基于數字技術的 “金屬的腐蝕與防護”實驗教學探究

化學反應原理是高中化學的核心內容，其教學效果直接影響學生對學科的理解和核心素養的形成。然而，傳統教學模式在面對抽象的電化學原理時，往往因實驗現象不明顯、數據采集手段匱乏而難以深人理解微觀反應機理與宏觀現象之間的聯系。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）明確指出，注重發揮現代信息技術的作用，積極探索現代信息技術與化學實驗的深度融合[1]。因此，本研究以“金屬的腐蝕與防護”為例，探索數字化實驗在化學教學中的應用價值，旨在通過數字化技術實現腐蝕反應的原位監測與動態表征，構建數據驅動的科學探究模式，促進學生高階思維的發展，并培養學生對學科社會價值的認同。

一、難點與挑戰

傳統金屬腐蝕教學中存在諸多挑戰，這些挑戰不僅限制了學生對電化學原理的深入理解，還影響了他們科學探究能力的發展。首先，金屬腐蝕是一個緩慢的過程，傳統課堂難以在有限時間內完整演示腐蝕的全過程。例如，鐵釘在潮濕空氣中生銹通常需要數天，教師只能展示預先準備好的生銹物品，學生因此缺乏對腐蝕進程的直觀感受。其次，傳統實驗缺乏有效的實時數據采集手段，學生無法獲取動態數據，難以進行定量分析。這使得學生在理解金屬腐蝕過程時，只能依賴于靜態的觀察，難以深入探究腐蝕過程中的微觀變化。此外，學生的認知發展也受到限制。由于缺乏直觀的實驗現象和動態數據支持，學生很難將原電池原理與金屬腐蝕過程有機結合，往往只能停留在對反應原理的機械記憶層面。最后，傳統教學中對金屬防護方案效果的量化分析不足。教師在講解金屬防護方法的有效性時，通常只能進行定性描述，學生無法基于定量數據來評價金屬防護方案的優劣，難以形成科學的評價思維。這些難點不僅影響了學生對金屬腐蝕原理的理解，而且限制了他們在解決實際問題時的思維深度和廣度。因此，亟須引人新的教學方法和技術，以突破傳統教學的局限，提升學生的科學素養和實踐能力。

二、教學設計

（一）基于數字化實驗的教學目標設計

“金屬的腐蝕與防護”一課位于人教版化學教材選擇性必修1《化學反應原理》第四章“化學反應與電能”的第三節，課標對本主題提出明確要求：學生能利用電化學原理解釋金屬腐蝕現象，選擇并設計防腐措施；建議開展吸氧腐蝕探究活動；要求學生運用化學知識分析生產生活中的簡單問題，認識化學對可持續發展的貢獻，能用化學符號表征物質轉化，選擇合適試劑和儀器，控制實驗條件，收集并描述實驗證據，基于現象和數據得出結論[2，具有豐富的知識素養功能（見表1）。

根據以上分析，結合高二學情，確定本節課的教學目標和評價目標（見表2），借助數字化技術開發吸氧腐蝕和析氫腐蝕實驗探究活動，發揮其教學價值，充分挖掘課程素養發展價值。

（二）明確教學思路

真實情境素材是培養學生科學思維的關鍵要素[3]。本節課以實驗室中鐵架臺腐蝕為情境，引發“鐵架臺為何腐蝕”“如何防止腐蝕”等問題，激發學生探究欲。學生在動態學習情境中，圍繞真實問題設計實驗方案，借助數字化技術探究鋼鐵腐蝕微觀原理并進行符號表征，進而設計并評價金屬防護方案。在此過程中，學生自主運用創新、觀察、分析、推理等高階思維，提升科學探究能力，發展社會參與意識，凸顯化學學科價值，培養化學學科核心素養。

表1“金屬的腐蝕與防護”的知識素養功能

表2“金屬的腐蝕與防護”的教學目標與評價目標

（三）數字技術支持的“雙腐蝕”實驗創新設計

1.利用手持技術賦能實驗探究過程

數字化實驗兼具傳統實驗的真實性和可操作性，可彌補傳統實驗不足，拓寬學生實踐領域[4。為解決傳統“吸氧腐蝕”“析氫腐蝕”實驗過程緩慢、現象不明顯等問題，本節課借助壓強傳感器、數據采集器等實驗器材，設計微型化、綠色化、數字化的新型實驗裝置，具體探究過程如下。

（1）探究鐵架臺在潮濕空氣中生銹的原因

學生猜想：潮濕空氣中，鋼鐵表面形成水膜，鐵和少量碳構成原電池，鐵作負極，氧氣作正極。為了驗證上述猜想，學生在教師指導下開展數字化實驗：將 5mL 飽和食鹽水和鐵釘放入食品塑料包裝中，用膠帶連接傳感器，形成密閉體系（如圖1）。學生借助數據采集器實時監測氧氣壓強變化并記錄數據，生成氧氣壓強變化圖像。圖像顯示氧氣壓強下降，表明氧氣被消耗，鐵釘在中性環境中發生吸氧腐蝕。

（2）探究位于稀鹽酸試劑瓶附近的鐵架臺生銹的原因

學生猜想：在潮濕酸性空氣中，鋼鐵表面形成酸性水膜，鐵和碳構成原電池，鐵作負極， H⁺ 作正極。為驗證該猜想，學生將鐵釘放人注射器A，與三通閥相連；注射器B吸入 5mL 稀鹽酸，與三通閥M相連；數據采集器、相對壓強傳感器、三通閥N依次相連（如圖2）。

圖1探究“鐵架臺在潮濕空氣中生銹的原因”的實驗裝置及氧氣含量變化曲線

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圖2探究“位于稀鹽酸試劑瓶附近的鐵架臺生銹的原因”的實驗裝置及相對壓強變化曲線

學生在教師指導下操作：旋轉三通閥N，使反應體系與相對壓強傳感器連通；保持三通閥M連通注射器A和B；推動注射器B活塞，將鹽酸注入注射器A，同時旋轉三通閥M，使注射器A與相對壓強傳感器連通，實時監測壓強變化并記錄數據，生成曲線。曲線呈上升趨勢，表明體系內壓強增大，推斷酸性環境下發生析氫腐蝕。

數字化實驗裝置突破傳統實驗的局限，充分發揮數據采集器的優勢，將金屬腐蝕宏觀現象轉化為動態數據曲線，為學生分析推理提供數據支撐，突破傳統教學的難點。

2.利用數字技術豐富評價方式

本節課，教師設置了多元評價主體的師生互評、生生互評環節和多元評價方式的定性評價實驗方案、定量評價實驗方案環節（如圖3、圖4）。

圖3探究“鐵架臺在潮濕空氣中生銹的原因”的實驗裝置及組間評價結果

圖4探究“位于稀鹽酸試劑瓶附近的鐵架臺生銹的原因”的實驗裝置及組間評價結果

例如，在評價防腐措施有效性時，學生利用圖3裝置做對比實驗，借助氧氣壓強傳感器測量氧氣壓強變化幅度，判斷吸氧腐蝕速度，借助數據分析評估方案有效性，提升評價科學性和準確性，同時培養學生證據意識和嚴謹態度。此外，引導學生利用數字化工具進行形成性評價，如在組間評價小組方案時，針對裝置氣密性提出建議，借助數字化工具開拓實驗實踐新思路（如圖5）。

三、教學反思與總結

在高中化學教學不斷革新的圖5背景下，數字化技術逐漸成為教師優化教學的重要工具。數字化化學實驗相較于傳統實驗，能為化學教學注人更多活力。

（一）數據采集與分析：精準度與效率的飛躍

數字化實驗借助數字化傳感器和數據采集系統，能夠實現對實驗數據的實時、精確采集。在傳統金屬腐蝕實驗中，使用壓強傳感器可以連續、自動地記錄反應過程中容器內壓強的變化，數據采集頻率可達到每秒，能夠精準捕捉到反應過程中極細微的變化。同時，采集到的數據可以傳輸至計算機進行分析處理，生成直觀的圖表，大幅提高了數據處理的效率。此外，數字化實驗的數據和圖像可以進行存儲和回放，方便學生多次觀察實驗過程，分析實驗現象和數據的變化規律。教師還可以將不同小組的實驗數據進行整合對比，引導學生分析實驗結果差異的原因，培養學生的科學探究能力和批判性思維。

（二）抽象過程具象化：強化知識理解

交流、展示 批判、質疑 反思、優化第二組展示“吸氧腐 第四組同學對裝置氣密性提出質 第二組同學經過討論蝕”實驗方案：將鐵 疑。該小組同學認為裝置氣密性 與反思后，采納第四 18.1釘與飽和食鹽水裝入 影響了對體系內氧氣含量的測 組同學建議，優化實干凈且干燥的食品塑 量，需要在組裝好實驗裝置后檢 驗步驟，進行補充實料包裝中，用膠帶與 驗裝置氣密性，確認氣密性良好 驗：將裝置連接好氧氣傳感器連接，通 后再進行實驗。 后，置入裝有熱水的 18.4過數字化傳感器采集 大燒杯之中，若數據體系內氧氣壓強的變 采集器顯示的數據增化，若出現氧氣壓強 大，則說明該裝置氣減小的數據變化趨 密性良好。實驗數據 18.7勢，說明在該環境下 如下圖所示。依據數氧氣作正極反應物。 據的變化趨勢，該小組同學判斷裝置氣密性良好，可以進行后續實驗。

教師應發揮數字化實驗價值，基于控制變量思想選擇傳感器，引導學生預測、觀察、捕獲新證據，揭示化學反應原理本質，增進知識理解[5]。例如，學生分析圖2時發現圖像既有上升又有下降趨勢，猜想腐蝕原因是動態變化的，當氫離子濃度大于氧氣濃度時，以析氫腐蝕為主，反之則以吸氧腐蝕為主。教師基于定量分析引導學生建立動態認識思路，避免傳統教學中的片面認識，提升了學生“變化觀念”素養。

筆者開展“金屬腐蝕與防護”案例教學，驗證了數字化實驗在突破教學難點中的獨特優勢，探索了信息技術與化學學科教學深度融合的有效路徑，為同類原理性知識的教學案例優化提供了可復制的實踐模型。合理運用數字化技術不僅可以提升實驗教學的精準度和效率，還能將使抽象過程具象化，強化學生的知識理解，促進高階思維的發展。

注：本文系吉林省教育學會“十四五”2024年度教育科研規劃課題“高中化學創新思維課堂構建與實踐研究”（立項編號：LG240620）和長春市教育科學“十四五”2024年度規劃課題“基于STEM理念的高中化學項目式教學設計研究”（項目編號：JKBLX20241119）的研究成果。

參考文獻

[1][2]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3]周業虹.研究新課標情境素材培養學生科學思維[J].化學教學，2023（4）：23-27.

[4]余平平，周業虹．數字化實驗轉化為情境試題的策略與教學價值：以電解法測定阿伏伽德羅常數為例[J].中小學數字化教學，2024（4）：5-8.

[5]周業虹，靳瑩，劉淑霞，等，信息技術賦能單元教學：化學大單元設計教學評一體化實踐研究[J].中小學數字化教學，2023（11）：57-62.

（作者李志航系吉林省實驗中學備課組長；張冬華系吉林省實驗中學高級教師；貝姣宏系吉林省實驗中學化學教研組組長；趙欣欣系吉林省實驗中學備課組組長）

責任編輯：祝元志