倪霞

摘要：以鋼鐵的腐蝕為教學(xué)內(nèi)容，通過對(duì)傳統(tǒng)析氫、吸氧腐蝕的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)獲取宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并運(yùn)用手持技術(shù)采集鋼鐵腐蝕過程中的壓強(qiáng)和氧氣濃度變化的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生分析壓強(qiáng)和氧氣濃度變化曲線，從四重表征模式的4個(gè)維度深入認(rèn)識(shí)鋼鐵的腐蝕實(shí)質(zhì)，對(duì)運(yùn)用手持技術(shù)和四重表征相結(jié)合的教學(xué)模式進(jìn)行了小探。同時(shí)應(yīng)用課堂互動(dòng)反饋系統(tǒng)對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行即時(shí)反饋，提高教學(xué)效率，構(gòu)建智慧課堂。

關(guān)鍵詞：手持技術(shù)；鋼鐵腐蝕；四重表征；課堂互動(dòng)反饋系統(tǒng)

一、問題的提出

1.理論背景

2009年，錢揚(yáng)義等人基于手持實(shí)驗(yàn)即時(shí)收集數(shù)據(jù)和自動(dòng)生成曲線的技術(shù)背景，首次提出“曲線表征”的定量分析方法，并將化學(xué)“三重表征”教學(xué)模式發(fā)展為“四重表征”教學(xué)模式（Tetra-Representaion Teaching Model，簡(jiǎn)稱TRTM見表1）。

四重表征教學(xué)模式是在課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)驅(qū)動(dòng)學(xué)生進(jìn)行“四重表征”轉(zhuǎn)換的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、測(cè)量反應(yīng)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，理解微觀層面的信息，并落實(shí)符號(hào)表征，從“四重表征”水平思考問題，尤其是提高對(duì)曲線圖像的理解能力。從而使學(xué)生通過四重表征間的相互轉(zhuǎn)換理解化學(xué)概念、反應(yīng)本質(zhì)和實(shí)驗(yàn)原理。

2.教材分析

鋼鐵的腐蝕是我們現(xiàn)實(shí)生活中常見的腐蝕形式。這部分知識(shí)在日常生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用非常廣泛，所涉及的化學(xué)知識(shí)主要是原電池和電解池的基本原理。人教版、魯科版和蘇教版的教材均在原電池后這一章節(jié)中介紹這一知識(shí)點(diǎn)。蘇教版選修《化學(xué)反應(yīng)原理》教材中先給出析氫和吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)，然后從微觀角度分析鋼鐵電化學(xué)腐蝕原理，再落實(shí)電極方程式。但在具體教學(xué)中，鐵的析氫腐蝕實(shí)驗(yàn)操作不確定影響因素多、現(xiàn)象不明顯，導(dǎo)致這種教學(xué)方法更多關(guān)注的是對(duì)鋼鐵電化學(xué)腐蝕原理的微觀解釋。而學(xué)生在思維上延續(xù)著宏觀思維的方式，從微觀層面上理解鐵的腐蝕尚顯不足，更談不上在曲線圖像層面的能力提高了。

3.研究的問題

本節(jié)課運(yùn)用數(shù)字化手持技術(shù)對(duì)鋼鐵的腐蝕進(jìn)行四重表征教學(xué)，主要解決4個(gè)問題：（1）使用鐵的析氫和吸氧腐蝕的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置；（2）引導(dǎo)學(xué)生分析手持實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖；（3）對(duì)鋼鐵電化學(xué)腐蝕進(jìn)行四重表征；（4）實(shí)現(xiàn)良好的課堂互動(dòng)，及時(shí)反饋并了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)

通過對(duì)鋼鐵的析氫、吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察并對(duì)手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，掌握鋼鐵的析氫、吸氧腐蝕原理，提升實(shí)驗(yàn)操作能力和數(shù)據(jù)分析能力以及化學(xué)研究的熱情。

2.教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

整合本課時(shí)教學(xué)內(nèi)容之間的內(nèi)在聯(lián)系，注重學(xué)生的認(rèn)知和情感的階段性發(fā)展，設(shè)計(jì)了有助于本節(jié)課順利實(shí)施的進(jìn)階學(xué)習(xí)任務(wù)（見表2）。

三、教學(xué)方法和教學(xué)問題的解決

1.運(yùn)用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置，放大宏觀現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)操作：將鐵粉15.5g，碳粉0.2g，混合均勻后，分成兩份分別倒入用氯化鈉溶液潤濕過的小試管和稀醋酸潤濕過的大試管中，按圖安裝好儀器。觀察、比較與大試管相連的U型管a和與小試管相連的u型管b中水柱（藍(lán)色的CuSO4溶液）的變化和試管中的現(xiàn)象。取反應(yīng)后的物質(zhì)，向其分別滴加鐵氰化鉀、酚酞溶液。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：隨著反應(yīng)的進(jìn)行，u型管a中藍(lán)色液面先是左低右高，后慢慢變成左高右低；U型管b中藍(lán)色液面一直為左高右低。在大小試管中都有紅棕色物質(zhì)生成。取大試管反應(yīng)后的物質(zhì)，向其滴加鐵氰化鉀出現(xiàn)藍(lán)色，滴有酚酞的部位無顏色變化。取小試管中物質(zhì)，向其滴加鐵氰化鉀出現(xiàn)藍(lán)色，滴有酚酞的部位呈微紅。

實(shí)驗(yàn)分析：在相同pH條件下（包含強(qiáng)酸性環(huán)境中），鐵的吸氧腐蝕的正極電勢(shì)始終大于析氫腐蝕的正極電勢(shì)，即鐵發(fā)生吸氧腐蝕的熱力學(xué)趨勢(shì)大于析氫腐蝕。因此鐵的吸氧腐蝕在自然界中更普遍，在實(shí)驗(yàn)演示中也更容易成功，析氫腐蝕的實(shí)驗(yàn)往往無明顯現(xiàn)象。這套裝置將析氫腐蝕實(shí)驗(yàn)與吸氧腐蝕放在套管中進(jìn)行，收到不一樣的效果。用小試管插入大試管中，排走空氣，盡量降低氧氣含量。在氧氣量較少的情況下，酸性環(huán)境中，析氫腐蝕暫時(shí)占了上風(fēng)。能觀察到析氫腐蝕現(xiàn)象：液柱向外、氣壓增大的明顯宏觀現(xiàn)象。而明顯的宏觀現(xiàn)象為引導(dǎo)學(xué)生探究鋼鐵腐蝕的原理本質(zhì)以及四重表征奠定了基礎(chǔ)。

2.利用數(shù)字化手持技術(shù)繪制曲線，提升學(xué)生分析曲線能力

手持技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，具有便捷、實(shí)時(shí)檢測(cè)、準(zhǔn)確、直觀顯示、綜合測(cè)定等突出的優(yōu)點(diǎn)。手持技術(shù)是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)施的有效手段。本節(jié)課應(yīng)用手持技術(shù)使得一些原本不顯現(xiàn)的現(xiàn)象更加明顯和可測(cè)。本節(jié)課利用手持技術(shù)分別測(cè)定在密閉體系中中性條件和酸性條件下壓強(qiáng)、氧氣含量隨時(shí)間的變化曲線（如圖2、3、4、5）。

從圖3可以觀察到中性條件下氧氣含量一直在減小，同時(shí)觀察圖2中隨著反應(yīng)的進(jìn)行密閉體系中氣壓也是相應(yīng)減小，說明中性條件下主要為氧氣參與鐵的腐蝕反應(yīng)。

從圖5可以觀察到酸性條件下氧氣含量一直在減?。煌瑫r(shí)觀察圖4中隨著反應(yīng)的進(jìn)行密閉體系中氣壓是先增大，說明在酸性條件下酸和氧氣均參與鐵的腐蝕；密閉體系中氣壓后減小，說明隨著酸性的減弱鐵的腐蝕以吸氧為主。

利用手持技術(shù)繪制氣壓和氧氣含量隨時(shí)間變化的曲線，并引導(dǎo)學(xué)生理解和分析，得出中性條件和酸性條件下鐵的腐蝕的實(shí)質(zhì)。這樣不僅直觀有效理解鐵的腐蝕的實(shí)質(zhì)，而且可以提升學(xué)生分析圖像能力，更為對(duì)鐵的腐蝕進(jìn)行微觀、符號(hào)表征打下基礎(chǔ)。

3.基于四重表征模式分析原理，培養(yǎng)學(xué)生四重表征的思維

在宏觀現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，以實(shí)驗(yàn)曲線為抓手分析相關(guān)變量的變化，同時(shí)緊密聯(lián)系“宏觀-曲線-符號(hào)-微觀”的四重表征，再從微觀角度分析其主要粒子變化，最后落實(shí)符號(hào)信息（見表3）。

4.利用課堂互動(dòng)反饋系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)效果測(cè)查，即時(shí)反饋學(xué)生思維狀態(tài)

課堂互動(dòng)反饋系統(tǒng)是一種以多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代化信息技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在課堂中通過電子載具Pad，全班學(xué)生可以記錄、互動(dòng)、即時(shí)反饋信息給老師的一種教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。本節(jié)課利用課堂互動(dòng)反饋系統(tǒng)，將課堂互動(dòng)貫穿于整節(jié)課中。學(xué)生利用Pad對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、板書和學(xué)案進(jìn)行拍照保存，對(duì)上課內(nèi)容有選擇的進(jìn)行記錄。當(dāng)堂進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，快速得到反饋數(shù)據(jù)。從反饋數(shù)據(jù)可知，學(xué)生對(duì)曲線的分析能力明顯提高，甚至個(gè)別題的正確率高達(dá)100%。

四、教學(xué)反思與建議

1.手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與四重表征教學(xué)模式相結(jié)合

相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)注重從對(duì)宏觀現(xiàn)象的觀察來分析其實(shí)驗(yàn)原理，手持實(shí)驗(yàn)更注重從實(shí)驗(yàn)曲線的角度去分析反應(yīng)原理。本節(jié)課緊密聯(lián)系“宏觀-曲線-微觀-符號(hào)”四重表征，通過手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)形式，探究宏觀現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)，再從微觀角度分析其主要粒子的實(shí)質(zhì)變化，最后落實(shí)符號(hào)表述。在課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)促進(jìn)學(xué)生“四重表征”轉(zhuǎn)換的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生從“四重表征”水平思考問題，尤其是提高學(xué)生對(duì)曲線圖像的理解能力。

2.課堂互動(dòng)反饋系統(tǒng)與課堂教學(xué)相結(jié)合

基于Pad課堂互動(dòng)反饋系統(tǒng)可以對(duì)學(xué)生的選擇做出即時(shí)統(tǒng)計(jì)，并將結(jié)果以視覺化圖表等多種形式反饋在Pad上。在實(shí)際課堂中，教師可以設(shè)計(jì)前測(cè)，學(xué)生通過Pad參與測(cè)試，讓教師快速了解全班學(xué)生的基本情況。上課時(shí)，簡(jiǎn)單的習(xí)題檢測(cè)讓教師隨時(shí)掌握學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解程度的反饋信息，從而及時(shí)調(diào)整教學(xué)方式和進(jìn)度。課后可以進(jìn)行習(xí)題的發(fā)布。課堂互動(dòng)反饋系統(tǒng)與課堂教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，讓學(xué)生和教師充分互動(dòng)，凸顯了教學(xué)的有效性，建構(gòu)了智慧課堂。

從研究結(jié)果可以看出，采用手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與四重表征教學(xué)模式相結(jié)合的教學(xué)模式，并借助課堂互動(dòng)系統(tǒng)及時(shí)反饋教學(xué)有效性，對(duì)提高學(xué)生知識(shí)的掌握程度、落實(shí)化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)、提升四重表征思維都有很好的效果。