培養“模型認知”核心素養的教學設計與實踐

2022-05-07 19:30:02諸佳丹朱康

化學教學 2022年4期

諸佳丹朱康

摘要： “金屬腐蝕”是原電池原理的實際應用部分。以該主題為背景，以環環相扣的問題情境為認知腳手架，建立金屬腐蝕與原電池模型之間的關聯，學習從模型的兩個維度（裝置和原理）分析問題。旨在培養學生應用模型解決復雜真實問題的能力，提升“模型認知”的化學學科核心素養。

關鍵詞：金屬腐蝕; 原電池; 模型認知; 教學設計

文章編號： 10056629（2022）04006106

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題背景

“金屬腐蝕”這一主題是高中電化學知識體系的重要組成部分，與日常生活和社會發展緊密相連，是原電池知識的實際應用部分。

常見的教學思路是以實驗活動提供事實支持，從宏觀現象、微觀認識與符號表達幾方面分析金屬的兩種電化學腐蝕過程及原因[1]。目前開展的實驗活動中，逐漸從傳統定性實驗裝置轉變為應用數字化傳感器研究金屬腐蝕過程，如繪制壓強曲線[2]技術的創新有助于學生更真實、更微觀地認識反應過程。但是，這些教學過程缺乏學生自主地從真實問題情境關聯原電池的過程。有研究表明，金屬的電化學腐蝕問題與原電池不能準確建立關聯是學生的思維障礙點，原因在于學生對原電池模型的理解過于死板，不能從實際環境中抽離原電池模型以形成有序、系統的分析思路[3]。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（簡稱“新課標”）提出了“模型認知”核心素養，具體要求如下：知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律[4]。新課標強調建立模型，學會從研究對象中提取本質、關鍵的元素，并能關聯實際問題，應用模型解釋現象、解決問題。

金屬的電化學腐蝕問題是一個蘊含原電池原理的非常實際且比較復雜的問題，也是一個很好的情境素材。教學中可充分利用這一內容，建立電化學過程的系統分析思路，應用模型解決實際問題，深化學生對電化學本質的認識，落實“模型認知”的核心素養。

2 教學思路

金屬腐蝕的現象十分廣泛且真實可見，但學生對如何解釋這些現象存在一定的障礙。解釋金屬的電化學腐蝕現象時，一方面需要識別其中存在的電化學行為，另一方面需抽象出原電池模型，用模型尋找、比對、分析、解釋現象。

基于上述分析，設計如下教學思維路徑（見圖1）。從問題情境導入，通過提示與原電池相關的特征現象，引導學生識別電化學行為并關聯原電池知識。然后從裝置維度與原理維度建構原電池模型，形成有效的分析思路與方法以闡述與解釋問題。最后，將建構的模型遷移應用到新的問題情境，達成知識的鞏固與內化。

2.1 創新的原電池模型建構

張麗華等對“原電池”教學演進進行研究，發現其核心內容相對穩定，主要以“Zn|稀H2SO4|Cu”為基本認識模型，通過改變電極材料、溶液以及線路是否閉合來探究原電池的構成條件，最終得出4個構成條件：（1）活潑性不同的2個電極;（2）電解質溶液;（3）閉合電路;（4）自發進行的氧化還原反應[5]。但是上述條件容易讓學生產生迷思概念，如學生認為2個電極必須不同，并且易混淆電極材料和電極反應物。此外，強調自發的氧化還原反應會導致學生在原電池原理分析時形成從總反應出發分析電極反應的固化思維，這不利于分析一些總反應復雜的原電池問題。

新課標優化了電化學分析模型，強調電極反應、電極材料、離子導體、電子導體是電化學體系的基本要素[6]。其中電極材料、離子導體和電子導體是原電池的裝置要素，電極反應是原電池的化學原理。

基于上述分析，構建原電池模型（見圖2），意在幫助學生形成原電池的認識角度和分析思路。在教學中，基于問題情境，引導學生先確立原電池的裝置，尋找到相應的電極材料、電子導體與離子導體。然后根據實驗現象或是已有經驗判斷各電極的反應物與生成物，繼而寫出電極反應。最終確認整個電池的總反應。這里涵蓋裝置和原理兩個維度的內容，這兩個維度并不割裂。通過提取裝置要素，學生可以避免被問題情境中的無關信息干擾，進而更容易分析反應原理。在原理分析的過程中，有助于確認裝置中的正極與負極材料判斷是否正確。

從單一原型中形成的認識往往是刻板的、固化的，學生容易產生錯誤認識。科學的認識需要利用多個原電池原型，在教學過程中需要更換電極、電解質，變通連接方式，提供符合科學發展的實際場景[7]。

2.2 基于原電池模型的問題情境設計

根據奧蘇貝爾的認知同化理論，學習一個新知識需要適當的先行組織者尋找新舊知識的聯系，產生新概念的增長點[8]。在教學中要利用學生原有的知識創設情境，促發學生主動學習。

圖3展示了整個教學過程中的問題情境設計，主要分為三個教學階段。在學習鋼鐵腐蝕之前，學生已有的知識儲備是Zn|稀H2SO4|Cu原電池。因而，在階段一，選擇與該原電池相關情境“在純鋅與稀硫酸的反應中，滴入幾滴硫酸銅溶液”，提問“現象差異”，引導學生依據原電池的特性（形成原電池可以加快化學反應），將問題與原電池建立關聯。然后利用“實驗室制取氫氣，往往使用粗鋅”這一更貼合實際的情境進行遷移應用，激發學生的思維活動。

階段二和階段三的問題情境緊緊圍繞鋼鐵的腐蝕進行設計。階段二重點學習析氫腐蝕，對比階段一，問題情境設計主要改變了電極材料，學生很容易分析出其中蘊含的原電池模型，使析氫腐蝕的學習水到渠成。階段三重點學習吸氧腐蝕。前兩個階段主要圍繞“電極材料”設計問題，階段三則以“離子導體”為變量設問，對比海邊和內陸的鋼鐵腐蝕問題，以此為載體學習吸氧腐蝕。從其他變量設問可防止學生對原電池模型的理解過于死板。最后結合“食品脫氧劑”鞏固吸氧腐蝕原理。

三個階段的問題情境有聯系、有區別、有梯度。為降低學生的認知負荷，采用純金屬與合金放入離子導體

中的反應現象差異作為問題情境，在對比中激活學生的原電池知識。在逐個遞進環節中，學生原先難以從真實情境還原出電化學模型的學習障礙便可得到解決。

3 教學過程

教學中不斷從問題情境入手，與原電池模型關聯，回歸模型分析問題，最后完成遷移應用、解決實際問題，多個循環層層遞進。

3.1 階段一：以Zn|稀H2SO4|Cu為電池原型建立分析思路

[問題情境]在純鋅與稀硫酸的反應中，滴入幾滴硫酸銅溶液，氫氣的生成速率會有何變化，請解釋原因。

[學生1]氫氣的生成速率減慢，因為鋅與硫酸銅反應生成銅，單質銅附著在鋅表面，鋅與稀硫酸的接觸面積減小。

[學生2]氫氣的生成速率加快，因為鋅會與硫酸銅溶液發生置換反應，鋅表面有銅單質析出，在稀硫酸溶液中形成了原電池，加快反應速率。

[實驗探究]取兩塊相同的鋅片分別放入試管A和B中，加入適量稀硫酸，并向B試管滴加幾點硫酸銅溶液，兩支試管中溶液體積相等。

[實驗現象與結論]B試管中氫氣的生成速率較快，說明形成了原電池。

[提問]我們知道構成原電池必須要有正極、負極、離子導體與電子導體，請問上述過程是如何構成原電池的？

[學生]分析、對比、找到要素：（1）正極—Cu;（2）電子導體： Zn和Cu直接接觸;（3）負極—Zn;（4）離子導體—稀硫酸。

根據圖2中原電池模型的構成思路，從電極反應物與生成物→電極反應→電池總反應，完成工作原理的分析（見圖4）。

[遷移應用]實驗室制取氫氣，往往使用粗鋅。請解釋這樣做的原因？（粗鋅中含有少量Pb、 Cu、 Sn等金屬。）

[學生]實驗室制取氫氣常用稀硫酸，將粗鋅放入稀硫酸中，Zn與所含雜質金屬接觸，放入稀硫酸后即可構成原電池，從而加快發生反應的速率。

設計意圖：學生已學的原電池是Zn|稀H2SO4|Cu，用此原型有關的問題作為情境導入，在建模與分析的過程中降低學生的認知負荷。利用“現象差異”，讓學生意識到形成了原電池，從問題情境中提取要素，構建原電池模型的分析思路。

3.2 階段二：以Fe|稀H2SO4|C為電池原型鞏固分析思路

[問題情境]將一塊純鐵和一塊鋼鐵分別放入相同體積相同濃度的稀硫酸溶液中，實驗現象有何差異，請解釋原因。

[學生]鋼鐵與稀硫酸產生氫氣速率更快。這與前面粗鋅的道理是一樣的。鋼鐵中含有碳，放入稀硫酸中，可形成原電池（見圖5）。

[聯系實際]在酸雨多發地區，鋼鐵的腐蝕問題尤為突出。

[任務]繪制硫酸型酸雨多發地區中鋼鐵腐蝕的示意圖，要求在圖中標出電極材料、離子導體、電子導體（電子轉移）、電極反應物和生成物。

[學生]對比前面的原電池模型，繪制示意圖（見圖6）。

[講述]當水膜酸性較大時，形成“原電池”，溶液中的氫離子得到電子，析出氫氣的過程，叫鋼鐵的析氫腐蝕。

設計意圖：階段二的問題情境與階段一差異不大，且階段二中相關的反應原理都是學生的已學知識，學生能自主完成解釋與分析。因此，階段二的目的就是借助析氫腐蝕這一教學內容鞏固如何用原電池模型解決電化學問題的思路。

3.3 階段三：以Fe|NaCl溶液|C為電池原型內化分析思路

[問題情境]在日常的中性環境中，也有許許多多的鋼鐵腐蝕現象，一般海邊的鋼鐵腐蝕比內陸的鋼鐵銹得快，這是什么原因呢？表1是某內陸地區和某臨海地區的環境數據。

[學生]海邊濕度大，附著在鋼鐵表面的水膜含有較多Cl-，這層水膜的導電性更強，更容易形成原電池。

[繼續分析]根據前幾個模型以及已有知識（鐵生銹的三個必要條件：鐵、氧氣、水分），能確定該原電池的構成要素和電極反應物，但是不太確定正負極的產物，猜測正負極產物可能是Fe3+、 Fe2+、 OH-……初步形成一個未完善的原電池模型（見圖7）。

[提供資料]剛才大家對電極反應產物進行了猜測，接下來通過實驗來探究產物。

[實驗方案與現象]表2所示為實驗報告。

[實驗結論]確定負極產物是Fe2+，正極產物是OH-。

[學生]補充完善該原電池模型（見圖8）。

[學生]為什么鐵銹的主要成分是Fe2O3，鐵元素最終呈現+3價？

[講解]電池總反應為2Fe+O2+2H2O2Fe（OH）2，Fe（OH）2極易被氧化，因此進一步反應： 4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3， 2Fe（OH）3-nH2OFe2O3·nH2O+（3-n）H2O。當水膜的酸性較弱或呈中性時，形成“原電池”，水膜中的氧氣得到電子生成OH-的過程叫鋼鐵的吸氧腐蝕。

[遷移應用]食品包裝中常見的脫氧劑組成為還原性鐵粉、氯化鈉、碳粉等，請問脫氧劑是如何起效的？請畫出相應的示意圖。

[學生]同樣形成原電池，類似于鋼鐵的吸氧腐蝕（見圖9）。

設計意圖：鋼鐵的吸氧腐蝕問題相對較復雜，學生通過自主構建原電池模型，在分析過程中遇到了障礙點，這就是問題解決所需的知識與學生原有的認知之間存在差距。這個差距或是障礙點，亦是后續教學內容的生長點。借助實驗探究，從事實中推理出反應原理，完善模型的建構。情境難度升級，需要學生有清晰的分析思路，在思路的指導下有方向地尋找信息。通過這個過程，學生不僅積極主動吸收了新的知識，還內化了原電池模型的分析思路。

[問題思考]請大家對比鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理，兩者的差異在哪里呢？

[學生]正極反應不一樣。一個是H+得電子，一個是O2得電子。

[追問]中性環境中，水也能電離出氫離子，為何正極反應得電子的是氧氣？說明什么問題？

[學生]H+濃度會影響它得電子的能力（氧化性）。

[歸納小結]在這節課中，我們對比了純金屬、合金與相應溶液反應時的腐蝕現象。這是兩種不同的金屬腐蝕類型，我們把純金屬發生氧化還原反應的過程稱為化學腐蝕，不純的金屬（合金）在電解質溶液中形成原電池的過程稱為電化學腐蝕。我們日常生活中的金屬腐蝕絕大多數都是電化學腐蝕。此外，鋼鐵在不同情況下又可分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。原電池模型的建構對于分析電化學腐蝕有著至關重要的作用。

4 教學反思

4.1 巧設問題情境，促進思路形成

金屬的電化學腐蝕是電化學知識的實際應用部分，需要學生建立金屬的電化學腐蝕和原電池模型之間的關聯，對學生模型抽象能力的要求較高。從學生的思維障礙出發，在問題情境部分，本課例中設計了幾個復雜性不高的問題（將純金屬和合金分別放入指定溶液中的現象差異）為腳手架，聯結原電池相關內容;同時設計問題情境時也將真實情況中鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕問題簡化，去除一些干擾因素，降低學生建構原電池模型的難度。

整個教學過程中，問題情境有聯系、有梯度，目的是引導學生運用習得的思路與方法以達成知識的鞏固與內化。

4.2 融入模型建構與應用，培養模型認知

模型認知是重要的思維方式，科學家們往往是通過直接研究模型而間接研究現實世界的[10]。本課例中用“問題情境—原電池模型—問題情境”的思路貫穿整個教學過程，用三個對比式的問題情境，引導學生研究其中的原電池模型，形成穩定有效的分析思路與方法，讓學生體會用模型研究與解決問題的過程。

參考文獻：

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[3]牛彩霞，鄒映波. 走向核心素養的化學深度學習——以“保護海洋平臺——金屬電化學腐蝕與防護”為例[J]. 化學教學， 2020，（8）： 39～43.

[4][6]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018.

[5]張麗華，楊玉琴. “原電池”教學30年演進研究[J]. 化學教育（中英文）， 2019，（15）： 41～47.

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[8]王秀紅，李艷梅. 中學化學教學情景的創設技術[J]. 現代中小學教育， 2005，（10）： 23～26.

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[10]陳進前. “模型認知”是重要思維方式[J]. 化學教學， 2020，（5）： 9～15.