借助NB虛擬實驗的社會性科學議題教學研究*
——以“冬奧會滑雪大跳臺的建設：金屬的腐蝕與防護”為例

禹圓圓 楊林 畢淑嫻

寧夏大學化學化工學院 銀川 750021

1 議題的提出

普通高中化學課程標準強調“結合學生已有的經驗，引導學生關注人類面臨的與化學有關的社會問題，培養學生的社會責任感、參與意識和決策能力”。而社會性科學議題（SSI）是以社會熱點科學問題為研究情境，讓學生運用已有知識，探究分析并逐步解決科學議題的過程[1]。所以，將社會性科學議題融入實際教學中不僅為化學教學提供了契合實際的教學情境，而且可以有針對性地引導學生去關注社會性問題，提升學生核心素養，培養學生的社會責任感和愛國情懷。

項目式學習是以驅動性問題為核心，對基于真實問題情境所創設的一系列問題進行有效設計與組織，使學生進行有意義的探究性學習的教學方式[2]。項目式學習有利于落實“素養為本”的化學課堂教學。NB 虛擬實驗是一款化學虛擬實驗教學軟件，該軟件涵蓋了人教版初高中化學教材中的全部經典實驗，該虛擬實驗軟件提供與實際實驗操作方法類似的操作體驗，實現了化學實驗教學的資源共享、綠色化、安全化。因此，以社會性科學議題作為主要驅動性問題展開借助NB虛擬實驗的項目式學習是行之有效的，能夠提升學生的必備化學知識水平和關鍵實驗技能，能夠促進學生探究能力、決策能力、素養水平的發展，能夠推動中學化學教學情境化、信息化、現代化的實現。

在2022年的北京冬季奧運會中，自由式滑雪和單板滑雪比賽的場地為首鋼滑雪大跳臺，北京冬奧會的成功舉辦首鋼滑雪大跳臺功不可沒。大跳臺主體結構用鋼共4 100 噸，99.55%采用高強度鋼。但是，鋼鐵很容易生銹而被腐蝕，每年因腐蝕而損失的鋼材占世界鋼鐵年產量的四分之一，如此看來，鋼鐵腐蝕的防護就顯得尤為重要。“金屬的腐蝕與防護”是人教版高中化學選擇性必修一化學反應原理第四章第三節的內容。本節內容一方面讓學生體會到電化學知識在生活中的重要作用，另一方面是對學生原電池和電解池知識的深化和拓展。

2 設計思路與亮點

本研究基于社會性科學議題進行中學化學知識的項目式教學，以“冬奧會滑雪大跳臺的建設”為社會性議題背景，以“金屬的腐蝕與防護”為具體項目案例，借助NB虛擬實驗展開教學研究。在此過程中，通過驅動性問題的引導，讓學生在逐步思考探索中尋找社會性議題的答案，掌握科學知識的同時培養學生運用科學知識關注社會問題、解決社會問題的能力。

1）以社會性議題“冬奧會滑雪大跳臺的建設”作為教學情境引入“金屬的腐蝕與防護”的教學，能夠激發學生的學習熱情，引導學生關注社會、關注生活，并善于從生活情境中發現科學問題，應用所學知識為社會問題出謀劃策，解決實際問題。這有利于培養學生的科學態度與社會責任，并激發學生的愛國情懷。

2）NB 虛擬仿真實驗提供與實際操作相類似的體驗還原了真實的實驗過程，改變了學生做實驗只能去實驗室的現狀，且提供了理想的實驗環境，避免了實驗的不安全因素，同時引發學生好奇，激發學習熱情。借助NB 實驗讓學生自主嘗試模擬鋼鐵被腐蝕和被保護的過程，能夠拓展學生視野，開拓學生創新思維，讓學生感受化學實驗與信息技術結合的魅力。

3 項目目標

1）以“防止冬奧會滑雪大跳臺鋼體結構腐蝕”為議題背景，開展“金屬的腐蝕與防護”知識內容的學習，讓學生知道金屬腐蝕的原因以及如何防止金屬腐蝕[3]。以國之大事為基，開展化學教學，引導學生關注社會、關注生活，讓學生善于從生活中發現科學問題，并聯系所學知識內容解決社會性科學議題，以此培養學生的科學意識和社會責任。

2）將整體知識內容作為總項目，再將總項目細化為多個子項目[4]，并以驅動性問題作為研究主線展開探究性學習，在此過程中，鍛煉學生的邏輯思維能力、探究能力和問題解決能力。

3）借助NB 虛擬仿真實驗軟件進行探究性教學，讓學生感受化學實驗與信息技術結合的奇妙與樂趣，以此提升學生對于化學學科的喜愛和熱情，培養學生的學科興趣，推動信息技術與化學教學的高度融合。

4 項目具體實施

環節一：科學議題，項目引入

【情境】教師帶領學生觀看冬奧會滑雪比賽，滑雪包括自由式滑雪、高山滑雪、跳臺滑雪、單板滑雪和越野滑雪5 個分項，其中自由式滑雪最引人矚目，運動員們在專門的鋼體滑雪場的斜坡上展翅高飛、自由降落，盡情地展示華麗的技巧和高超的技術（注：讓學生在觀看視頻的過程中尋找與化學有關的科學問題，并查閱資料）。

【學生交流】滑雪大跳臺的主體結構是各種合金，合金各項性能優于金屬單質?；┐筇_的合金以鋼為主，大跳臺主體結構用鋼共4 100 噸，99.55%采用高強度鋼。但是鋼鐵容易腐蝕，不僅造成了經濟上的損失，而且對于安全構成威脅，需要采取措施防止鋼鐵的腐蝕。

【設計意圖】培養學生的愛國情懷和民族自信心，培養學生的社會責任感和科學意識，讓學生有意關注社會和生活，落實立德樹人的教育理念，將學生培養成為德、智、體、美、勞全面發展的全能型人才。

環節二：項目開展，問題驅動

【問題1】鋼鐵腐蝕的原因是什么？如何防止鋼鐵的腐蝕？

【探究活動】取兩支試管，分別向其中加入5 ml 稀硫酸，然后在試管1 中加入1 g 純鐵粉，在試管2 中加入1 g 純鐵粉和0.5 g 碳粉，觀察實驗現象并思考以下問題。

1）哪一支試管中產生氣泡的速度快？

2）聯系原電池的知識分析試管1 和試管2 中氣泡產生差異的原因？

【學生交流】兩支試管中均產生了氣泡，但是試管2 中比試管1 中產生的氣泡速度快，這是因為試管1 中發生的是鐵與硫酸的置換反應。而試管2加入碳粉后，具備了鐵和碳兩個活潑性不同的電極，且浸泡在硫酸溶液中，因此形成了原電池，發生了氧化還原反應，加快了該反應的化學反應速率。

【教師講解】置換反應屬于氧化還原反應，可知，兩支試管中都發生了氧化還原反應，我們將金屬或合金與接觸的氣體發生氧化還原反應而腐蝕損耗的過程叫作金屬的腐蝕。其本質是金屬失去電子轉變為金屬離子的過程，即M-ne-==Mn+。

1）金屬的腐蝕：金屬或合金與接觸的氣體發生氧化還原反應而腐蝕損耗的過程。金屬腐蝕主要分為以下兩種。

a.化學腐蝕：金屬與接觸的干燥氣體或液體等直接發生氧化還原反應而引起的腐蝕（試管1）。

b.電化學腐蝕：不純金屬與電解質溶液接觸，形成原電池，使金屬失去電子被氧化而引起的腐蝕（試管2）。

【學生探究】根據試管2 中發生的化學反應繪制原電池的電化學反應裝置圖，并用NB 化學實驗進行實踐，如圖1所示。

圖1 電化學腐蝕裝置圖

【實驗分析】通過分析該實驗過程發現，鐵在較強的酸性環境中能發生反應，且產生氫氣，我們將這類反應叫作析氫腐蝕。

①析氫腐蝕：金屬在較強的酸性溶液中發生腐蝕并有氫氣產生的電化學腐蝕。

負極：Fe-2e-===Fe2+；正極：2H++2e-===H2；總反應：Fe+2H+===Fe2++H2

【問題2】從析氫腐蝕的角度說明鋼鐵在潮濕的空氣中是如何發生腐蝕的？

【學生交流】鋼鐵在潮濕的空氣中表面會形成一層水膜，水膜又溶解了CO2、SO2、H2S 等氣體，使水膜中含有一定的H+，導致水膜呈酸性。鋼鐵是合金，與酸性溶液形成了原電池，發生了電化學腐蝕。

【問題3】還有一些金屬處于弱酸性或者中性的環境中，仍然會被腐蝕，是什么原因呢？

【探究活動】將經過酸洗除銹的鐵釘，用食鹽水浸泡下，放入如圖2所示的具支試管中，觀察水柱的變化。

圖2 鐵釘的吸氧腐蝕

【學生交流】導管中水柱上升，鐵釘生銹，表明空氣中有氣體參與了鐵的腐蝕反應。

②吸氧腐蝕：金屬在酸性弱或者中性溶液里，空氣中的氧氣溶解于金屬表面的水膜中，發生的電化學腐蝕。

正極：2Fe-4e-===2Fe+； 負極：O2+2H2O+4e-===4OH-；總反應：2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2

【視頻動畫】播放金屬表面發生吸氧腐蝕的微觀反應視頻，學生從微觀反應角度感受吸氧腐蝕的原理。

【原理深析】吸氧腐蝕的產物Fe(OH)2，Fe(OH)2不穩定，會與空氣中的O2和H2O 反應生成Fe2O3，即鐵銹的主要成分。

【設計意圖】通過設計鐵粉生銹的對比小實驗，讓學生理解金屬腐蝕的概念和分類，明白化學腐蝕和電化學腐蝕對于鋼鐵材料的危害。接著，借助兩個小實驗來學習析氫腐蝕和吸氧腐蝕的相關概念，讓學生明白常見的金屬被腐蝕的原理，為后期學習金屬的防護打下扎實基礎，確保學生能夠完成科學議題的解決。

環節三：項目深入，議題剖析

2）金屬的防護。在實際生活中，根據金屬的腐蝕的原理，常采用以下措施進行金屬的防護：

①改變金屬的內部結構；

②形成保護層；

③改善腐蝕環境。

【問題1】改變金屬內部結構依據什么原理？

【問題2】形成保護層依據什么原理？

【問題3】改善腐蝕環境依據什么原理？

【學生交流】依次利用了合金具有良好的抗腐蝕性；將金屬與腐蝕介質隔離開；創造不利于金屬腐蝕的環境條件。

【思考探討】聯系冬奧會滑雪大跳臺的鋼體建設，給出具體防止鋼鐵腐蝕的方案。

【學生探究】1 組：上網查閱資料，了解合金常加入哪些物質可以提高金屬的耐腐蝕性，并根據已有知識判斷資料的科學性和合理性。

2 組：采用涂抹非金屬物質的形式，如油漆、塑料等物質，使金屬形成一層致密的氧化膜，防止金屬繼續反應；給金屬表面鍍一層純金屬，采用電解池的原理，給鐵金屬上鍍銅（利用NB 化學實驗進行電鍍，實驗過程分解如圖3所示）。

圖3 電鍍反應歷程

【問題4】從電化學腐蝕的原理出發，思考如何實現冬奧會滑雪大跳臺主體結構鋼的防護？

【學生探究】將需要保護的一極作為原電池中的正極，選擇比鐵活潑的金屬作為負極去失電子。通常在鋼鐵設備上裝上若干鎂合金或者鋅，利用它們的活潑性比鐵強設計原電池，防止鋼鐵腐蝕（使用NB 化學實驗進行操作，如圖4所示）。

圖4 犧牲陽極保護法

圖5 外加電流陰極保護法

利用電解池原理，在外加直流電的作用下，將需要被保護的鋼鐵連接負極作陰極，將附加電極連接正極作陽極去失電子，形成電解池，防止鋼鐵被腐蝕（電鍍利用這一原理，實驗操作如5所示）。

【設計意圖】通過一連串的問題，引發學生思考，讓學生借助各種教學資源獲取可能解決問題的答案，培養學生善于利用身邊資源解決實際問題的能力。之后，在教師的幫助下，學生借助NB 化學虛擬實驗軟件設計實驗，達到防止鋼鐵腐蝕的目的。

環節四：項目成果，議題解決

【交流展示】學生將可以實現金屬的防護的方法整理匯總，以思維導圖的形式展示。結合冬奧會的真實情境，選擇合適的方式防止鋼鐵結構的腐蝕，給出合理科學的建議。

冬奧會滑雪大跳臺的鋼體保護可選用以下方式：

1）非金屬涂層；

2）金屬的氧化處理；

3）電鍍保護層；

4）犧牲陽極的陰極保護法（在鋼鐵上裝比鐵活潑的金屬）。

【優化方案】優化方案，設計實現冬奧會滑雪大跳臺的海報設計，最后小組互評，展示成果。

【設計意圖】通過課后知識內容的整理匯總，幫助學生形成良好的學習習慣，幫助學生梳理課堂知識結構，清晰知識內容。同時，讓學生根據所掌握的知識內容，給出具體的合理的防止冬奧會滑雪大跳臺的鋼體結構腐蝕的方法，在這一過程中，培養學生利用科學知識解決社會性議題的主動意識和社會責任感。通過繪制海報的形式，促進學生德、智、體、美、勞全面發展，培養社會型創新型人才。

5 結束語

將社會性科學議題作為一種特殊的教學情境引入教學中，能夠引發學生對于社會科學問題的關注，激發學生對于化學學科的興趣，讓學生主動參與課堂議題的探究學習，真實的議題情境能夠引發學生的愛國情懷和社會責任感，這有利于落實立德樹人的教育理念。基于社會性科學議題且以驅動性問題為研究主線的項目式學習形式，有利于學生把握課堂教學的重難點，有利于鍛煉學生的思考探究能力、分析交流能力，有利于提升學生的科學探究能力。將NB 化學實驗融入基于社會性科學議題的項目式學習中，豐富了教學形式，開拓了學生的視野，實現了信息技術與化學教學的融合，有利于推動化學課程教學改革。