時(shí)提問(wèn)和討論，課代表定期對(duì)問(wèn)題進(jìn)行篩選，確定精華問(wèn)題，發(fā)起項(xiàng)目學(xué)習(xí)，教師會(huì)在群公告展示精華問(wèn)題，予以肯定，并通過(guò)平臺(tái)發(fā)布學(xué)習(xí)資源予以輔助。

整合設(shè)計(jì)意圖：實(shí)現(xiàn)了問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)與初探。

（1）通過(guò)QQ項(xiàng)目群，提高了學(xué)生間非面對(duì)面的交流的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)不只局限在一節(jié)課，讓課堂得以無(wú)限的延伸，讓學(xué)生從高考實(shí)驗(yàn)質(zhì)疑中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，研討，確立學(xué)習(xí)項(xiàng)目，走出了課堂，走進(jìn)了真實(shí)情境，實(shí)現(xiàn)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)。

（2）“美師優(yōu)課”平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)試題和資源的發(fā)布，協(xié)助學(xué)生完成問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)與初探。

整合點(diǎn)2：借助傳感器技術(shù)測(cè)定弱酸性條件下，鐵的電化學(xué)腐蝕過(guò)程中的溫度、壓強(qiáng)、氧氣百分含量等物理量，并繪制成曲線，對(duì)曲線進(jìn)行分析，對(duì)多組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比論證。

整合設(shè)計(jì)意圖：為問(wèn)題的研究與解決提供數(shù)據(jù)支撐。

實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從以往依據(jù)表觀現(xiàn)象做出判斷轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚€數(shù)據(jù)準(zhǔn)確論證猜想、解釋原理，拓展了對(duì)腐蝕原理的認(rèn)知水平，延伸了學(xué)生思維的深度。實(shí)現(xiàn)了問(wèn)題的研究與解決。可以使得學(xué)生對(duì)該過(guò)程中抽象的腐蝕原理認(rèn)識(shí)更深入。

整合點(diǎn)3：借助平板實(shí)現(xiàn)課上環(huán)節(jié)的研究方案交互和研討。

整合設(shè)計(jì)意圖：為問(wèn)題的研究與解決提供交互保障。實(shí)現(xiàn)了學(xué)生間方案的交流與研討和思維的交互。

整合點(diǎn)4：借助微信公眾號(hào)將研究問(wèn)題成果化，形成論文予以推廣。

整合設(shè)計(jì)意圖：為問(wèn)題的延伸與拓展提供推廣平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了學(xué)生研究成果的總結(jié)、反思和推廣。

二、教學(xué)環(huán)節(jié)

（一）課前：?jiǎn)栴}的發(fā)現(xiàn)與初探

1.教師利用“美師優(yōu)課”發(fā)布2014年高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究題：

試題：某研究小組為探究弱酸性條件下鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕類型的影響因素，將混合均勻的新制鐵粉和碳粉置于錐形瓶底部，塞上瓶塞（如圖1）。從膠頭滴管中滴入幾滴醋酸溶液，同時(shí)測(cè)量容器中壓強(qiáng)變化。

2.學(xué)生質(zhì)疑現(xiàn)象是否屬實(shí)。

3.學(xué)生和教師錄制實(shí)驗(yàn)視頻和曲線變化，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)。（為了現(xiàn)象更為明顯，鐵粉用量稍作更改，后續(xù)討論是否對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。）

試劑用量：5g鐵粉、0.5g碳粉、90%的醋酸，反應(yīng)裝置如裝置1，滴入醋酸同時(shí)清零壓強(qiáng)，利用相對(duì)壓強(qiáng)傳感器記錄壓強(qiáng)相對(duì)變化，繪制曲線。

4.繼續(xù)研究和討論，學(xué)生分為三個(gè)研究方向做出初步的探討和研究：

* 1.若現(xiàn)象屬實(shí)，引起該過(guò)程中壓強(qiáng)變化的原因是什么？

* 2.若現(xiàn)象屬實(shí)，該過(guò)程中發(fā)生的電化學(xué)腐蝕類型是什么？

* 3.若現(xiàn)象屬實(shí)，哪些因素會(huì)影響了該過(guò)程中發(fā)生的電化學(xué)腐蝕類型？

（設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生經(jīng)歷對(duì)試題實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出質(zhì)疑，經(jīng)過(guò)探討發(fā)現(xiàn)研究問(wèn)題，課前做出初步的猜想，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，體會(huì)如何對(duì)實(shí)驗(yàn)“異常”現(xiàn)象提出質(zhì)疑和假設(shè)，并提出自己的猜想，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想的科學(xué)研究過(guò)程。）

（二）課上：?jiǎn)栴}的研究與解決。

課上研究成果匯報(bào)。

1.研究方向1：引起弱酸性條件下，鐵的電化學(xué)腐蝕過(guò)程中壓強(qiáng)先升高后下降的原因。

學(xué)生猜想及對(duì)應(yīng)猜想驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)方案如下：

（1）學(xué)生猜想1：壓強(qiáng)變化與溫度的升高和降低有關(guān)

【方案】同時(shí)測(cè)定溫度，觀察壓強(qiáng)隨溫度的變化。

【實(shí)驗(yàn)以及結(jié)論】溫度、壓強(qiáng)傳感器同時(shí)測(cè)定錐形瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)變化和溫度變化，裝置如圖3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示隨著壓強(qiáng)的增大溫度開始時(shí)持續(xù)上升，后階段隨壓強(qiáng)的降低溫度也在持續(xù)下降，表明壓強(qiáng)增大與溫度升高有關(guān)。

學(xué)生定量測(cè)定該過(guò)程中溫度和壓強(qiáng)變化，為后面的空白實(shí)驗(yàn)對(duì)照法確定析氫腐蝕存在奠定了重要基礎(chǔ)。

（2）學(xué)生猜想2：與發(fā)生的腐蝕類型有關(guān)。

①前一階段析氫腐蝕：

【方案】

方案1：按照右圖裝置，取等量的鐵粉和碳粉充分混合，吸取醋酸，收集并檢驗(yàn)氫氣。

實(shí)驗(yàn)：收集并檢驗(yàn)氫氣。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：該過(guò)程發(fā)生了析氫腐蝕，壓強(qiáng)增大與之相關(guān)。

方案2：只升高溫度，測(cè)定壓強(qiáng)變化，設(shè)置空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，當(dāng)溫度升高值5.0℃時(shí)，對(duì)比壓強(qiáng)變化與曲線2中壓強(qiáng)變化的大小，確定是否發(fā)生析氫腐蝕。

【實(shí)驗(yàn)】

方案2：裝置2中不加任何實(shí)際，水浴加熱升溫，記錄壓強(qiáng)變化，與曲線2中溫度升至最高使壓強(qiáng)變化進(jìn)行對(duì)照，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5：

實(shí)驗(yàn)：

數(shù)據(jù)：升高5.0℃，壓強(qiáng)增大4.70kPa

方案2結(jié)論：

只升溫壓強(qiáng)變化小于原實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)變化，說(shuō)明該過(guò)程發(fā)生了析氫腐蝕，壓強(qiáng)增大與之相關(guān)。

（方案1的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程，學(xué)生設(shè)計(jì)空白對(duì)照實(shí)驗(yàn)，利用壓強(qiáng)差的對(duì)比，直觀的感知析氫腐蝕的發(fā)生）

教師點(diǎn)評(píng)：方案1也可以進(jìn)一步改進(jìn)，創(chuàng)造出新的驗(yàn)證方法。

學(xué)生研討：方案1可在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行排空氣，若發(fā)現(xiàn)注射器內(nèi)溫度升高了，也可證明發(fā)生了析氫腐蝕，因?yàn)闆](méi)有氧氣不會(huì)發(fā)生吸氧腐蝕。

②后一段吸氧腐蝕：

學(xué)生通過(guò)從曲線中最后的壓強(qiáng)低于起始?jí)簭?qiáng)，確定了吸氧腐蝕的發(fā)生。

2.研究方向2：探討該過(guò)程中發(fā)生電化學(xué)腐蝕類型。

（1）學(xué)生猜想：析氫腐蝕和吸氧腐蝕共存，只不過(guò)前一階段以析氫腐蝕為主，后一階段以吸氧腐蝕為主。

（2）證明方法：本想利用氧氣傳感器測(cè)定前階段的氧氣濃度是否下降，但受到實(shí)驗(yàn)條件的影響，未能實(shí)現(xiàn)。

利用文獻(xiàn)研究解決問(wèn)題，證明結(jié)論。溫度、析氫腐蝕和吸氧腐蝕的共同競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果，

（學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)，搜集、整理、甄別文獻(xiàn)，加以論證，證實(shí)了兩種腐蝕共存。體會(huì)了文獻(xiàn)研究在科研中的重要性。）

3.研究方向3：該過(guò)程中影響電化學(xué)腐蝕類型的因素是什么？

（1）學(xué)生猜想：影響因素，鐵粉、碳粉的量和氫離子濃度，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明鐵粉和碳粉的量是否影響電化學(xué)腐蝕類型。

試劑和藥品：鐵粉、碳粉、90%的醋酸。

學(xué)生方案：利用控制變量法只改變一個(gè)影響因素分別實(shí)驗(yàn)（除氫離子外）。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及現(xiàn)象，但對(duì)得到的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)不知如何運(yùn)用。

教師利用平板交換實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生研討、交流和借鑒。找到了利用空白對(duì)照的方式進(jìn)行空白對(duì)照的對(duì)比，驗(yàn)證了猜想。

【1】實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)原實(shí)驗(yàn)對(duì)照

結(jié)論：前一階段，實(shí)驗(yàn)1與原實(shí)驗(yàn)一致，鐵粉不影響電化學(xué)腐蝕類型。

【2】實(shí)驗(yàn)2與原實(shí)驗(yàn)對(duì)照

結(jié)論：前一階段，實(shí)驗(yàn)2與原實(shí)驗(yàn)碳粉量不影響電化學(xué)腐蝕類型，所以開始實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)是鐵粉量的改變不影響兩個(gè)階段的腐蝕類型。

學(xué)生分析所有影響電化學(xué)腐蝕類型的影響因素，利用控制變量法設(shè)計(jì)多組、不同實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，將學(xué)生間的不同方案進(jìn)行討論、交流和借鑒。借助傳感器繪制壓強(qiáng)曲線，學(xué)生從以往依據(jù)表觀現(xiàn)象做出判斷轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚€數(shù)據(jù)準(zhǔn)確論證猜想、解釋原理，拓展了對(duì)腐蝕原理的認(rèn)知水平，延伸了學(xué)生思維的深度。

編輯/魏繼軍