應用傳感器技術開展實驗探究教學的創新研究

張海若 王祖浩 遲少輝 唐增富

摘要： 在傳感器技術支持下，從創設真實化學情境、提煉核心探究問題、運用技術揭示原理、直觀呈現實驗結果、回歸情境解決問題五個方面設計并實施技術支持下問題情境導向的探究教學模式，有利于提高教學效果，促進教學變革與創新。教師團隊結合港珠澳大橋建設和防腐蝕的實際問題情境，開展“鋼鐵的腐蝕與防護”單元教學，引導學生探究鋼鐵電化學腐蝕的影響因素，提高了學生的實驗設計、實踐探究、觀察分析、證據推理等多種能力，增強了學生運用化學知識解決實際問題的能力和用化學服務于社會發展的責任感。

關鍵詞：傳感器技術;實驗探究;情境創設;鋼鐵的腐蝕與防護

對于化學探究實驗，學生在“做中學”特別是在信息技術支持下動手、動腦探究，比傳統教學更有利于發展學生的科學思維能力。如何發揮數字化實驗的直觀觀察現象和定量揭示本質的優勢，用內容線索引領學生探究，并簡化呈現方式，構建教學情境、傳感器技術、實驗探究有效融合的新模式？筆者以化學選擇性必修《化學反應原理》中“鋼鐵的腐蝕與防護”單元的教學設計為例，結合港珠澳大橋建設和防腐蝕的實際問題情境，運用信息技術手段揭示鋼鐵吸氧腐蝕的化學原理，引導學生探究鋼鐵電化學腐蝕的影響因素，為教師開展數字化實驗教學提供理論與實踐參考。

一、技術支持下問題情境導向的探究教學模式

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出：“有條件的地方和學校應逐步引進一些現代化儀器設備，并向學生或學生課外興趣小組開放，在教師或實驗員指導下開展實驗探究活動?！?先進儀器與技術在化學課堂教學中大有用武之地，教師使用先進的數字化手持技術（傳感器等設備）能夠直觀地展現實驗結果，幫助學生理解相關化學現象，有助于學生從觀察實驗現象向基于定量數據揭示實驗本質轉化。教師開展實驗探究教學的目的并不是讓學生機械重復實驗操作，而是激發學生“做中學”，提高其思維能力。

（一）融合應用的原則與模式

教師在學科核心素養導向下開展化學教學，需要做好情境創設工作。情境應當與教學目標高度匹配，與教學主題緊密關聯，適切于學生發展，用于啟發學生、幫助學生理解化學知識。同時，情境應當具有正確的價值導向，有助于培育學生的愛國主義情懷，體現學科育人價值。如何將教學情境、傳感器技術、實驗探究三者有機融入化學教學中？筆者認為，教師應遵循以下兩條原則。

一是用內容線索引領。教師利用單元內容線索可將教學情境、傳感器技術、實驗探究三者有機結合，幫助學生多角度認識主題。

二是簡化呈現方式。在教學設計中，教師必須明晰情境、技術、探究三者在單元教學設計中的地位，以簡明的語言向學生展示核心知識教學的哪一階段需借助何種技術、方法或情境的支持以實現教學目標，以避免學生因不熟悉技術、方法或情境而導致削弱核心知識的落實。

結合上述思考，筆者從創設真實化學情境、提煉核心探究問題、運用技術揭示原理、直觀呈現實驗結果、回歸情境解決問題五個方面提出技術支持下問題情境導向的探究教學模式（如圖1），并以此為指導，有助于改進“鋼鐵的腐蝕與防護”單元的探究實驗教學。

（二）應用傳感器促進實驗教學創新的關鍵

傳感器具有采集大量數據、實時呈現圖像的功能，其應用有效地改變了化學實驗教學現狀，拓寬了實驗活動的視野。實踐證明，傳感器技術助力教學的關鍵在于融合應用。

1.基于傳感器實驗的創新教學設計

手持傳感器技術用于化學教學相關研究眾多，主要是應用傳感器改進實驗、表征實驗數據、開發慕課微課教學案例、評價實驗，出現了一系列的教學設計。針對“鋼鐵的腐蝕與防護”相關內容，孫慧玲等人運用氧氣傳感器對鋼鐵的吸氧腐蝕速率進行探查，指出鋼鐵腐蝕是一個緩慢的氧化過程;袁振東等人利用氧氣傳感器探究中性、弱酸性條件下鋼鐵的吸氧腐蝕，結合“暖寶寶”發熱原理培養學生辯證看待化學反應的意識;鄭華將傳統實驗與現代實驗相結合，運用氧氣傳感器探究鋼鐵吸氧腐蝕的速率。已有的教學案例側重單一描述具體實驗的過程，對傳感器技術在實驗教學中的功能、傳感器實驗與其他教學環節如何有效融合較少闡述。筆者根據“鋼鐵的腐蝕與防護”單元教學目標進行“港珠澳大橋鋼鐵的防腐蝕”教學設計，將創新點放在融合情境創設、傳感器技術和化學實驗探究以提升教學效果上。

2.傳感器技術與情境創設、實驗探究的融合

創設情境、運用傳感器技術和探究實驗的最終目的都是解決化學教學中的實際問題，但三者之間并非相互獨立，而是相輔相成的?！颁撹F的腐蝕與防護”單元教學過程包含“一個情境、兩個探究實驗、兩處傳感器技術運用”，教師將三者融合最終解決鋼鐵腐蝕及防腐蝕問題。

筆者以港珠澳大橋的建設作為首尾遙相呼應的情境，開頭引出大橋如何防腐蝕的探究問題;中間設置探究鋼鐵吸氧腐蝕的原理、鋼鐵腐蝕的影響因素兩處實驗;在情境和實驗探究中均應用傳感器技術，在教學過程中將三者融為一體。具體而言，筆者借鑒模型研究的思路，將復雜的鋼鐵腐蝕過程通過簡單的鐵-碳原電池模型進行實驗探究，提出假設并設置兩個實驗觀察現象。但宏觀現象難以揭示鋼鐵腐蝕的原理，于是筆者引導學生用溫度、壓強傳感器精確測量，獲得吸氧腐蝕更為清晰、準確的結論。為進一步探索鋼鐵腐蝕的影響因素，筆者又設置學生實驗讓他們分組探究。上述設計中教學情境、傳感器應用和實驗探究環環相扣，有機融合，有利于學生圓滿完成預設的探究任務。

二、技術支持下問題情境導向探究教學的創新設計

鋼鐵腐蝕現象在生活中十分常見，其原理涉及電化學知識，“鋼鐵的腐蝕與防護”知識在高中化學中占有重要的地位，在必修課程教學基礎上，選擇性必修課程《化學反應原理》對相關內容又有拓展。下面以“鋼鐵的腐蝕與防護”為例，闡述技術支持下問題情境導向探究教學的設計方案和思路分析。

（一）教學目標和教學思路

基于多方面的考察和考慮，筆者將該單元課例的教學目標設計如下。其一，讓學生知道常見的金屬腐蝕現象及其危害，能從電化學角度認識金屬腐蝕原理。?其二，設計數字化實驗和常規實驗探究鋼鐵吸氧腐蝕原理及其影響因素，發展學生實驗設計、變量控制和證據推理的能力。其三，利用吸氧腐蝕原理設計港珠澳大橋的鋼鐵防腐方案，結合實際問題討論方案的合理性，感受化學在解決工程技術問題和可持續發展中的重要作用。

根據上述目標，依據技術支持下問題情境導向的探究教學模式，結合具體的化學知識內容，筆者將單元內容進行整合，轉化為“港珠澳大橋鋼鐵的防腐蝕”課題并建構了具體的教學思路（如圖2）。

此單元教學思路是：教師從創設港珠澳大橋如何防腐的真實問題情境出發，驅動探究實驗;指導學生深入探究電化學腐蝕的原理，圍繞問題對防腐提出設想，設計驗證方案;充分運用傳感器技術引導學生觀察和討論，揭示吸氧腐蝕的化學原理;利用實驗探究和控制變量方法，組織學生進一步探究反應物配比、電解質溶液濃度與pH對鋼鐵腐蝕的影響;依據實驗結果，討論不同條件下鋼鐵的腐蝕類型，培養學生的辯證思維能力;最后讓學生學以致用，解決問題，即從吸氧腐蝕原理出發，綜合考慮多方面因素，提出具體防腐方案，體現化學學科的價值。

（二）教學的關鍵環節分析

以下，對課題教學設計和教學過程中的關鍵環節進行深入分析。

1.結合真實情境引出探究問題

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出，創設真實情境、結合學科知識、解決實際問題是培育學生核心素養不可或缺的組成部分。筆者以“新世界七大奇跡”之一的港珠澳大橋建設為情境引入課題，具有一定的新穎性、時代性。而大橋鋼鐵腐蝕防護是一項復雜的、綜合性的工程，探究其中奧秘能激發學生學習化學、了解高超橋梁建造技術的興趣。

【創設情境】港珠澳大橋于2018年10月24日開通運營，大橋連接了香港、珠海、澳門三地人民的幸福生活。作為中國橋梁史上里程最長、投資最多的大橋，港珠澳大橋因超大的設計規模、超高的施工難度、超長的使用壽命聞名世界，成為中國制造、中國創新的又一張名片。

在港珠澳大橋建設中，設計鋼鐵防腐方案是一項富有挑戰性的工作。根據生活經驗和化學知識，設想如何保護大橋鋼鐵免遭腐蝕（見表1）。

上述預測是否合理？教師將引導學生結合原電池反應、氧化還原反應等知識，在實驗中探尋鋼鐵腐蝕的化學原理及其影響因素，為港珠澳大橋的鋼鐵防腐蝕設計合理的方案。

2.預測腐蝕原理設計驗證方案

學生在必修學習期間已學銅-鋅原電池、鉛蓄電池等類型的原電池反應，初步掌握原電池結構及反應式書寫規律，但對鐵-碳原電池模型，特別是電解質氯化鈉溶液的作用較為陌生。這些是討論跨海大橋防腐蝕時必須涉及的外部環境，也是教師設計探究實驗的必須考慮的因素。

教師采用飽和氯化鈉溶液模擬海水，以鐵粉、碳粉混合物模擬鋼鐵，讓學生預測鐵-碳合金在氯化鈉溶液中可能發生的電化學反應，并提出可能的驗證方案（見表2）。針對鋼鐵腐蝕的實驗，教師引導學生從反應物、生成物角度對原電池的電極反應進行預測，學生能提出與鋼鐵接觸的氧氣、水也參與原電池反應，這是一個重要的突破口。根據已有知識，學生運用離子檢驗等知識提出了電極反應產物檢驗定性方案。教師在肯定學生設計的檢驗方案基礎上，提出了從壓強變化進行定量分析的方法，引入了傳感器用以收集實驗數據，拓寬學生實驗研究的視野。

3.應用傳感器技術揭示反應本質

傳感器使用便捷，教師用其能將物理、化學參數轉化為對應電信號并實現數據輸出，在計算機的配合下進行數據采集與分析，以圖表形式呈現實驗現象或數據，引導學生從定量角度研究化學反應。教師在教學中，使用傳感器技術有利于開展實驗探究活動。傳感器實驗耗時較短，能較為精準地測量，幫助學生快速認識物理化學性質。傳感器能夠探測到傳統實驗儀器難以觀察到的化學事實，并以圖表呈現。傳感器實驗能夠發展學生結合圖文分析實驗數據的能力。在筆者設計的“鋼鐵電化學腐蝕原理”的實驗探究中，傳感器發揮了重要的作用（見實驗1）。

【實驗1】應用傳感器探究鋼鐵電化學腐蝕的原理。

實驗藥品：鐵粉、碳粉、飽和食鹽水、紅墨水。

實驗儀器：鐵架臺（帶鐵夾）、三頸燒瓶、U形管、導管、溫度傳感器、壓強傳感器。

實驗用品：膠塞、膠頭滴管、濾紙條。

實驗步驟：首先，搭建實驗裝置，將三頸燒瓶固定在鐵架臺上，并將干燥的濾紙條、鐵粉與碳粉加入燒瓶中。然后，將裝有紅墨水的U形管與燒瓶相連，分別將溫度傳感器、壓強傳感器與電腦連接，打開軟件記錄數據。最后，用膠頭滴管向三頸燒瓶內滴加飽和食鹽水，用橡膠塞迅速密封燒瓶，觀察實驗現象。

學生觀察實驗現象：U形管內紅墨水向左移動，說明瓶內壓強減小。學生讀取數據：在0～200 s內，三頸燒瓶內溫度從30.8 ℃升高到32.0 ℃，壓強從99.4 kPa降低到98.8 kPa。

學生結合實驗現象和數據的變化曲線進行討論，很快得出有關結論：反應過程中有熱量放出，并且瓶內壓強下降，說明有氣體被消耗了，證實發生了之前預測的正極反應②。教師則在學生討論基礎上進行總結：在中性或很弱的酸性條件下，當鋼鐵表面的氯化鈉溶液中溶有氧氣時，鋼鐵電化學腐蝕發生了化學反應。方程式如下：

負極：Fe-2e^-=Fe²⁺

正極：O₂+2H₂O+4e^-=4Oh^-

總反應：2Fe+O₂+2H₂O=2Fe（OH）₂

生成的氫氧化亞鐵不穩定，容易被氧氣氧化為紅褐色的氫氧化鐵，因反應中氧氣有所消耗，故該反應被稱為鋼鐵的吸氧腐蝕。

在上述過程中，教師將原理探究實驗與傳感器技術相結合，借助數字化傳感器設備，從實驗現象宏觀表征、實驗數據曲線變化的解讀、吸氧腐蝕微觀實質的討論和電化學方程式書寫多個方面，對鋼鐵吸氧腐蝕的本質進行闡釋。宏觀表征和圖像解讀給予學生直觀、感性認識。學生通過紅墨水的移動、傳感器圖像數據變化，將不易觀察到的實驗現象轉化為可量化的數據，可以更好地理解金屬腐蝕的化學原理。鋼鐵吸氧腐蝕的微觀實質是原電池反應，教師借助傳感器實驗證實氧氣消耗，引導學生從反應物及其常見化合價推斷可能發生的化學反應，并以書寫化學方程式完成符號表達。可見，應用傳感器能幫助學生多角度認識化學現象背后的規律。

4.探究鋼鐵腐蝕可能的影響因素

上述實驗中，師生利用傳感器技術對鋼鐵腐蝕中溫度與氣壓變化進行監測，直觀地觀察了鋼鐵吸氧腐蝕的現象。教師進一步提出問題：在大橋建設中，哪些因素可能影響鋼鐵的腐蝕速率，請以鐵-碳原電池為例，用氯化鈉溶液模擬海水，探究影響鋼鐵腐蝕速率的因素。教師對學生提出的三種情況進行總結（見表3）。

根據以上討論，教師將學生分成三個小組，分別設計實驗方案，并完成實驗：①探究反應物鐵碳比對鋼鐵的腐蝕速率的影響;②探究氯化鈉溶液濃度對鋼鐵腐蝕速率的影響;③探究電解質溶液pH對鋼鐵腐蝕速率的影響（見實驗2）。

【實驗2】實驗探究：鋼鐵腐蝕的影響因素。

實驗藥品：鐵粉、碳粉、紅墨水、飽和食鹽水、0.1 mol/L氯化鈉溶液、1 mol/L 氯化鈉溶液、0.1 mol/L鹽酸溶液、0.1 mol/L氫氧化鈉溶液、pH為3的醋酸溶液。

實驗儀器：鐵架臺（帶鐵夾）、三頸燒瓶、濾紙、U形管。

實驗用品：膠塞、膠頭滴管、濾紙條。

實驗步驟：將三頸燒瓶固定，加入一定比例的鐵粉、碳粉，并連接裝有紅墨水的U形管;用膠頭滴管滴加少量電解質溶液，迅速以膠塞密封三頸燒瓶;觀察實驗現象（紅墨水向左移動說明有氣體被吸收，向右移動則說明放出氣體）。

三個小組通過控制有關變量，分別形成各自的實驗探究方案（見表4、表5、表6）。

在化學教學中，教師通過實驗探究活動，引導學生認識到變量控制是一種重要的思想方法，對復雜問題進行分解、提出假設、合理驗證，獲得一系列探究結論。實驗完成后，各組分別匯報了探究結果（見表7）。

對上述實驗結果進行提煉后，教師進一步引導學生討論不同pH下鋼鐵的腐蝕類型是否一致。學生通過分析和比較，對鋼鐵腐蝕有了更為全面的認識：化學腐蝕、析氫腐蝕、吸氧腐蝕都存在且互為競爭反應，隨著電解質溶液酸堿性的不同，呈現此消彼長的趨勢。當鐵粉與鹽酸直接接觸時，發生化學腐蝕;當鋼鐵表面形成酸性較強的水膜時，通常發生析氫腐蝕，同時可能伴有吸氧腐蝕;而鋼鐵表面水膜酸性較弱或呈中性時，腐蝕類型以吸氧腐蝕為主。以全面、辯證的視角觀察并分析金屬的電化學腐蝕現象，有助于學生認識化學反應的本質。

5.服務國家建設，凸顯化學學科價值

筆者在“鋼鐵的腐蝕與防護”單元教學中以港珠澳大橋建設為情境，在實驗探究鋼鐵腐蝕原理及影響因素的基礎上，引導學生將探究結果和相關知識回歸于解決鋼鐵防腐的實際問題上，提出鋼鐵防腐措施，并加以總結和概括（見表8）。

在港珠澳大橋建設中，我國科技工作者利用鋁合金材料重量輕、電容量大、工作電流穩定、電流效率高、壽命長及造價便宜等特點，大膽創新，研制出?Al-Zn-In-Mg-Ti高效鋁合金犧牲陽極材料對大橋進行保護^[1]。不僅如此，大橋的主體混凝土結構安裝了ECI-2耐久性監測傳感器，可實時、定量地監測混凝土結構中氯離子濃度、混凝土的電阻率和鋼筋的腐蝕速率^[2]。

三、創新數字化實驗教學，體現化學學科育人價值

在“港珠澳大橋鋼鐵的防腐蝕”教學中，教師結合真實情境引出探究問題，引導學生用手持傳感器技術對金屬腐蝕原理進行探究，充分發揮了化學實驗探究的教學功能，將“教學情境—傳感器技術—實驗探究”融為一體，揭示了鋼鐵腐蝕現象背后的化學本質，培養了學生設計實驗、基于實驗結果進行證據推理和辯證思維的能力。

該課例，教師從五個方面對教學過程進行了創新設計，充分體現了化學學科的育人價值。一是選擇了反映我國重大科技成就、體現時代性與先進性的港珠澳大橋建設項目為情境，涉及的鋼鐵防腐蝕問題與本單元的核心知識緊密關聯，又是學生生活中熟悉的現象。教師通過情境激發學生的學習興趣，引出單元探究的核心問題。二是合理應用數字化傳感器技術對金屬腐蝕原理進行探究，充分發揮其相對傳統實驗儀器的優勢，實現精準測量并以曲線方式清晰呈現實驗數據的變化，彌補了傳統實驗在觀察現象上的不足。三是根據變量控制的研究思路，引導學生提出鋼鐵腐蝕影響因素的多種假設，并設計分組探究實驗，鼓勵學生多角度揭示鋼鐵腐蝕現象背后的化學本質，很好發揮了實驗探究的教學功能，培養了學生設計實驗、動手操作、觀察分析和證據推理的能力。四是引導學生對“異常”實驗現象進行分析和討論，使他們深刻認識到鐵-碳原電池上發生的兩類腐蝕反應同時存在，互為競爭關系，不僅使學生對金屬腐蝕概念的理解更為完整，同時發展了學生的辯證思維能力。五是圍繞如何解決港珠澳大橋鋼鐵的防腐蝕問題，引導學生多角度思考，從化學原理、工程技術、施工成本等方面綜合運用知識進行設計，選出恰當的防腐蝕方案，使學生進一步體會到化學知識對我國工程建設和科技創新的重要性，弘揚了大橋建設者堅持不懈、創新研發抗腐蝕材料的精神，培養學生的創新意識和愛國主義情懷，增強學生為建設祖國努力學好化學的信心。

參考文獻

[1]劉俊利，徐振山.港珠澳大橋鋼管復合樁犧牲陽極保護施工技術[J].價值工程，2019（9）：96-98.

[2]湯雁冰，熊建波，方翔，等.港珠澳大橋主體混凝土結構耐久性實時監測設計[J].中國港灣建設，2014（2）：29-32.

（作者張海若系華東師范大學教師教育學院研究生;王祖浩系華東師范大學教師教育學院教授、博士生導師，教育部化學課程標準研制組組長;遲少輝系華東師范大學教師教育學院副教授、碩士生導師;唐增富系華東師范大學附屬東昌中學化學特級教師）

責任編輯：祝元志