摘要： 文章以“金屬的腐蝕與防護”為例，基于真實情境，借助手持傳感器技術(shù)，按照化學(xué)事實—概念建立—知識價值的層級，探究了金屬電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)和原理，設(shè)計了金屬防護方法。實踐證明，采用常規(guī)實驗和手持數(shù)顯氧氣傳感器相結(jié)合的方式演示實驗，引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度分析宏觀現(xiàn)象并應(yīng)用電化學(xué)反應(yīng)模型調(diào)控腐蝕的發(fā)生，有利于學(xué)生理解化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的過程，感受知識的價值，提高思辨能力，將知識遷移到生產(chǎn)、生活中，達到深度學(xué)習(xí)的效果。

關(guān)鍵詞：化學(xué)教學(xué);實驗探究;傳感器;深度學(xué)習(xí)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》強調(diào)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)?！翱茖W(xué)探究與創(chuàng)新意識”處于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的中心位置?；瘜W(xué)教學(xué)要達到如下目標(biāo)：學(xué)生能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題;能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案;能運用化學(xué)實驗、調(diào)查等方法進行探究。為此，教師需要組織深度學(xué)習(xí)活動，體現(xiàn)知識的教育價值和育人價值。胡久華等人將化學(xué)學(xué)科的深度學(xué)習(xí)界定為：在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，開展以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，從宏微結(jié)合、變化守恒的視角，運用證據(jù)推理與模型認知的思維方式，解決綜合復(fù)雜問題，獲得結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識，建立運用化學(xué)學(xué)科思想解決問題的思路方法，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力，促進化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。筆者以“金屬的腐蝕與防護”為例，基于真實情境，提出探究問題，借助試管實驗和手持傳感器技術(shù)，探究金屬電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)，并利用電化學(xué)模型解釋金屬電化學(xué)腐蝕的原理，設(shè)計金屬防護方法。學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的過程中，學(xué)會學(xué)習(xí)、學(xué)會思考，進而掌握知識的聯(lián)系性、思辨性，達到深度學(xué)習(xí)的效果，真正發(fā)展創(chuàng)新能力和探究思維。

一、教學(xué)內(nèi)容和整體設(shè)計

此次教學(xué)內(nèi)容以人教版高中化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章第三節(jié)“金屬的腐蝕與防護”為基礎(chǔ)。學(xué)生在初中階段，從宏觀角度了解鐵的生銹;高中階段，認識原電池，明確了化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化關(guān)系。學(xué)生學(xué)習(xí)選擇性必修1的知識，需進一步建立原電池和電解池的模型，理解化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)化的過程。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生進一步探究金屬的電化學(xué)腐蝕，通過宏微結(jié)合，闡述金屬腐蝕的原理，能解釋日常生活中的相關(guān)應(yīng)用，提高實驗探究能力和分析解決問題能力。有關(guān)金屬電化學(xué)腐蝕的知識層級如圖1所示。

筆者根據(jù)知識主題和核心內(nèi)容，選擇“暖寶寶”和“脫氧劑”為素材（情境），以實驗探究和小組討論為主要活動方式，通過問題串引領(lǐng)學(xué)生參與學(xué)習(xí)過程，提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，發(fā)展高階思維能力，從而達成深度學(xué)習(xí)的效果。整體設(shè)計思路如圖2所示。

二、教學(xué)設(shè)計與實施

（一）課前學(xué)習(xí)

課前學(xué)習(xí)是整個教學(xué)活動的基礎(chǔ)。課前，教師通過問卷，掌握學(xué)生已有知識基礎(chǔ)和能力水平，引導(dǎo)學(xué)生首先激活舊知，之后自主對新知進行加工，最后將新知納入原有的知識結(jié)構(gòu)中，完成對知識的整體構(gòu)建。具體問題見環(huán)節(jié)1。

環(huán)節(jié)1：課前問卷

（1）以“鐵”為例，描述金屬腐蝕的原理。

（2）應(yīng)用原電池原理、電解原理，能夠防止一塊鋼板（主要含鐵）被腐蝕，請用相應(yīng)的原理圖展示設(shè)計方案。

（3）生活中接觸過“暖寶寶”和“脫氧劑”嗎？從化學(xué)視角，你想了解或研究它們的哪些知識？

資料：“暖寶寶”主要成分：鐵粉、活性炭、水、蛭石（保溫材料）、吸水性樹脂、食鹽。

鐵系脫氧劑主要成分：鐵粉、碳粉、鈉鹽、鹵化物。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生回顧初中有關(guān)金屬腐蝕的知識，為進一步的學(xué)習(xí)作鋪墊。聯(lián)系生活實際，幫助學(xué)生建立化學(xué)知識與實際的關(guān)聯(lián)。

（二）課堂教學(xué)

1.知識體系構(gòu)建

環(huán)節(jié)2：創(chuàng)設(shè)情境 提出問題

問題1：一包“脫氧劑”（含還原性鐵粉）為什么能快速吸收O？一片“暖寶寶”為什么能快速產(chǎn)生大量熱？

【學(xué)生】鐵易被空氣中O氧化，利用該反應(yīng)可以吸收氧氣。產(chǎn)生熱量可能是反應(yīng)放熱。

【教師】鐵生銹需要較長時間，即鐵與空氣中O反應(yīng)較慢。這里是如何讓反應(yīng)快速放熱的呢？

【學(xué)生】分析其成分并利用已有的電化學(xué)知識，猜測是發(fā)生原電池反應(yīng)，從而加快反應(yīng)速率。

問題2：如何證明猜測呢？

【學(xué)生設(shè)想1】不會制作微型原電池。能否用鐵片和石墨棒模擬原電池實驗，觀察鐵片—食鹽水—石墨棒是否能產(chǎn)生電流。

【學(xué)生設(shè)想2】用傳感器測“暖寶寶”或“脫氧劑”反應(yīng)過程中的氧氣含量或者壓強變化。

【實驗活動1】實驗用品：U形管、靈敏電流計、導(dǎo)線、鐵片、石墨棒、食鹽水。

實驗結(jié)果：靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)。

實驗結(jié)論：用鐵片、石墨棒和食鹽水可以組成原電池反應(yīng)。由此推測“暖寶寶”和“脫氧劑”中應(yīng)該發(fā)生了許多微型的原電池反應(yīng)（見表1）。

【實驗活動2】實驗用品：塑料袋、鐵粉、碳粉、食鹽水、手持氧氣傳感器。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生依據(jù)已有知識猜想并驗證（提出假說，驗證假說）。啟發(fā)學(xué)生依據(jù)實驗結(jié)論進行科學(xué)概括，得出金屬腐蝕的電化學(xué)概念，并對比分析，比較電化學(xué)腐蝕與化學(xué)腐蝕的異同：發(fā)生的條件、反應(yīng)的本質(zhì)、是否產(chǎn)生電流等。學(xué)生在動腦動手過程中，主動獲得新知識，并嘗試使用電化學(xué)模型進行科學(xué)探究，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

環(huán)節(jié)3：交流討論，分析原理

問題3 ：上述電化學(xué)腐蝕過程中發(fā)生了什么？

【學(xué)生】依據(jù)原電池組成可知，電極材料是Fe、C，電解質(zhì)溶液是NaCl溶液。實驗發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e失電子被氧化，同時氧氣被還原，可應(yīng)用電化學(xué)模型分析鐵的電化學(xué)腐蝕。

【教師】Fe被氧化的產(chǎn)物是Fe²⁺還是Fe³⁺？O被還原產(chǎn)物又是什么呢？如何檢驗?zāi)兀?/p>

【學(xué)生】氧化產(chǎn)物Fe²⁺還是Fe³⁺？可以用鐵氰化鉀溶液和硫氰化鉀溶液進行檢驗。不清楚O被還原的產(chǎn)物是什么。

【教師】引導(dǎo)學(xué)生分析電解質(zhì)溶液成分，含大量Na⁺、Cl^-、HO和少量H⁺、OH^-。O得電子后，生成O^2-，由于不穩(wěn)定會結(jié)合H⁺，從而促進水電離，生成OH^-。

【實驗活動3】在實驗活動1的基礎(chǔ)上，取負極區(qū)溶液，滴加鐵氰化鉀溶液，有藍色沉淀生成;滴加硫氰化鉀溶液，溶液無明顯現(xiàn)象。取正極區(qū)溶液，滴加酚酞溶液，溶液呈淺紅色。

依據(jù)以上實驗活動，完成電極反應(yīng)式書寫。

負極：Fe-2e^-=Fe²⁺

正極：O+4e^-+2HO=4OH^-

總反應(yīng)：2Fe+O+2HO=2Fe（OH）

【教師】講解：通過吸收氧氣而產(chǎn)生的金屬的電化學(xué)腐蝕，稱作吸氧腐蝕。生活中，鋼鐵表面有疏松的鐵銹，主要成分是FeO。從Fe（OH）到最終的FeO發(fā)生的反應(yīng)是什么。

【學(xué)生】依據(jù)學(xué)過的鐵及其化合物的知識，寫出反應(yīng)式。

4Fe（OH）+O+2HO=4Fe（OH）

2Fe（OH） = FeO+3HO

設(shè)計意圖：依據(jù)先修知識，分析實驗現(xiàn)象，探究“暖寶寶”和“脫氧劑”發(fā)熱原理，讓學(xué)生體會通過合作討論，實驗驗證解決問題的過程。學(xué)生在實驗過程中學(xué)會分析，學(xué)會思考，深入理解金屬吸氧腐蝕的原理。

【教師】提問：上述鐵粉和碳粉混合物中滴入的是NaCl溶液，如果將NaCl溶液換成0.1 mol/L鹽酸，會發(fā)生什么反應(yīng)？微型原電池的兩極反應(yīng)如何表達？這種金屬腐蝕過程如何命名？

【學(xué)生】討論交流：已知Fe+2H⁺= Fe²⁺+ H↑，判斷負極反應(yīng)不變Fe-2e^-= Fe²⁺，正極變成H⁺放電2H⁺+2e^-=H↑。依據(jù)此現(xiàn)象和上述“吸氧腐蝕”，此過程中放出氫氣，可稱為“放氫腐Xxi3F/wNt8q+Iah+aCPQAErytng0AKzp+fFBdhgLW10=蝕”“出氫腐蝕”“析氫腐蝕”等。

【教師】點評與講解：酸性條件下，不斷有H放出的金屬的電化學(xué)腐蝕稱為“析氫腐蝕”?！拔醺g”和“析氫腐蝕”是化學(xué)學(xué)科中的專有名詞，不能用其他同義詞或近義詞替代。

問題4：分析“吸氧腐蝕”和“析氫腐蝕”產(chǎn)生的條件，并討論生活中金屬腐蝕主要發(fā)生哪些腐蝕。

【實驗活動4】實驗步驟：將鐵粉與碳粉混合后滴入不同電解質(zhì)溶液，觀察右側(cè)U形管內(nèi)紅色溶液移動方向（如圖3），判斷發(fā)生腐蝕的類型（裝置左側(cè)可用手堵住，利用手指控制U形管內(nèi)液面上升幅度，防止液面倒吸入瓶內(nèi)或者溢出）。

實驗現(xiàn)象：①中U形管內(nèi)液面向右上移，瓶內(nèi)有大量氣泡生成。②中U形管內(nèi)液面先向右上移一小段，后逐漸回移，再向左上移。③中U形管內(nèi)液面向左上移。④中U形管內(nèi)液面向左上移。

分析討論：在其他條件相同的情況下，酸性較強的鹽酸中，主要發(fā)生析氫腐蝕，產(chǎn)生H并釋放熱量，使體系內(nèi)壓強增大，造成U形管內(nèi)液面向右上移;酸性較弱的鹽酸中，開始可能發(fā)生析氫腐蝕，隨著酸性的減弱，后發(fā)生吸氧腐蝕，使體8Kc+fROYGFudbaEjEpa0PiEeVnm1rYbpG54l8BV7x4Q=系內(nèi)壓強減小，造成U形管內(nèi)液面向左上移。

【教師】拓展講解：通過以上實驗發(fā)現(xiàn)，吸氧腐蝕在弱酸性、中性和堿性溶液中發(fā)生;在強酸性溶液中以析氫腐蝕為主。從定量的角度研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH≤2時發(fā)生析氫腐蝕，pH=3～4時析氫腐蝕和吸氧腐蝕共存，pH > 4時發(fā)生吸氧腐蝕。日常生活中金屬表面的水膜中會溶解來自大氣中的CO氣體，使水膜呈弱酸性。所以，生活中金屬腐蝕以吸氧腐蝕為主。

設(shè)計意圖：通過知識遷移，得出析氫腐蝕的存在;通過實驗對比，讓學(xué)生從物理角度和化學(xué)角度得出析氫腐蝕和吸氧腐蝕發(fā)生的條件，培養(yǎng)宏觀辨識與微觀探析的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.知識遷移應(yīng)用

問題5：通過以上學(xué)習(xí)，金屬腐蝕可能造成危害，也可能改善人們的生活?！芭瘜殞殹焙汀懊撗鮿钡膽?yīng)用是從什么角度利用了金屬腐蝕的？

【學(xué)生】“暖寶寶”是利用金屬的電化學(xué)腐蝕過程中能量的變化，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能?！懊撗鮿笔抢媒饘俚碾娀瘜W(xué)腐蝕過程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，吸收氧氣。

問題6：利用原電池原理和電解原理能夠防止一塊鋼板（主要含鐵）被腐蝕，請用相應(yīng)的原理展示設(shè)計方案。

【學(xué)生】合作討論：利用原電池原理可防止鋼板被腐蝕，連接一塊活潑性比鐵強的金屬。根據(jù)電解池原理，將鋼板與直流電源的負極相連。

在教師指導(dǎo)下，學(xué)生畫出原理示意圖。

【教師】高等化學(xué)中界定：有電子輸出，發(fā)生氧化反應(yīng)的一極稱為陽極;有電子流入，發(fā)生還原反應(yīng)的一極稱為陰極。所以利用原電池防止某金屬腐蝕，其名稱為“犧牲陽極法”。

設(shè)計意圖：相同的化學(xué)反應(yīng)既能給社會造成危害，也能給人類帶來便利，還能利用原理防止金屬腐蝕的發(fā)生。學(xué)生感受到化學(xué)的魅力和作用，認識到只有深入學(xué)習(xí)，才能充分利用化學(xué)改善人類生活，促進社會發(fā)展。

三、教學(xué)反思

（一）利用手持傳感器探究實驗本質(zhì)

手持數(shù)顯氧氣傳感器簡單易操作。教師用手持設(shè)備輔助完成探究實驗，讓學(xué)生切實感受到加入碳粉加快了鐵與氧氣的反應(yīng)速率，有利于學(xué)生理解金屬的電化學(xué)腐蝕原理。借助傳感器實驗探究現(xiàn)象背后的本質(zhì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識，激發(fā)他們探尋真理的興趣。

（二）轉(zhuǎn)換認識事物的角度

對于此課例的教學(xué)設(shè)計，以往多是由金屬腐蝕的危害引入，探究腐蝕的原理，再探討金屬防護。筆者從日常用品“暖寶寶”和“脫氧劑”入手，探究腐蝕的原理，再應(yīng)用腐蝕原理調(diào)控腐蝕的發(fā)生。筆者設(shè)計實驗讓學(xué)生感受到，金屬腐蝕會帶來危害，而理解其腐蝕原理，不僅可以調(diào)控腐蝕的發(fā)生，而且能應(yīng)用到生產(chǎn)生活，造福于人類。

（三）從能量觀、微粒觀及反應(yīng)觀三方面理解并應(yīng)用金屬的電化學(xué)腐蝕

筆者采用常規(guī)實驗（宏觀現(xiàn)象）和手持數(shù)顯氧氣傳感器（微觀探析）相結(jié)合的方式，演示鐵粉和碳粉混合與鐵粉對比實驗，引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度分析宏觀現(xiàn)象（微粒觀）。教師引導(dǎo)學(xué)生利用鐵的吸氧腐蝕（反應(yīng)觀）做脫氧劑，利用反應(yīng)的能量變化（能量觀）做“暖寶寶”，利用電化學(xué)反應(yīng)模型調(diào)控腐蝕的發(fā)生，有利于學(xué)生感受知識的價值，將知識遷移到生產(chǎn)、生活中。

（作者系北京市第九中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志