融合數字化實驗與常規實驗，促進學生認識發展

李艷　何彩霞

摘要：化學概念原理的學習，重在引導學生認識化學變化所遵循的基本原理和規律，與之相應的實驗探究學習活動的設計，需要結合具體教學內容的特點和學生的實際來進行。在高中化學選擇性必修1“金屬的電化學腐蝕”教學中，圍繞鋼鐵腐蝕的原因、本質和影響因素等內容，將數字化實驗與常規實驗有機整合設計探究活動，通過實驗方案的設計、實驗現象的觀察、分析與推理等學習任務，調動學生經歷思維加工過程，進而促進學生的知識建構和認識發展。

關鍵詞：化學實驗;數字化實驗：電化學腐蝕;認識發展

文章編號：1008-0546（ 2022） 09x-0006-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.09x.002

一、問題的提出

“金屬的電化學腐蝕”是化學概念原理類內容的重要組成部分，認識電化學腐蝕的本質和影響因素，有利于選擇防腐蝕的措施和方法，[1]對于促進學生認識發展，形成分析、解釋和解決相關問題的能力等具有重要價值。

人教版高中化學選擇性必修1“化學反應原理”教材[2]主要介紹了金屬的兩種電化學腐蝕過程——析氫腐蝕和吸氧腐蝕，并編排有“鐵釘的吸氧腐蝕實驗”。這一實驗沒有涉及“析氫腐蝕”，教師教學中會補充“析氫腐蝕”的實驗。但是難以幫助學生形成以下認識：（1）金屬發生析氫腐蝕的同時也進行吸氧腐蝕;（2）金屬在弱酸性環境下主要發生吸氧腐蝕;（3）純凈的金屬直接放在電解質溶液中主要發生電化學腐蝕。

在以往的教學實踐中發現，學生對于“金屬的電化學腐蝕”的認識存在以下障礙：（1）對電化學腐蝕的原理認識不清。表現為：學生認為鋼鐵放在氯化鈉溶液中，因不存在自發的氧化還原反應，因此不能形成原電池;對于將純凈的金屬直接放在電解質溶液中，學生認為此裝置缺少構成原電池的基本要素——兩個活性不同的電極材料，因此發生的不是電化學腐蝕;對吸氧腐蝕正極反應原理的分析存在困難，更難系統地分析從腐蝕到生銹的完整過程。（2）對析氫腐蝕和吸氧腐蝕的認識有偏差。表現為：對于析氫腐蝕的實驗，學生沒有持續地關注實驗現象，不能自主想到隨著反應的進行溶液中的pH會發生變化，不能主動意識到反應會由以析氫腐蝕為主轉變為以吸氧腐蝕為主;學生往往認為pH=7是析氫腐蝕轉變為吸氧腐蝕的轉折點，且認為析氫腐蝕與吸氧腐蝕是獨立存在的。究其原因，學生受先前所學知識的局限，認識角度單一、不系統等影響。

有關“金屬的電化學腐蝕”教學的已有研究主要有以下情形：（1）以實際問題情境（如暖寶寶）為載體或以生活中常見的金屬腐蝕現象為素材，注重對教材裝置進行創新，如利用U型管實驗監測酸性環境下體系壓強的變化，證明先發生析氫腐蝕后發生吸氧腐蝕;[3]（2）運用數字化實驗探究弱酸性條件下鋼鐵主要發生吸氧腐蝕;[4]（3）基于高考試題在原電池原理方面進行拓展，揭示“氧濃差電池”的本質。[5]以上教學設計都有各自的創新點和值得借鑒的地方，然而從學生學習角度看，孤立地看析氫腐蝕和吸氧腐蝕不利于學生全面地認識體系中化學反應的復雜性及動態變化，會妨礙學生的知識理解。筆者在“金屬的電化學腐蝕”教學中，將數字化實驗與常規實驗相結合，圍繞“金屬的電化學腐蝕”的原因、本質和影響因素等展開探究，通過協同發揮不同實驗的優勢，化解學生認識障礙，促進學生的知識建構和認識發展。

二、教學目標與教學流程

1.教學目標

（1）在教師引導下，能設計和改進探究鋼鐵腐蝕原因的實驗方案;能有意識地建立實驗目的一現象—結論之間的關聯，能系統分析鋼鐵發生析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理。

（2）能認真觀察實驗，通過分析同一密閉體系中，不同pH下壓強和氧氣濃度隨時間變化的曲線，認識金屬腐蝕中反應的多樣性，形成分析復雜體系化學反應的思路和方法。

（3）基于實驗證據揭示氧濃差電池的本質，能解釋證據與結論之間的關系，設計實驗方案證明氧濃差電池的存在，發展對電化學模型的認識，分析和解釋相關問題。

2.教學流程

以上述教學目標為導向，按照課前—課中—課后整體安排學習過程。課前，從學生身邊常見的生活情境“鋼鐵腐蝕”人手，通過問題驅動，調動學生對探究活動的興趣，引導學生以小組合作的方式設計“探究金屬鐵腐蝕的原因”實驗方案;課上，以學生課前設計的實驗方案為研討的起點，將學生的疑惑設置為導引性問題，借助數字化實驗與常規實驗，讓學生對實驗現象及其對應的原理進行深入闡述與推理，多角度認識電化學腐蝕，化解學生的認知障礙;課后，再組織學生進行實驗拓展，進一步發揮實驗對于學生認識發展的重要作用。具體教學流程見圖1。

三、教學過程

1.實驗探究鋼鐵腐蝕的原因

[資料]全球每一分鐘就有一噸鋼被腐蝕成鐵銹，全世界每年由于腐蝕而造成報廢的鋼鐵高達總產量的三分之一，造成的直接經濟損失約7000億美元，是地震、水災、臺風等自然災害造成損失總和的6倍。不同環境下鋼鐵受腐蝕的差別是明顯的，如工業區高于生活區，沿海高于內陸。

[課前任務]閱讀資料，小組合作探究金屬鐵被腐蝕的原因，提供實驗方案（試劑、裝置儀器等），實驗用具，自主完成實驗，提交實驗視頻或圖片，結合圖示及化學用語說明實驗原理。課上小組匯報實驗目的一實驗現象一實驗結論。

學生設計的實驗方案見圖2。

向以上溶液中各滴入幾滴鐵氰化鉀溶液，驗證Fe2+的生成。有的組在B和D裝置中接入電流計。

根據學生的方案，教師提供試劑和裝置：鐵片（不含雜質）、碳棒、稀硫酸、氯化鈉溶液、酚酞溶液、鐵氰化鉀溶液、燒杯、導線、電流表，學生進行相關實驗。

[小組匯報]根據下列問題，各組匯報。你設計以上實驗的目的是什么？實驗現象分別是什么？通過實驗你初步獲得哪些結論？

學生回答1：設計A、B實驗的目的是證明鋼鐵在酸性環境下能夠被腐蝕。實驗現象是：A、B裝置中在較短時間內都產生了大量的藍色沉淀，其中B裝置中產生的更多，碳棒上產生了大量的氣體，B裝置接人電流計，指針發生偏轉，應該是形成了原電池，加快了腐蝕速率。

學生回答2：C、D兩個裝置腐蝕速率較慢，但是D的反應速率大于C裝置，10 min后D裝置能明顯看到較多的藍色沉淀，較長一段時間后，發現D裝置比C裝置生銹更嚴重。

教師演示D裝置接人電流計后指針發生偏轉，并歸納B、D裝置確實是由于形成了原電池導致鋼鐵發生了腐蝕，稱為電化學腐蝕，B裝置的腐蝕由于不斷有氫氣放出，所以叫做析氫腐蝕。

[問題I]D裝置（Fe-C-NaCl溶液）的反應原理是什么？如何證明？

學生回答3：根據實驗現象說明D裝置形成了原電池，這個裝置中發生了自發的氧化還原反應，正極反應物應為O2，產物為OH-，檢驗正極產物的方案為：在碳棒電極處滴加酚酞觀察顏色變化。

教師進行演示實驗1：Fe-C-NaCl溶液原電池實驗（見圖3），碳棒附近的溶液變紅。師生共同歸納吸氧腐蝕的原理，由學生系統分析鋼鐵生銹的過程。

[問題2]吸氧腐蝕的本質為鐵與氧氣發生自發的氧化還原反應，你還能想到用哪些方法證明氧氣參與了反應？

學生回答4：可以設計一個封閉體系，測定體系壓強的變化，證明O2是否參加了反應。

教師介紹課本實驗裝置、創新實驗裝置（U型管實驗）和數字化傳感器信息系統。

2.利用數字化實驗再認識析氫腐蝕與吸氧腐蝕

[問題3]B裝置（Fe-C-硫酸溶液）只發生析氫腐蝕嗎？說明理由。

學生回答5：H+消耗完后，溶液呈中性，會發生吸氧腐蝕。

教師播放實驗2視頻：用數字化實驗測量酸性環境下（pH=2.02）的鋼鐵腐蝕的動態曲線。該實驗需進行課前準備（實驗裝置見圖4）。實驗儀器及實驗試劑包括：數據采集器、氣體壓力傳感器、氧氣濃度傳感器、pH傳感器、鐵架臺、三口瓶、橡膠塞、膠頭滴管、鐵粉、碳粉、飽和NaCl溶液、稀鹽酸（1 mol/L）。該實驗的操作步驟如下：（1）使用pH傳感器監測溶液的pH，將飽和食鹽水的pH調至酸性（pH=2.02），準備好鐵粉、碳粉、藥匙等;（2）取5.0 g鐵粉和5.0 g碳粉于三口瓶中混合均勻，其中兩個瓶口分別與氣體壓力傳感器、氧氣濃度傳感器連接好，打開電腦顯示界面，從另一口中迅速倒人pH=2.02的飽和氯化鈉溶液，迅速塞好塞子，得到壓強和氧氣濃度的變化曲線。

[問題4]圖5所示的是實驗室模擬pH=2.02的鋼鐵腐蝕過程，用傳感器分別測定同一密閉體系同一時間范圍內的氧氣濃度和壓強變化，你能獲得哪些結論？

查閱資料：傳感器測定氧氣濃度的方法不受體系內其他物質的影響。

學生結合圖5描述實驗現象為：酸性環境下，氧氣濃度一直下降，壓強先升高后不變最后降低。由此說明整個過程氧氣一直被消耗，而壓強變化的原因是氫氣的析出與氧氣消耗不同，一開始氫氣的析出占主導，最后以氧氣的消耗為主。

師生共同得出結論：（1）金屬的電化學腐蝕中，析氫腐蝕和吸氧腐蝕同時存在;（2）酸性環境下，一開始以析氫腐蝕為主，后來以吸氧腐蝕為主。H+濃度影響物質氧化性及反應速率，濃度改變使主次反應發生逆轉。

[追問]是否pH=7時才以吸氧腐蝕為主呢？

教師引導學生認識濃度的相對大小沒有嚴格的界限，不同體系、不同種類、不同濃度電解質溶液的分界線也會有所不同，此時應以實驗為依據，確定以吸氧腐蝕為主時的pH。

學生回答6：可以用傳感器測定不同pH下壓強的變化情況來得出結論。

教師播放實驗3視頻：數字化實驗模擬弱酸性環境下（pH=5.82）的鋼鐵腐蝕。選擇此pH的原因是有關文獻表明析氫腐蝕和吸氧腐蝕交替發生的臨界pH值在5.6-5.7。[6]

師生共同得出結論：弱酸性環境下，主要發生吸氧腐蝕（見圖6）。

3.借助常規實驗認識氧濃差電池

[問題5]C裝置（純凈的鐵片放在NaCl溶液中）發生的是化學腐蝕，還是電化學腐蝕，為什么？

學生回答7：此裝置不滿足原電池發生的條件，應該是化學腐蝕。

教師演示實驗4：純凈的鐵片在氯化鈉溶液中的腐蝕實驗。將鐵片放入氯化鈉的水溶液中，并滴入幾滴鐵氰化鉀溶液，10 min后開始出現藍色沉淀，其中直接在底部產生了藍色沉淀，現象見圖7。

通過充分的討論，論證解釋的合理性，教師不斷與學生對話、追問。共同發現，底部首先出現藍色沉淀，應該是底部的鐵優先被腐蝕，如果只發生化學腐蝕，應該是界面處（氧氣濃度更大）腐蝕更嚴重，因此合理的解釋是底部的鐵作負極，發生Fe - 2e-= Fe2+的反應，靠近液面處的氧氣濃度大，得電子能力大于底端的氧氣，在靠近液面處作正極反應物，構成了原電池，詳細原理見圖8。

[查閱資料[7]]氧濃差電池腐蝕是由金屬與含氧量不同的溶液接觸而形成。當金屬浸入含氧的溶液中，氧的電極電位與氧氣濃度有關，氧氣濃度較大的部位電位較高，做原電池的正極;而氧氣濃度較小的部位電位較低，做負極，金屬被腐蝕。

[教師小結]只要存在自發的氧化還原反應，雖正負電極相同但處于不同環境（O2濃度不同）也能構成原電池，稱為氧濃差電池。C裝置發生的腐蝕不是化學腐蝕，而是電化學腐蝕，教材中關于化學腐蝕的描述為：金屬與接觸到的干燥氣體（如O2、Cl2、SO2等）或非電解質液體（如石油）等直接發生化學反應而引起的腐蝕，叫做化學腐蝕。

[問題6]如何設計實驗證明氧氣濃度差異導致發生電化學腐蝕？

學生設計的裝置如圖9所示，在教師指導下課后完成實驗，學生觀察到氧氣濃度不同時，電流表指針發生偏轉，說明這是電化學腐蝕。并從實驗過程中體會到氧氣的濃度不同會引起2個電極的活性差異，符合原電池的形成條件。

[交流與討論]你對鋼鐵腐蝕的原因有哪些新的認識？

學生談自己的想法，教師最后歸納鋼鐵腐蝕的主要原因，目的是讓學生通過梳理探究過程形成本節課解決問題的基本思維模型，為金屬防護方法的設計打下基礎。

四、教學反思

化學概念原理的學習，重在引導學生認識化學變化所遵循的基本原理、規律及其應用，[8]與之相應的實驗探究學習活動的設計，需要結合具體教學內容的特點和學生的實際來進行。本節課注重以實驗為基礎，引導學生認識金屬電化學腐蝕的原因、本質和影響因素，教學感悟如下：

1.注重發揮實驗在概念、原理學習中的作用

概念、原理的學習需要借助豐富的感性材料，通過現象剖析、比較、抽象、概括從而實現對概念、原理本質的認識，實驗是向學生提供感性材料的主要途徑。本節課將數字化實驗和常規實驗相結合，共設計有四個實驗（見表1），通過這些實驗，在激發學生的探究興趣的同時，讓學生在實驗中體驗與感悟，加深對知識的理解，實現認識發展。

2.針對學生認知障礙引發質疑和探究

“金屬的電化學腐蝕”知識較為抽象復雜，學生在學習過程中存在一些困難。對此，課堂上教師在發揮實驗提供感性認識的同時，還利用系列驅動性問題引發學生質疑、探究與反思，引導學生反復檢驗已有認識的不足并重新構建新的知識框架，展示新認識的合理性，最終轉變為科學認識。如：學生認為純凈的鐵片直接放在氯化鈉溶液中，由于該裝置不滿足原電池的形成條件，因此應該是發生化學腐蝕。此時教師提供引起學生認知沖突的實驗事實“燒杯底部的鐵片附近先產生藍色沉淀”，學生經過小組討論，相互啟發，對實驗現象進行理論分析發現，鐵片在溶液下和溶液與空氣交界處的差異主要是氧氣濃度，因此合理的解釋應該是氧氣濃度大的鐵片一端為原電池的正極，氧氣作正極反應物，氧氣濃度小的鐵片端為負極，鐵被腐蝕。該理論推導是否合理呢？此時教師提供關于氧濃差電池的資料，并引導學生設計實驗加以證明，通過理論推導與實驗探究發展了學生對原電池形成條件的認識。

3.引導學生多角度分析促成對概念的深刻理解

學生對于化學概念原理的認識發展需要經歷感知、分析、推理、結論等思維加工過程。為此，教學中在組織開展實驗探究活動時，注重對實驗方案、實驗現象、實驗結論等進行完整論證，系統推理。在“金屬的電化學腐蝕”知識的形成過程中，首先，注重引導學生基于實驗現象等證據進行分析概括，以此揭示金屬的析氫腐蝕與吸氧腐蝕的本質;在此基礎上教師又引導學生對實驗數據和圖像進行分析推理來認識復雜體系中的金屬腐蝕情況，加強對概念的遷移應用;最后，通過探討氧濃差電池拓展了學生對吸氧腐蝕的認識。上述基于多角度的分析、論證豐富了學生對概念的內涵和外延的理解，促使化學概念的學習得以深化和發展。

參考文獻

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