融合工程思維的電化學(xué)腐蝕及防護教學(xué)研究

摘要 聚焦在真實情境中解決化學(xué)問題，以港珠澳大橋為例，通過調(diào)研環(huán)境、分析不同部位腐蝕差異，研究防腐措施和創(chuàng)新應(yīng)用，設(shè)計驅(qū)動性問題，培養(yǎng)學(xué)生運用電化學(xué)知識和工程思維解決金屬腐蝕與防護問題的能力，促進深度學(xué)習(xí)。同時，結(jié)合工程情境中的思政元素，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會責任。

關(guān)鍵詞 工程思維 電化學(xué) 金屬腐蝕與防護 港珠澳大橋

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》強調(diào)，讓學(xué)生在真實生活情境中解決化學(xué)問題，深度學(xué)習(xí)則基于問題、探究、合作與反思，激發(fā)深度思維。化學(xué)與工程實踐是化學(xué)學(xué)科的重要組成部分，創(chuàng)設(shè)工程實踐情境有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維、系統(tǒng)性思維、權(quán)衡性思維、價值性思維、雙贏思維等工程思維[1]。以“初探港珠澳大橋長壽秘訣”為例，應(yīng)用電化學(xué)知識解決真實問題，融合工程思維，感悟化學(xué)知識的社會價值，增強社會責任感。

一、學(xué)習(xí)目標設(shè)計

1.通過分析大橋所處的海洋環(huán)境，實驗探究海洋環(huán)境下鋼鐵腐蝕原理，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)。

2.通過電化學(xué)模型，系統(tǒng)分析鋼鐵腐蝕原因，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)。

3.結(jié)合金屬電化學(xué)腐蝕原理，歸納金屬防護措施，構(gòu)建防護模型。了解港珠澳大橋防腐措施和技術(shù)創(chuàng)新，感受化學(xué)在工程中的應(yīng)用，認識科學(xué)思維與工程思維融合對解決工程難題的作用，樹立科學(xué)觀，提升民族自豪感，增強科技強國使命感，發(fā)展“科學(xué)態(tài)度與社會責任”素養(yǎng)。

二、項目任務(wù)拆解

工程問題涉及多個學(xué)科，情境復(fù)雜，需教師篩選、優(yōu)化、重構(gòu)后，拆分為學(xué)習(xí)任務(wù)。“港珠澳大橋長壽秘訣”的教學(xué)流程設(shè)計，如圖1所示。教學(xué)圍繞“調(diào)研環(huán)境探析原理—不同部位腐蝕差異—防腐措施創(chuàng)新應(yīng)用—建構(gòu)金屬電化學(xué)腐蝕與防護模型”等核心任務(wù)，關(guān)聯(lián)氧化還原、離子反應(yīng)、電化學(xué)等知識，設(shè)計驅(qū)動性問題，結(jié)合電化學(xué)與工程思維，解決金屬腐蝕與防護問題，幫助學(xué)生系統(tǒng)探析腐蝕原理、了解腐蝕差異、創(chuàng)新防護方法，從而增強科技強國的使命感。

三、教學(xué)實施過程

[情境導(dǎo)入]港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海和澳門的大型跨海通道。大橋是世界最長的跨海連線工程，工程的設(shè)計使用年限為120年。[2]

[師]海水中含有大量的鹽，對鋼筋、混凝土等都有腐蝕性。

問題：在工程上，金屬腐蝕有幾種原因呢？如何進行防腐呢？

設(shè)計意圖：創(chuàng)設(shè)真實工程情境，激發(fā)學(xué)生興趣，通過問題啟示本節(jié)課的核心內(nèi)容，即通過港珠澳大橋的工程建設(shè)實踐，了解金屬腐蝕的危害，理解金屬電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)，探索防止金屬腐蝕的措施。

（一）任務(wù)一：探析金屬腐蝕原理

[師]港珠澳大橋是跨海大橋，海洋環(huán)境對其壽命有著重要影響。

問題：常見的金屬腐蝕有幾種類型？

[生]析氫腐蝕和吸氧腐蝕。

[師]海洋環(huán)境的特征是什么呢？

[生]含有大量的鹽。

追問：海水中含有大量鹽，說明海水是中性環(huán)境。在中性環(huán)境下，會發(fā)生析氫腐蝕還是吸氧腐蝕呢？

[師]請同學(xué)們根據(jù)提供的實驗器材和試劑，按實驗方案進行探究，完成表格。

實驗?zāi)康模鹤C明鐵-碳合金在氯化鈉溶液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并檢驗兩極產(chǎn)物。

實驗儀器和試劑：鐵片、碳棒、3.6%NaCl溶液、酚酞、K3[Fe（CN）6]溶液、電流表、導(dǎo)線等。

學(xué)生活動：學(xué)生進行實驗探究，記錄實驗現(xiàn)象，并分析實驗結(jié)果。某學(xué)生完成表格情況，如圖2所示。

[生]在海洋環(huán)境中，主要發(fā)生吸氧腐蝕。

設(shè)計意圖：通過簡單的鐵-氯化鈉溶液-碳構(gòu)成的原電池模型實驗，結(jié)合實驗操作與手持技術(shù)，深入探析吸氧腐蝕原理。發(fā)展學(xué)生實驗設(shè)計、變量控制和證據(jù)推理能力。

（二）任務(wù)二：真實情境下金屬腐蝕類型

[師]在海洋中，橋樁金屬發(fā)生腐蝕的原因多種多樣。

問題1：閱讀資料1、資料2、資料3、資料4，橋樁金屬發(fā)生腐蝕的原因有哪些？

[資料1]潮差區(qū)是指平均高潮位與平均低潮位之間的區(qū)段，金屬表面與含氧充分的海水周期性地接觸，引起腐蝕。潮差區(qū)的腐蝕是氧濃差電池的作用。潮差段供氧充分，成為陰極，受到一定程度的保護，腐蝕減輕。低潮位以下全浸區(qū)供氧相對較少，成為陽極，腐蝕加速，如圖3所示。

[資料2]海水中含氧量差異導(dǎo)致鋼管中鐵的負電荷密度變化。水面以上氧氣充足，氧氣的還原反應(yīng)較為迅速，電子被中和，負電荷密度降低；水面以下氧氣少，負電荷密度幾乎不變。利用物質(zhì)由高濃度向低濃度自發(fā)擴散的能量，易形成氧濃差電池，如圖4所示。

[資料3]鋼鐵鈍化膜破損后，Cl-會集中于鋼鐵表面的很小范圍，并深入到金屬內(nèi)部而加速腐蝕，這種腐蝕稱為點蝕或孔蝕，如圖5所示。

[資料4]海泥中存在大量厭氧菌，如硫酸鹽還原菌（SRB），微生物腐蝕鋼鐵的過程，如圖6所示。

[生]金屬腐蝕的原因有海水潮差變化、金屬間相互接觸、金屬表面破損及微生物等。

問題2：金屬腐蝕主要有幾種類型？

[生]主要有潮差水位處腐蝕、縫隙腐蝕、點蝕和微生物腐蝕等。

問題3：四種腐蝕的原理分別是什么？

[生]潮差水位處腐蝕和縫隙腐蝕主要是由氧氣濃度不均勻造成的。其原理是吸氧腐蝕，正極反應(yīng)式為：O2+2H2O+4e-=4OH-；負極反應(yīng)式為：Fe－2e-=Fe2+。

[生]點蝕是由于鋼鐵鈍化膜破損后，鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕，Cl-向負極定向移動，金屬內(nèi)部氯離子濃度增大，F(xiàn)eCl2水解成酸性，進一步加快腐蝕。

[生]微生物腐蝕。負極：Fe－2e-=Fe2+，與水中的OH-作用：Fe2++2OH-=Fe（OH）2↓。正極：SO42-+8e-+8H+=S2-+4H2O，繼續(xù)與Fe2+作用：Fe2++S2-=FeS↓。Fe（OH）2和FeS覆蓋在鋼管樁表面，加快腐蝕。

設(shè)計意圖：結(jié)合真實工程情境，讓學(xué)生了解橋梁腐蝕的常見類型。從電化學(xué)思維模型角度，理解不同情境下的金屬腐蝕原理，學(xué)以致用。

（三）任務(wù)三：揭秘港珠澳大橋長壽秘訣

[師]為了延長港珠澳大橋的使用壽命，在建設(shè)時，工程師們采取了多種防護措施。

[視頻播放]揭秘港珠澳大橋長壽的秘訣。

問題：根據(jù)視頻中的信息，工程師們采取了哪些防腐措施？

[生]第一，在金屬表面做涂層，防止金屬與水、空氣、微生物等接觸。第二，外加電流陰極保護法，建造橋梁的金屬做陰極。第三，使用添加鎘和鎳元素的不銹鋼，形成致密的氧化膜。

追問：根據(jù)引起金屬腐蝕的原因，工程上采取了哪些針對性措施？舉例說明。

[生]潮差水位處腐蝕和縫隙腐蝕是利用致密氧化膜和隔絕空氣的涂層。

[生]點蝕的主要原因是氯離子滲透導(dǎo)致，因此選擇了防止氯離子滲透的涂層。

[生]在打樁時，在樁內(nèi)壁做涂層來隔絕硫酸鹽還原菌，防止微生物腐蝕。

設(shè)計意圖：根據(jù)視頻歸納港珠澳大橋的防腐措施，培養(yǎng)歸納概括能力。

（四）任務(wù)四：建構(gòu)金屬電化學(xué)腐蝕與防護模型

[師]在工程上，電化學(xué)腐蝕是影響工程質(zhì)量和壽命的重要因素之一。根據(jù)任務(wù)一、任務(wù)二和任務(wù)三，師生共同繪制金屬電化學(xué)腐蝕與防護的思維模型，如圖7所示。

設(shè)計意圖：運用金屬腐蝕原理，破壞腐蝕條件，構(gòu)建金屬防腐和防護思路及模型。設(shè)計港珠澳大橋鋼鐵防腐蝕方案，與科學(xué)家的設(shè)計相對照，體會化學(xué)在解決工程問題中的價值。初步形成“理論—實驗—工程應(yīng)用”的工程思維。

四、教學(xué)反思

本項目以港珠澳大橋防腐秘訣的探究為例，圍繞大橋防腐開展課堂學(xué)習(xí)，形成“情境導(dǎo)入—明確任務(wù)—理論分析—實驗驗證—工程應(yīng)用”的深度學(xué)習(xí)模型。學(xué)生在工程案例中，通過系統(tǒng)思考、對比權(quán)衡、交流討論等活動，分析工程問題，深度學(xué)習(xí)金屬電化學(xué)腐蝕原理及防腐措施，培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)和工程思維。課堂內(nèi)容豐富，既有實驗探究，又關(guān)注學(xué)生多重認知建構(gòu)與診斷評價。實現(xiàn)知識傳授、能力提升、思維培養(yǎng)和素養(yǎng)發(fā)展，為培養(yǎng)新時代科技人才奠定基礎(chǔ)。

基于真實情境進行化學(xué)學(xué)科知識復(fù)習(xí)是促進核心素養(yǎng)發(fā)展的重要策略。創(chuàng)設(shè)貼近生活、貼近社會發(fā)展的真實情境，可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在解決真實問題過程中，學(xué)生能夠感受知識的社會價值，初步形成科學(xué)思維、社會責任和科學(xué)態(tài)度。

[參考文獻]

[1]鄒國華，劉帥，蔡小蔓等.化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)工程思維：內(nèi)涵、必要性及實現(xiàn)途徑[J].化學(xué)教學(xué)，2020（8）：3-6+11.

[2]王吉云.港珠澳大橋島隧工程沉管隧道施工新技術(shù)介紹[J].地下工程與隧道，2011（1）：22-26+53.

（責任編輯：姜顯光）