基于STEAM理念的項目式化學教學

龐嵩

摘要：鋼鐵的銹蝕及其防護是對金屬性質與應用的拓展和實踐。文章以“第一艘國產航母”為項目背景，將“如何對航空母艦防銹”作為驅動性問題，細分為鋼鐵銹蝕的原因、銹蝕速率的影響因素和防護方法三個項目式任務進行研究，融合化學、科學、軍事、數學、信息技術、食品加工等學科，嘗試進行跨學科實踐活動，以此激發學生學習興趣，增強動手能力。

關鍵詞：STEAM理念；項目式學習；跨學科融合；核心素養

文章編號：1008-0546（2023）09-0028-07

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.006

STEAM教育作為一種超越傳統的教育模式，采用跨學科的方法在基于現實問題情境中教授科學、技術、工程、藝術和數學等方面的知識，引導學生適應不斷更新的專業知識和快速變化的社會生活，提高學生未來社會競爭力。作為STEAM教育的一種呈現形式，項目化學習是讓學生在一段時間內對真實有意義的問題進行持續探究，創造性地解決問題，形成公開成果，達到對核心知識的再建構與思維遷移。

為應對創新型社會挑戰，促進素質教育的有效實施，培養新時代所需的綜合型、實踐型、創新型人才，本節課基于STEAM理念進行項目式化學教學新嘗試。

一、教材分析

鋼鐵的銹蝕及其防護屬于滬教版初中化學九年級上冊第5章第3節“金屬防護和廢金屬回收”中的內容。《義務教育化學課程標準（2022年版）》對“金屬與金屬礦物”的學習提出的教學要求是：“知道金屬有一些共同的物理性質，通過實驗探究等活動認識常見金屬的主要化學性質及金屬活動性順序。以鐵生銹為例，了解金屬腐蝕的常用方法。了解廢棄金屬對環境的影響及金屬回收再利用的價值”。[1]本節課以“我國第一艘國產航空母艦——山東號”為項目背景，將“如何對航空母艦防銹”作為驅動性問題，最終達成“知道鋼鐵銹蝕的條件并學會對其防護”的核心目標。教學過程中采用學生自評、組內互評、教師點評等多樣化的評價方式，給學生提供較為全面的認知。

二、教學目標及重、難點

1．通過對比實驗和U型管改進實驗的設計和分析，探究鋼鐵生銹的條件以及影響因素，并以此發展科學思維，提高創新意識。

2．通過船體鑲嵌金屬的探究，學會鋼鐵銹蝕的防護方法，初步形成有關“物質性質決定用途”的化學觀念，解決實際問題。

教學重點：鋼鐵生銹的條件和影響兇素。

教學難點：根據銹蝕條件探究鋼鐵銹蝕的防護措施。

三、教學主線

見圖1。

四、教學過程

項目背景：2019年12月17日下午，山東艦作為我國第一艘國產航空母艦在海南三亞某軍港交付海軍。山東艦下海航行過程中主要考慮哪些問題？

設計意圖：航空母艦作為國之重器，備受人們關注。建造航母需要大量鋼材，為了能讓航母能長時間在海上航行，防銹問題尤為重要。因此用我國第一艘國產航母作為項目背景，不僅與化學教學貼合緊密，而且對學生有深刻的愛國和軍事教育意義。

項目式任務1：鋼鐵銹蝕的原因

【資料1】

取一塊廢舊鐵絲網，將鐵絲網剪成幾小片，用稀鹽酸除去鐵銹后，放人錐形瓶中，如圖2所示。在錐形瓶中加入3～4 mL濃食鹽水，塞緊帶導管的單孔塞后，將導管的另一端伸人滴有紅墨水的水中，過一段時間后觀察并記錄實驗現象。

在家用鐵鍋中放人少量水，靜置一夜后觀察并記錄實驗現象。如圖3所示。

將鐵粉和木炭粉混合均勻后放人浸有飽和食鹽水的棉花中，如圖4所示，并用氧氣傳感器測出錐形瓶內氧氣濃度隨實驗時間變化的曲線，如圖5所示。

請 學們根據上述信息猜想鐵生銹的條件并設計實驗進行驗證。

設計意圖：圖2是滬教版初中化學九年級上冊第1章的實驗，學生通過此實驗已經知曉鐵生銹需要氧氣和水的共同作用，但教師更多的是給出結論，并沒有嚴格地設計對比實驗進行驗證，現在給出此圖是為了激活學生記憶，為下面的猜想做鋪墊。圖3通過生活中的常見現象讓學生推導鐵生銹需要水的參與。圖4.5通過演示實驗，直觀地展現鐵生銹需要氧氣參與。

學生分組采用“頭腦風暴法”研討實驗設計并進行展示，教師引導篩選。學生利用提供的實驗器材搭建實驗裝置，連續7天觀察并記錄現象，一周后分組進行匯報。

【學生實驗匯報1】

取3枚潔凈無銹的鐵釘，分別放人3支試管中。在試管①中加入少量干燥劑（生石灰或無水氯化鈣），再放一團干棉球，把鐵釘放在干棉球上，塞緊橡皮塞。在試管②中注滿迅速冷卻的沸水，使鐵釘完全浸沒，塞緊橡皮塞。在試管③中加入少量蒸餾水，使鐵釘的一半浸沒在水中。進行實驗，記錄觀察到的實驗現象。

實驗現象：如圖6所示①中鐵釘不生銹；②中鐵釘第一天和第三天不生銹，第七天底部有些許銹跡；③中鐵釘生銹，且在空氣與水接觸位置銹蝕最嚴重。

實驗結論：鐵在空氣中銹蝕，實際上是鐵跟氧氣、水等物質作用，發生一系列復雜的化學反應，轉化為鐵的化合物的過程。

異常現象及問題：②中鐵釘底部為什么有些許銹跡？

【資料2】用溶解氧傳感器測定不同水樣中的含氧量，見圖7、表1。引導學生分析，得出結論。

實驗結論：迅速冷卻的沸水中依然含有少量氧氣，②中鐵釘長時間浸沒在水中與水中溶解的少量氧氣反應依然會生銹。

設計意圖：引導學生控制水和氧氣兩大變量，設計類似書本的對比實驗，通過持續觀察7天時間內鐵釘的銹蝕情況，推導鐵生銹條件。同時試管②中的異常現象也從反面證明鐵生銹是氧氣和水共同作用的結果。只有知曉鐵生銹的條件，才能為航母防銹提供理論支持。

項目任務2：鋼鐵銹蝕快慢的影響因素

【資料3】鹽霧是指大氣中由含鹽微小液滴所構成的彌散系統。

由表2猜想：鋼鐵銹蝕快慢主要受周圍環境影響，在鹽霧和酸性環境下鐵銹蝕速率加快。學生分組采用“頭腦風暴法”研討實驗設計并進行展示，教師引導篩選。學生利用提供的實驗器材搭建實驗裝置，連續7天觀察并記錄現象，一周后分組進行匯報。

【學生實驗匯報2】

取3枚潔凈無銹的鐵釘，分別放人3支試管中。在試管③中加入少量蒸餾水，使鐵釘的一半浸沒在水中。在試管④中加入稀硫酸或醋酸溶液，浸沒鐵釘后，倒去溶液。在試管⑤中加入少量氯化鈉溶液，使鐵釘的一半浸沒在溶液中，進行實驗。 實驗現象：7天后試管內鐵釘銹蝕情況如圖8所示，④、⑤中的鐵釘比③中鐵釘生銹更快，銹蝕更嚴重。

實驗結論：稀硫酸、醋酸溶液和氯化鈉溶液等物質存在時會加快鐵的銹蝕。

過渡：為了將實驗現象數據化，便于定量分析生銹過程中的氧氣和水的變化，教師用壓強傳感器改進實驗。

【教師演示實驗1】

如圖9所示，三個裝有壓強傳感器的試管中分別放人鐵粉、鐵粉與水、鐵粉與食鹽水，同時測定試管中壓強的變化，并以曲線形式展示結果。

實驗現象：①號試管（裝有鐵粉）中的壓強隨時間的推移變化不大；②號試管（裝有鐵粉和蒸餾水）中壓強隨時間的推移慢慢變小；③號試管（裝有鐵粉和食鹽水）中壓強隨時間的推移快速變小，見圖10。

實驗結論：在其他條件相同時，在鹽溶液中鋼鐵更容易生銹，生銹速率更快。

過渡：除此以外，鋼鐵銹蝕速率還受到哪些因素影響？

【教師演示實驗2】

按照圖1 1組裝三套實驗裝置，一天后觀察現象。

備注：教師提前一天做好實驗，將三只U型管帶到教室，讓學生觀察，結果見圖1 2。

實現象及結論：

1．紅色圈畫處鐵釘表面有少量鐵銹，鋼絲棉表面有大量鐵銹，粘在壁上的鐵粉表面有大量鐵銹，說明在其他條件不變時，鋼鐵與氧氣的接觸面積越大，銹蝕速率越快。

2．黃色圈畫處均不生銹，證明鋼鐵銹蝕需要水的參與。

3．藍色圈畫處鐵釘和鐵粉的生銹痕跡很不明顯，證明鋼鐵銹蝕需要氧氣參與。鋼絲棉兩側有較明顯銹跡，證明蒸餾水中有少量氧氣，同時與其余兩者對比也能證明在其他條件不變時，鋼鐵與氧氣的接觸面積越大，銹蝕速率越快。

設計意圖：項目任務2是在任務1的基礎上研究鋼鐵銹蝕速率問題，是對鋼鐵銹蝕認識的提升。本項任務的完成包含了1個學生對比實驗、2個教師改進實驗并進行了資料整合。既有現象的定性分析也有數字傳感器的定量展現，數形結合，意在將鐵銹蝕的問題研究透徹。文中鋼絲棉易生銹，而水中鐵粉不易生銹，說明是鋼鐵與氧氣的接觸面積影響銹蝕速率而不是鋼鐵本身的表面積，兩者是有區別的，同時也證明化學反應需要物質之間相互接觸才能發生。鹽霧、鹽溶液、酸性環境都是海上極為常見的自然環境，通過本項目任務的學習，讓學生深刻意識到航母所處環境的惡劣，防銹刻不容緩。

項目任務3：鋼鐵銹蝕防護的方法

學生分組采用“頭腦風暴法”研討以下三個問題：

問題1：根據生銹的條件，可以采用什么樣的原理防止鋼鐵銹蝕？

隔絕氧氣和水。

問題2：航母可以用哪些方法防銹？

涂油噴漆、部分部位制成不銹鋼。

問題3：航空母艦的外殼鑲嵌一種金屬達到防銹的目的，猜想這種金屬是什么？

教師引導學生設計實驗方案，學生利用提供的實驗器材搭建實驗裝置，連續24 h觀察并記錄現象，一天后分組進行匯報。

【學生實驗匯報3】

如圖1 3所示，將鐵釘、裹鋁片的鐵釘、裹鋅片的鐵釘、裹銅片的鐵釘放在滴有酚酞的食鹽水中，觀察并記錄實驗現象。

如圖14所示，10 min和30 min現象類似：鐵釘表面出現銹斑，溶液變紅，周圍伴有銹跡；裹鋁片的鐵釘表面無明顯銹跡，鐵釘頭部附近的溶液變紅；裹鋅片的鐵釘表面無明顯銹跡，鐵釘頭部和尾部附近的溶液變紅；裹銅片的鐵釘頭部和尾部出現銹斑，銅片附近溶液變紅。

1天以后，除裹鋅片的鐵釘表面無明顯銹跡外，其余鐵釘全部銹蝕。銹蝕程度由高到低分別是：裹銅片的鐵釘>鐵釘>裹鋁片的鐵釘。

實驗結論：航空母艦的外殼鑲嵌鋅塊達到防銹的目的。

設計意圖：學生通過模擬航母外殼鑲嵌金屬實驗，用事實證明鑲嵌的金屬是鋅塊。實驗不僅趣味性十足而且鍛煉學生的動手能力、創新能力。裹鋁片的鐵釘還是會讓鐵釘生銹的原因可能是鋁表面快速生成致密的氧化鋁膜進行了自我保護，但無法阻止鐵釘銹蝕。溶液變紅的原因是鐵銹蝕過程中產生了大量的氫氧根離子。設計意圖是讓學生根據變紅區域區分生銹部位，但是氫氧根離子在溶液中均勻分散，致使顯色區分不明顯，甚至部分區域的紅色被銹跡完全覆蓋，效果較差。

過渡：由于這些反應都是在溶液中進行的，尤其對于顯色反應而言，溶液的輕微晃動就會導致顯色區域的破壞。有沒有什么方法能讓顯色區域固定不受晃動干擾？

【教師演示實驗3】

利用吉利丁粉[明膠（99%）、卡拉膠（1%）]改進實驗。

將吉利丁粉溶解在冷水中，水浴加熱至80℃，加入適量食鹽水和酚酞，倒人模具中備用。將裹鋁片的鐵釘，裹鋅片的鐵釘，裹銅片的鐵釘放在凝膠中，觀察現象。

實驗現象：如圖15所示，顯色區域固定不受晃動干擾，紅色區域顯色非常明顯，區分度很高。裹鋁片的鐵釘和裹鋅片的鐵釘表面無明顯銹跡，鐵釘的頭部和尾部附近凝膠變紅；裹銅片的鐵釘頭部和尾部明顯生銹，銅片附近凝膠變紅。

實驗結論：航空母艦的外殼鑲嵌鋅塊達到防銹的目的。

設計意圖：將溶液中進行的鐵釘銹蝕反應轉入凝膠中進行，能夠非常有效地標示出金屬腐蝕過程中形成的“微電池”的陰、陽極位置，反應過程的圖像穩定，不容易因碰撞或者溶液擴散而被快速破壞，可以讓學生觀察到更多反應過程的細節，提高學習的興趣。[4]

實驗反思：為什么鋅塊能起到防銹目的？

【資料4】

鋼鐵在接近中性的潮濕空氣中的腐蝕屬于吸氧腐蝕，其電極反應如下：

正極：O2+ 2H2O+4e==40H-

負極：2Fe - 4e==2Fe2+

總反應：2Fe+O2+2H2O==2Fe（OH）2

后續反應：4Fe（OH）2+O2+2H2O==4Fe（OH）3

鐵銹蝕的本質是鐵失去電子變成亞鐵離子的過程，只要有金屬能代替鐵失去電子就可以起到保護作用，所以需要找比鐵活潑的金屬，例如：Zn和Al。

紅色區域說明周圍有大量的氫氧根離子，這是電源的正極，附近的大量的電子起到保護作用，所以紅色區域“非常安全”，由此也可以看出金屬鋅的保護作用，銅的加速銹蝕作用。

設計意圖：此環節是想借助電極反應解釋為什么航母外殼鑲嵌金屬鋅可以起到保護作用，并由此引發學生思考。根據該原理，還有哪些金屬可以鑲嵌在航母外殼上？理論上可以，為什么實際不可以？這也為后續的項目任務做鋪墊。這樣的項目式教學才能不斷驅動學生深入研究，教學才能煥發生機與活力。

【板書設計】

意義解讀：鋼鐵銹蝕需要氧氣、水的共同作用，條件缺一不可。在鐵的周圍覆蓋一圈電子可以對鐵起到保護作用。

五、教學反思

本節課以“我國第一艘國產航空母艦一山東號”為項目背景，將“如何對航空母艦防銹”作為驅動性問題，分三個項目任務：鋼鐵銹蝕的原兇、鋼鐵銹蝕快慢的影響因素、鋼鐵銹蝕防護的方法，用三個課時的時間讓學生通過實驗探究了解鋼鐵銹蝕的條件并學會對其防護。項目式教學實施過程中一直滲透STEAM教學理念，將跨學科實踐活動融人教學，最終取得了理想的效果。

節課利用吉利丁粉改進實驗也可以用于金屬活動性的研究。具體來看只要將鐵釘與不同金屬連接，便能夠清晰地顯示不同金屬的活動性順序。整個實驗過程簡單、安全、廉價，其實驗設計思路可以發展到其他實驗體系中，以可視化的形式表現置換反應、氧化還原反應、原電池以及金屬腐蝕等研究課題，適合初中、高中學生進行課堂實驗或創新拓展活動，對學生的素質培養有積極的幫助作用。[4]

本節課的思維導圖——化學核心素養的培養，見圖17。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部．義務教育化學課程標準（2022年版）[S]．北京：北京師范大學出版社，2022：19-20.

[2] 楊硯寧．基于證據推理的科學探究：實驗、評價及反思——以“鐵釘銹蝕實驗”為例[J]．化學教與學，2017（02）：13-15.

[3] 顧丹丹．“境脈式教學”在初中化學新授課中的應用探究——以“金屬的腐蝕與防護”為例[J]．名師在線，2021（18）：28-29.

[4] 許騁藝，王德明，吳梅芬．鐵釘銹蝕實驗的新觀察[J]．化學育（中英文），2017，38（17）：47-49.