鐵鎖煥顏記*
——融合項目化學習的“電化學”復習課教學設計

李芳芳

（海寧市第二高級中學 浙江 海寧 314400）

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱“新課標”）中“鼓勵開展主題性實踐活動和項目式學習活動［1］”。項目化學習（Problem based learning，簡稱PBL）是一種創造性解決實際問題的學習方式，注重學生解決真實世界中復雜、非常規、具有挑戰性的問題，培養學習者溝通合作、批判創新的高階認知能力［2］，它是當下發展學生核心素養的一種重要學習方式。本節課以項目化學習的方式，讓學生遷移應用氧化還原反應、原電池原理、電解池原理等核心知識，設計實驗方案、動手實驗、合作探究、成果交流與評價，在問題解決中實現深度學習，發展學生認知方式，提升學生思維能力，實現課堂教學由“知識為本”向“素養發展”轉變。

一、教學現狀分析

1.內容分析

學生在新授課學習中，學習了原電池與電解池工作原理、金屬腐蝕與防護方法等核心知識，大多核心知識的學習處于學業質量水平1、水平2的層次，所學核心知識比較零碎、不夠系統，缺乏知識關聯與整合，知識結構化程度不高，學生缺少真實情境解決問題能力的訓練。而電化學單元是化學反應原理模塊的重要組成部分，其原理貫穿于整個中學階段，這部分內容是發展學生證據推理與模型認知、科學探究與創新意識等核心素養的關鍵教學素材，在日常生活、工業生產、科學研究中具有彰顯化學學科社會價值的重要作用。然而，新課標電化學單元學業質量水平要求比較高，大多處于學業質量水平3、水平4層次。筆者試圖在有限的教學時間里通過項目化學習方式達成學業質量水平要求，提升學生核心素養。

2.文獻分析

以“電化學、高三復習”為主題，通過中國知網檢索相關文獻，周荃［3］針對電化學單元復習，提出了依托思維導圖，促進模型認知的復習策略；朱紛等［4］通過裝置變化激活知識、基于微粒觀綜合知識、基于運動守恒應用知識來優化電化學復習效果，促進學生對電化學知識豐富內涵的理解，從而提高解決問題的能力。黃文軍［5］基于電化學電路，分析電子、離子移動方向，從而理解電極反應，將原電池和電解池知識整合，突破電化學復習難點。他們的共同特點是重視電化學知識的整理與歸納，并進行習題訓練以鞏固所學知識，沒有將電化學知識運用于實際生活情境，學生缺乏在真實情境中解決實際問題的機會，落實“素養為本”的要求大打折扣。

3.學情分析

學生在高一化學必修第二冊第六章“化學反應與能量”中初步接觸了原電池裝置及其原理，認識了鋅錳干電池、鉛蓄電池和簡單的燃料電池。在高二選擇性必修1化學反應原理中深入學習了原電池原理，常見的化學電源，電解池原理及其應用，金屬的腐蝕與防護。在高三階段復習過程中，如果能用一個情境把原電池、電解池和金屬的腐蝕與防護串聯起來，學生進行構建電化學的知識框架就可以水到渠成了。本設計基于此目標，以“鐵鎖煥顏記”為項目主題，利用舊時嫁妝箱上生銹的鍍銅鐵鎖為項目化學習素材，設置鐵鎖生銹、舊鎖煥顏、保護鐵器三個環節，開展電化學教學，將一類反應——氧化還原反應，兩種裝置——原電池、電解池裝置及其工作原理，一項轉化——一定條件下化學能與電能的相互轉化貫穿前后。該設計適用于高三選考一輪復習中關于電化學的單元教學。

二、教學目標

1.通過觀察鍍銅鐵鎖生銹的外觀，利用原電池原理分析金屬腐蝕原因，構建原電池的模型，建立原電池的系統分析思路，發展宏微結合和模型認知素養。

2.通過設計電鍍池原理圖，進行簡單電鍍實驗操作，感受工業生產中電鍍鋅的流程，形成分析電解池的一般思路和方法，構建電解池模型。通過探究電解池中影響微粒放電能力的因素，形成鍍銅、鍍鋅實驗設計的一般思路，增強科學探究能力。

3.認識常見的和新型的金屬防腐方法，體會化學對人類社會進步的貢獻，增強社會責任意識。

三、教學思路

綜合新課標對“電化學”的學業質量水平要求、歷年高考題對“電化學”的考查要求、新授課中學生的易錯點，將本節課的內容按照“五線并進”的思路進行設計，如圖1所示。

圖1 “鐵鎖煥顏記”教學設計思路

四、教學過程

學習任務一：探究鐵鎖

【情境引入】前幾天在老家整理東西的時候發現了一個老古董，媽媽的嫁妝箱子，箱子上有把鎖，你們見過這樣的鎖嗎？

【展示】箱子上鎖的照片（見圖2）。

圖2 生銹鐵鎖

【師】我們來觀察一下這個幾十年前的鎖怎么啦？

【生】生銹了。

【問題驅動1】猜測一下這把鎖是什么材質的，你怎么看出來的？

【學生1】從外觀上看是銅，表面有紅棕色的鐵銹，有些地方還有點綠綠的，應該是銅綠，所以是鍍銅的鐵鎖。

【問題驅動2】鍍銅鐵鎖是如何生銹的？

【學生2】鐵表面鍍銅，有破損之后鐵裸露出來，活潑的鐵作負極，銅作正極，在潮濕的空氣中，表面有層水膜，形成電解液，在中性環境中發生吸氧腐蝕。

【表征原理】結合吸氧腐蝕模型（見圖3），把腐蝕原理用化學語言表述出來。

圖3 吸氧腐蝕模型

【學生3板書】：負極Fe-2e-====Fe2+，正極：O2+4e-+2H2O====4OH-，后續：Fe2++2OH-====Fe（OH）2，4Fe（OH）2+O2+2H2O====4Fe（OH）3，2Fe（OH）3====Fe2O3·nH2O+（3-n）H2O

【鏈接真題】（2018 年4 月浙江省選考試題）鋰（Li）-空氣電池的工作原理如圖4所示，下列說法不正確的是（）。

圖4 鋰（Li）-空氣電池工作原理

A.金屬鋰作負極，發生氧化反應

B.Li+通過有機電解質向水溶液處移動

C.正極的電極反應：O2+4e-====2O2-

D.電池總反應：4Li+O2+2H2O====4LiOH

【學生活動】練習，分享。

【總結提煉】原電池模型見圖5。

圖5 原電池模型構建圖

【過渡】我們弄清楚了鍍銅鐵鎖是如何生銹的，那么你有辦法讓這把生銹的鐵鎖重煥新顏嗎？

學習任務二：銹鎖煥顏

【問題驅動3】我們先要有個計劃，大家來設計一下畫個圖紙，如何把銹鎖換個新面貌，注明圖標。

【圖紙設計】畫電鍍裝置圖6，并討論兩電極的材料。

圖6 電鍍設計圖

【儀器及藥品】電解槽，生銹鍍銅鐵鎖，導線，銅片，砂紙，直流電源，燒杯，1.0 mol/L NaOH 溶液，20%鹽酸，蒸餾水，1.0 mol/L硫酸銅溶液，蒸餾水。

【分組實驗1】打磨鐵鎖表面銹斑，堿洗，水洗，組裝電解池，銅片連電源正極，鐵鎖連電源負極，用1.0 mol/L 硫酸銅溶液作電解液，接通電源，電鍍銅。

【成果展示評價】1.0 mol/L 硫酸銅溶液作電解液電鍍析出的銅表面厚薄不均勻，表面有坑坑洼洼的現象，顏色有深淺，見圖7。

圖7 硫酸銅溶液作電鍍液時表面鍍銅的鎖殼

【引導提示】閱讀2019 年版人教版化學選擇性必修1 化學反應原理第122 頁注釋內容，將電解液換成1.0 mol/L銅氨溶液。

【分組實驗2】打磨鐵鎖表面銹斑，堿洗，水洗，組裝電解池，銅片連電源正極，鐵鎖連電源負極，組裝電解池，用1.0 mol/L銅氨溶液作電解液，接通電源，電鍍銅。

【成果展示評價】1.0 mol/L銅氨溶液作電解液電鍍銅，鍍層厚薄均勻，更平整，更光亮，效果更好，見圖8。

圖8 銅氨溶液作電鍍液時表面鍍銅的鎖殼

【問題驅動4】剛才分組實驗過程中，有一個小組的同學把電源正負極接錯了，有何后果？

【學生4】陽極的鐵鎖慢慢溶解，另一極銅棒變粗，析出銅單質。

【整理總結】放電順序：

①陽極：活性電極（除Pt、Au、石墨）＞S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根離子；

②陰極：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋（酸）＞Pb2＋＞Sn2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋（水）＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca2+＞K+

【追問】H＋為何要區分酸中和水中？

【學生5】濃度不同。

【解釋】很好，濃度也是影響離子放電能力的一個因素。

【問題驅動5】鍍銅鐵鎖久置還是會生銹（特別是有破損時），你還能想到鍍什么效果會更好嗎？

【學生6】鍍鋅。

【儀器及藥品】電解槽，生銹鍍銅鐵鎖，導線，鋅片，砂紙，直流電源，燒杯，1.0 mol/L NaOH 溶液，20%鹽酸，蒸餾水，堿性鍍鋅液（8.1 g 氧化鋅固體和120 g氫氧化鈉固體配成1 L溶液），蒸餾水。

【分組實驗3】組裝電解池，鍍鋅，學生展示成果并進行評價。

【展示評價】剛鍍出來很光亮，表面呈現銀白色光澤，但是鍍鋅件放在空氣中一會兒表面出現黑點，見圖9。

圖9 鍍鋅層表面的黑點

【問題驅動6】為何會出現這種現象？工業上如何提高電鍍鋅的質量？

【資料卡】依據電鍍液成分不同，國內工業鍍鋅常有以下四種類型：

①氰化物鍍鋅：此工藝電鍍產品質量好。由于氰根離子的劇毒性，環境保護部門嚴格限制電鍍鋅中氰化物的使用，要求改進工藝，使用無氰或微氰電鍍液。

②鋅酸鹽鍍鋅：基于氧化鋅的兩性，氧化鋅溶解于氫氧化鈉溶液生成的鋅酸鹽作電鍍液，pH 控制在12.5～13之間。此工藝，鍍層耐腐蝕性好，常應用于彩色鍍鋅。

③氯化物鍍鋅：應用較為廣泛的一種工藝。鈍化后鍍層質量與鍍鉻幾乎相同，可以鋅代鉻，尤其在外加水溶性清漆后，一般人難于區分鍍鋅、鍍鉻工藝質量。

④硫酸鹽鍍鋅：適合連續操作電鍍，如帶材、線材、簡單粗大型零部件，此工藝成本較低，經濟實用。

【總結提煉】電解池模型見圖10。

圖10 電解池模型構建圖

【鏈接真題】（2022 年北京選考試題）利用下圖裝置進行鐵上電鍍銅的實驗探究，下列說法不正確的是（）。

裝置示意圖序號images/BZ_41_208_1649_504_1883.png電解質溶液①0.1 mol/L CuSO4+少量H2SO4②0.1 mol/L CuSO4+過量氨水實驗現象陰極表面有無色氣體，一段時間后陰極表面有紅色固體，氣體減少，經檢驗電解液中有Fe2+陰極表面未觀察到氣體，一段時間后陰極表面有致密紅色固體。經檢驗電解液中無Fe元素

A.①中氣體減少，推測是由于溶液中c（H+）減少，且Cu覆蓋鐵電極，阻礙H+與鐵接觸

B. ①中檢測到Fe2+，推測可能發生反應

C. 隨陰極析出Cu，推測②中溶液c（Cu2+）減少，平衡逆移

D.②中Cu2+生成［Cu（NH3）4］2+，使c（Cu2+）比①中溶液的小，Cu緩慢析出，鍍層更致密

【學生活動】練習分享

岸田俊子和丈夫中島信行與1884年結婚，婚后在同年星享主編的《自由的燈》發表《高同胞姐妹書》強調男尊女卑是野蠻的，男女之間應該互相憐愛。1894年，在中島出使意大利期間，充分發揮了賢內助的作用。

【總結提煉】真實的情境中不僅要考慮微粒氧化性或還原性強弱引起的反應先后，也要注意粒子濃度大小引起的反應先后，Cu2+形成［Cu（NH3）4］2+后，雖然氧化性有減弱，但是由于穩定性強，［Cu（NH3）4］2+濃度大，所以由［Cu（NH3）4］2+得電子變銅單質緩慢吸附在陰極上，鍍銅更致密，上題中C的平衡是正向移動的。

學習任務三：保護鐵器

【問題驅動7】除了鍍銅、鍍鋅，我們還有何辦法保護鐵器？結合展示的圖片：大海上航行的海輪，船用外加電流陰極保護裝置，船用防腐鋅塊等，談談你的想法。

【學生7】海船艷麗的外殼是涂上了油漆，我們可以用上漆、涂油、鍍層等方法將鐵器與水、空氣隔絕防銹。

【學生8】外加電源法將船體接在電源負極作陰極保護起來防止生銹，這是利用電解池原理。

【學生9】船用防腐鋅塊是利用原電池原理，讓鋅塊作負極，船體作正極，也叫犧牲陽極法。

【學生10】還可以改變金屬內部結構，如不銹鋼，我們國家正在研究海船耐蝕鋼。

【拓展視野1】達克羅工藝：以鋁粉、鋅粉等為主要成分，經特殊處理而成的新型防腐涂料。相比傳統的電鍍鋅工藝，涂覆過程中不會有氫脆現象發生，產品耐腐蝕性強，是鍍鋅工藝的7～10倍，對高強度構件和螺栓的表面防腐處理特別適用。此外，其優點還有鍍膜均勻，有良好的化學穩定性和耐熱性等。此工藝廣泛應用于電力設備，汽車工業，家用電器，五金及標準件，鐵路、橋梁、公路等多種領域，是當今世界金屬表面處理的一種高新技術。

【拓展視野2】氫脆：在電鍍過程中，不能及時快速釋放出電極反應產生的氫，氫原子向金屬中缺陷附近擴散，室溫時在缺陷處氫原子結合成氫分子，氫分子不斷聚集，從而產生巨大的內壓力，使金屬發生裂紋。氫脆的危害很大，歷史上曾由于氫脆現象，一艘大型郵輪突然斷成兩截，部分旅客葬身大海，釀成重大安全事故。

【素養提升】展示氫脆的危害，提升科學態度與社會責任素養。

【課堂小結】這節課我們跟著一把生銹的鐵鎖，走過了鍍銅鍍鋅的實踐操作，建立了原電池和電解池的兩大模型，探索了保護鐵器的各種方法。

五、教學反思

1.創設真實情境，發展核心素養

真實、具體的問題情境是發展學生核心素養的重要載體。本節課圍繞“鐵鎖生銹、銹鎖煥顏及鐵器保護”三個核心問題的解決，通過形式多樣的學習活動，復習鞏固原電池原理及電池反應、電解池原理及電解池反應、金屬的腐蝕與防護等內容的化學知識，讓學生在活動中經歷探究學習、合作學習、深度學習與拓展學習的學習進階，訓練學生思維，構建結構化的電化學知識體系和認知模型。

2.重視實驗探究，發揮實驗功能

復習課一般少有實驗的環節，更鮮有學生分組實驗的流程。在實驗中盡可能讓學生分組完成或進行探究性實驗，這樣不至于將實驗演變成按照書上的要求照方抓藥的無效行為。本節課引導學生利用電解原理將生銹鐵鎖改頭換面的實驗，觀察電鍍過程中的各種細節，掌握電化學知識的本質，認識工業上如何提高電鍍鋅產品的質量，將局限較大的實驗操作延伸到工業生產。通過學生分組實驗，幫助學生理解和掌握化學知識與技能，訓練學生的科學思維和科學方法，培養學生的科學態度和價值觀，彰顯化學實驗的育人功能，從而發展學生化學核心素養。

3.通過項目拆分，轉變學習方式

項目化學習作為發展學生核心素養的重要課程和教學方法，越來越受到廣大一線教師的重視。為了提高課堂實效，項目化學習要有明確的階段化目標，課前有項目主目標（鐵鎖復原）；在教學實施過程中對項目主目標進行拆解，制定具體的項目規劃次目標：（鎖的材質是什么？為什么會生銹？怎樣讓其復原？）；引導學生自主學習，合作探究，分組實驗，回顧所學知識，設計電鍍裝置，利用電化學知識來解決問題。項目終端要有產品展示（復原的鐵鎖成品怎樣？），評價交流（鍍銅鍍鋅的成品展示，實際工廠里是怎樣鍍鋅的？）。項目化學習作為學科實踐的重要形式，學生在完成真實、具體的項目中，從被動學習走向主動學習，從簡單、機械的學習走向基于豐富實踐的學習，發展了學生化學學科實踐能力。