張海若 王祖浩 遲少輝 唐增富

摘要： 在傳感器技術(shù)支持下，從創(chuàng)設(shè)真實(shí)化學(xué)情境、提煉核心探究問題、運(yùn)用技術(shù)揭示原理、直觀呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、回歸情境解決問題五個(gè)方面設(shè)計(jì)并實(shí)施技術(shù)支持下問題情境導(dǎo)向的探究教學(xué)模式，有利于提高教學(xué)效果，促進(jìn)教學(xué)變革與創(chuàng)新。教師團(tuán)隊(duì)結(jié)合港珠澳大橋建設(shè)和防腐蝕的實(shí)際問題情境，開展“鋼鐵的腐蝕與防護(hù)”單元教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生探究鋼鐵電化學(xué)腐蝕的影響因素，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)踐探究、觀察分析、證據(jù)推理等多種能力，增強(qiáng)了學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力和用化學(xué)服務(wù)于社會發(fā)展的責(zé)任感。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù);實(shí)驗(yàn)探究;情境創(chuàng)設(shè);鋼鐵的腐蝕與防護(hù)

對于化學(xué)探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在“做中學(xué)”特別是在信息技術(shù)支持下動手、動腦探究，比傳統(tǒng)教學(xué)更有利于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。如何發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的直觀觀察現(xiàn)象和定量揭示本質(zhì)的優(yōu)勢，用內(nèi)容線索引領(lǐng)學(xué)生探究，并簡化呈現(xiàn)方式，構(gòu)建教學(xué)情境、傳感器技術(shù)、實(shí)驗(yàn)探究有效融合的新模式？筆者以化學(xué)選擇性必修《化學(xué)反應(yīng)原理》中“鋼鐵的腐蝕與防護(hù)”單元的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，結(jié)合港珠澳大橋建設(shè)和防腐蝕的實(shí)際問題情境，運(yùn)用信息技術(shù)手段揭示鋼鐵吸氧腐蝕的化學(xué)原理，引導(dǎo)學(xué)生探究鋼鐵電化學(xué)腐蝕的影響因素，為教師開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供理論與實(shí)踐參考。

一、技術(shù)支持下問題情境導(dǎo)向的探究教學(xué)模式

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：“有條件的地方和學(xué)校應(yīng)逐步引進(jìn)一些現(xiàn)代化儀器設(shè)備，并向?qū)W生或?qū)W生課外興趣小組開放，在教師或?qū)嶒?yàn)員指導(dǎo)下開展實(shí)驗(yàn)探究活動?！?先進(jìn)儀器與技術(shù)在化學(xué)課堂教學(xué)中大有用武之地，教師使用先進(jìn)的數(shù)字化手持技術(shù)（傳感器等設(shè)備）能夠直觀地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，幫助學(xué)生理解相關(guān)化學(xué)現(xiàn)象，有助于學(xué)生從觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象向基于定量數(shù)據(jù)揭示實(shí)驗(yàn)本質(zhì)轉(zhuǎn)化。教師開展實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的目的并不是讓學(xué)生機(jī)械重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，而是激發(fā)學(xué)生“做中學(xué)”，提高其思維能力。

（一）融合應(yīng)用的原則與模式

教師在學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向下開展化學(xué)教學(xué)，需要做好情境創(chuàng)設(shè)工作。情境應(yīng)當(dāng)與教學(xué)目標(biāo)高度匹配，與教學(xué)主題緊密關(guān)聯(lián)，適切于學(xué)生發(fā)展，用于啟發(fā)學(xué)生、幫助學(xué)生理解化學(xué)知識。同時(shí)，情境應(yīng)當(dāng)具有正確的價(jià)值導(dǎo)向，有助于培育學(xué)生的愛國主義情懷，體現(xiàn)學(xué)科育人價(jià)值。如何將教學(xué)情境、傳感器技術(shù)、實(shí)驗(yàn)探究三者有機(jī)融入化學(xué)教學(xué)中？筆者認(rèn)為，教師應(yīng)遵循以下兩條原則。

一是用內(nèi)容線索引領(lǐng)。教師利用單元內(nèi)容線索可將教學(xué)情境、傳感器技術(shù)、實(shí)驗(yàn)探究三者有機(jī)結(jié)合，幫助學(xué)生多角度認(rèn)識主題。

二是簡化呈現(xiàn)方式。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師必須明晰情境、技術(shù)、探究三者在單元教學(xué)設(shè)計(jì)中的地位，以簡明的語言向?qū)W生展示核心知識教學(xué)的哪一階段需借助何種技術(shù)、方法或情境的支持以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，以避免學(xué)生因不熟悉技術(shù)、方法或情境而導(dǎo)致削弱核心知識的落實(shí)。

結(jié)合上述思考，筆者從創(chuàng)設(shè)真實(shí)化學(xué)情境、提煉核心探究問題、運(yùn)用技術(shù)揭示原理、直觀呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、回歸情境解決問題五個(gè)方面提出技術(shù)支持下問題情境導(dǎo)向的探究教學(xué)模式（如圖1），并以此為指導(dǎo)，有助于改進(jìn)“鋼鐵的腐蝕與防護(hù)”單元的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（二）應(yīng)用傳感器促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新的關(guān)鍵

傳感器具有采集大量數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)呈現(xiàn)圖像的功能，其應(yīng)用有效地改變了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，拓寬了實(shí)驗(yàn)活動的視野。實(shí)踐證明，傳感器技術(shù)助力教學(xué)的關(guān)鍵在于融合應(yīng)用。

1.基于傳感器實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)

手持傳感器技術(shù)用于化學(xué)教學(xué)相關(guān)研究眾多，主要是應(yīng)用傳感器改進(jìn)實(shí)驗(yàn)、表征實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、開發(fā)慕課微課教學(xué)案例、評價(jià)實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)了一系列的教學(xué)設(shè)計(jì)。針對“鋼鐵的腐蝕與防護(hù)”相關(guān)內(nèi)容，孫慧玲等人運(yùn)用氧氣傳感器對鋼鐵的吸氧腐蝕速率進(jìn)行探查，指出鋼鐵腐蝕是一個(gè)緩慢的氧化過程;袁振東等人利用氧氣傳感器探究中性、弱酸性條件下鋼鐵的吸氧腐蝕，結(jié)合“暖寶寶”發(fā)熱原理培養(yǎng)學(xué)生辯證看待化學(xué)反應(yīng)的意識;鄭華將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，運(yùn)用氧氣傳感器探究鋼鐵吸氧腐蝕的速率。已有的教學(xué)案例側(cè)重單一描述具體實(shí)驗(yàn)的過程，對傳感器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的功能、傳感器實(shí)驗(yàn)與其他教學(xué)環(huán)節(jié)如何有效融合較少闡述。筆者根據(jù)“鋼鐵的腐蝕與防護(hù)”單元教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行“港珠澳大橋鋼鐵的防腐蝕”教學(xué)設(shè)計(jì)，將創(chuàng)新點(diǎn)放在融合情境創(chuàng)設(shè)、傳感器技術(shù)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究以提升教學(xué)效果上。

2.傳感器技術(shù)與情境創(chuàng)設(shè)、實(shí)驗(yàn)探究的融合

創(chuàng)設(shè)情境、運(yùn)用傳感器技術(shù)和探究實(shí)驗(yàn)的最終目的都是解決化學(xué)教學(xué)中的實(shí)際問題，但三者之間并非相互獨(dú)立，而是相輔相成的?！颁撹F的腐蝕與防護(hù)”單元教學(xué)過程包含“一個(gè)情境、兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)、兩處傳感器技術(shù)運(yùn)用”，教師將三者融合最終解決鋼鐵腐蝕及防腐蝕問題。

筆者以港珠澳大橋的建設(shè)作為首尾遙相呼應(yīng)的情境，開頭引出大橋如何防腐蝕的探究問題;中間設(shè)置探究鋼鐵吸氧腐蝕的原理、鋼鐵腐蝕的影響因素兩處實(shí)驗(yàn);在情境和實(shí)驗(yàn)探究中均應(yīng)用傳感器技術(shù)，在教學(xué)過程中將三者融為一體。具體而言，筆者借鑒模型研究的思路，將復(fù)雜的鋼鐵腐蝕過程通過簡單的鐵-碳原電池模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，提出假設(shè)并設(shè)置兩個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察現(xiàn)象。但宏觀現(xiàn)象難以揭示鋼鐵腐蝕的原理，于是筆者引導(dǎo)學(xué)生用溫度、壓強(qiáng)傳感器精確測量，獲得吸氧腐蝕更為清晰、準(zhǔn)確的結(jié)論。為進(jìn)一步探索鋼鐵腐蝕的影響因素，筆者又設(shè)置學(xué)生實(shí)驗(yàn)讓他們分組探究。上述設(shè)計(jì)中教學(xué)情境、傳感器應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)探究環(huán)環(huán)相扣，有機(jī)融合，有利于學(xué)生圓滿完成預(yù)設(shè)的探究任務(wù)。

二、技術(shù)支持下問題情境導(dǎo)向探究教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

鋼鐵腐蝕現(xiàn)象在生活中十分常見，其原理涉及電化學(xué)知識，“鋼鐵的腐蝕與防護(hù)”知識在高中化學(xué)中占有重要的地位，在必修課程教學(xué)基礎(chǔ)上，選擇性必修課程《化學(xué)反應(yīng)原理》對相關(guān)內(nèi)容又有拓展。下面以“鋼鐵的腐蝕與防護(hù)”為例，闡述技術(shù)支持下問題情境導(dǎo)向探究教學(xué)的設(shè)計(jì)方案和思路分析。

（一）教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)思路

基于多方面的考察和考慮，筆者將該單元課例的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)如下。其一，讓學(xué)生知道常見的金屬腐蝕現(xiàn)象及其危害，能從電化學(xué)角度認(rèn)識金屬腐蝕原理。?其二，設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和常規(guī)實(shí)驗(yàn)探究鋼鐵吸氧腐蝕原理及其影響因素，發(fā)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、變量控制和證據(jù)推理的能力。其三，利用吸氧腐蝕原理設(shè)計(jì)港珠澳大橋的鋼鐵防腐方案，結(jié)合實(shí)際問題討論方案的合理性，感受化學(xué)在解決工程技術(shù)問題和可持續(xù)發(fā)展中的重要作用。

根據(jù)上述目標(biāo)，依據(jù)技術(shù)支持下問題情境導(dǎo)向的探究教學(xué)模式，結(jié)合具體的化學(xué)知識內(nèi)容，筆者將單元內(nèi)容進(jìn)行整合，轉(zhuǎn)化為“港珠澳大橋鋼鐵的防腐蝕”課題并建構(gòu)了具體的教學(xué)思路（如圖2）。

此單元教學(xué)思路是：教師從創(chuàng)設(shè)港珠澳大橋如何防腐的真實(shí)問題情境出發(fā)，驅(qū)動探究實(shí)驗(yàn);指導(dǎo)學(xué)生深入探究電化學(xué)腐蝕的原理，圍繞問題對防腐提出設(shè)想，設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案;充分運(yùn)用傳感器技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生觀察和討論，揭示吸氧腐蝕的化學(xué)原理;利用實(shí)驗(yàn)探究和控制變量方法，組織學(xué)生進(jìn)一步探究反應(yīng)物配比、電解質(zhì)溶液濃度與pH對鋼鐵腐蝕的影響;依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論不同條件下鋼鐵的腐蝕類型，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力;最后讓學(xué)生學(xué)以致用，解決問題，即從吸氧腐蝕原理出發(fā)，綜合考慮多方面因素，提出具體防腐方案，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的價(jià)值。

（二）教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析

以下，對課題教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行深入分析。

1.結(jié)合真實(shí)情境引出探究問題

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境、結(jié)合學(xué)科知識、解決實(shí)際問題是培育學(xué)生核心素養(yǎng)不可或缺的組成部分。筆者以“新世界七大奇跡”之一的港珠澳大橋建設(shè)為情境引入課題，具有一定的新穎性、時(shí)代性。而大橋鋼鐵腐蝕防護(hù)是一項(xiàng)復(fù)雜的、綜合性的工程，探究其中奧秘能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)、了解高超橋梁建造技術(shù)的興趣。

【創(chuàng)設(shè)情境】港珠澳大橋于2018年10月24日開通運(yùn)營，大橋連接了香港、珠海、澳門三地人民的幸福生活。作為中國橋梁史上里程最長、投資最多的大橋，港珠澳大橋因超大的設(shè)計(jì)規(guī)模、超高的施工難度、超長的使用壽命聞名世界，成為中國制造、中國創(chuàng)新的又一張名片。

在港珠澳大橋建設(shè)中，設(shè)計(jì)鋼鐵防腐方案是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的工作。根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)和化學(xué)知識，設(shè)想如何保護(hù)大橋鋼鐵免遭腐蝕（見表1）。

上述預(yù)測是否合理？教師將引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合原電池反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等知識，在實(shí)驗(yàn)中探尋鋼鐵腐蝕的化學(xué)原理及其影響因素，為港珠澳大橋的鋼鐵防腐蝕設(shè)計(jì)合理的方案。

2.預(yù)測腐蝕原理設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案

學(xué)生在必修學(xué)習(xí)期間已學(xué)銅-鋅原電池、鉛蓄電池等類型的原電池反應(yīng)，初步掌握原電池結(jié)構(gòu)及反應(yīng)式書寫規(guī)律，但對鐵-碳原電池模型，特別是電解質(zhì)氯化鈉溶液的作用較為陌生。這些是討論跨海大橋防腐蝕時(shí)必須涉及的外部環(huán)境，也是教師設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)的必須考慮的因素。

教師采用飽和氯化鈉溶液模擬海水，以鐵粉、碳粉混合物模擬鋼鐵，讓學(xué)生預(yù)測鐵-碳合金在氯化鈉溶液中可能發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，并提出可能的驗(yàn)證方案（見表2）。針對鋼鐵腐蝕的實(shí)驗(yàn)，教師引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)物、生成物角度對原電池的電極反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測，學(xué)生能提出與鋼鐵接觸的氧氣、水也參與原電池反應(yīng)，這是一個(gè)重要的突破口。根據(jù)已有知識，學(xué)生運(yùn)用離子檢驗(yàn)等知識提出了電極反應(yīng)產(chǎn)物檢驗(yàn)定性方案。教師在肯定學(xué)生設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)方案基礎(chǔ)上，提出了從壓強(qiáng)變化進(jìn)行定量分析的方法，引入了傳感器用以收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，拓寬學(xué)生實(shí)驗(yàn)研究的視野。

3.應(yīng)用傳感器技術(shù)揭示反應(yīng)本質(zhì)

傳感器使用便捷，教師用其能將物理、化學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)電信號并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出，在計(jì)算機(jī)的配合下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析，以圖表形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生從定量角度研究化學(xué)反應(yīng)。教師在教學(xué)中，使用傳感器技術(shù)有利于開展實(shí)驗(yàn)探究活動。傳感器實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較短，能較為精準(zhǔn)地測量，幫助學(xué)生快速認(rèn)識物理化學(xué)性質(zhì)。傳感器能夠探測到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器難以觀察到的化學(xué)事實(shí)，并以圖表呈現(xiàn)。傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)展學(xué)生結(jié)合圖文分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。在筆者設(shè)計(jì)的“鋼鐵電化學(xué)腐蝕原理”的實(shí)驗(yàn)探究中，傳感器發(fā)揮了重要的作用（見實(shí)驗(yàn)1）。

【實(shí)驗(yàn)1】應(yīng)用傳感器探究鋼鐵電化學(xué)腐蝕的原理。

實(shí)驗(yàn)藥品：鐵粉、碳粉、飽和食鹽水、紅墨水。

實(shí)驗(yàn)儀器：鐵架臺（帶鐵夾）、三頸燒瓶、U形管、導(dǎo)管、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器。

實(shí)驗(yàn)用品：膠塞、膠頭滴管、濾紙條。

實(shí)驗(yàn)步驟：首先，搭建實(shí)驗(yàn)裝置，將三頸燒瓶固定在鐵架臺上，并將干燥的濾紙條、鐵粉與碳粉加入燒瓶中。然后，將裝有紅墨水的U形管與燒瓶相連，分別將溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器與電腦連接，打開軟件記錄數(shù)據(jù)。最后，用膠頭滴管向三頸燒瓶內(nèi)滴加飽和食鹽水，用橡膠塞迅速密封燒瓶，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：U形管內(nèi)紅墨水向左移動，說明瓶內(nèi)壓強(qiáng)減小。學(xué)生讀取數(shù)據(jù)：在0～200 s內(nèi)，三頸燒瓶內(nèi)溫度從30.8 ℃升高到32.0 ℃，壓強(qiáng)從99.4 kPa降低到98.8 kPa。

學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的變化曲線進(jìn)行討論，很快得出有關(guān)結(jié)論：反應(yīng)過程中有熱量放出，并且瓶內(nèi)壓強(qiáng)下降，說明有氣體被消耗了，證實(shí)發(fā)生了之前預(yù)測的正極反應(yīng)②。教師則在學(xué)生討論基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)：在中性或很弱的酸性條件下，當(dāng)鋼鐵表面的氯化鈉溶液中溶有氧氣時(shí)，鋼鐵電化學(xué)腐蝕發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。方程式如下：

負(fù)極：Fe-2e^-=Fe²⁺

正極：O₂+2H₂O+4e^-=4Oh^-

總反應(yīng)：2Fe+O₂+2H₂O=2Fe（OH）₂

生成的氫氧化亞鐵不穩(wěn)定，容易被氧氣氧化為紅褐色的氫氧化鐵，因反應(yīng)中氧氣有所消耗，故該反應(yīng)被稱為鋼鐵的吸氧腐蝕。

在上述過程中，教師將原理探究實(shí)驗(yàn)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，借助數(shù)字化傳感器設(shè)備，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象宏觀表征、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線變化的解讀、吸氧腐蝕微觀實(shí)質(zhì)的討論和電化學(xué)方程式書寫多個(gè)方面，對鋼鐵吸氧腐蝕的本質(zhì)進(jìn)行闡釋。宏觀表征和圖像解讀給予學(xué)生直觀、感性認(rèn)識。學(xué)生通過紅墨水的移動、傳感器圖像數(shù)據(jù)變化，將不易觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)，可以更好地理解金屬腐蝕的化學(xué)原理。鋼鐵吸氧腐蝕的微觀實(shí)質(zhì)是原電池反應(yīng)，教師借助傳感器實(shí)驗(yàn)證實(shí)氧氣消耗，引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)物及其常見化合價(jià)推斷可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，并以書寫化學(xué)方程式完成符號表達(dá)?？梢?，應(yīng)用傳感器能幫助學(xué)生多角度認(rèn)識化學(xué)現(xiàn)象背后的規(guī)律。

4.探究鋼鐵腐蝕可能的影響因素

上述實(shí)驗(yàn)中，師生利用傳感器技術(shù)對鋼鐵腐蝕中溫度與氣壓變化進(jìn)行監(jiān)測，直觀地觀察了鋼鐵吸氧腐蝕的現(xiàn)象。教師進(jìn)一步提出問題：在大橋建設(shè)中，哪些因素可能影響鋼鐵的腐蝕速率，請以鐵-碳原電池為例，用氯化鈉溶液模擬海水，探究影響鋼鐵腐蝕速率的因素。教師對學(xué)生提出的三種情況進(jìn)行總結(jié)（見表3）。

根據(jù)以上討論，教師將學(xué)生分成三個(gè)小組，分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并完成實(shí)驗(yàn)：①探究反應(yīng)物鐵碳比對鋼鐵的腐蝕速率的影響;②探究氯化鈉溶液濃度對鋼鐵腐蝕速率的影響;③探究電解質(zhì)溶液pH對鋼鐵腐蝕速率的影響（見實(shí)驗(yàn)2）。

【實(shí)驗(yàn)2】實(shí)驗(yàn)探究：鋼鐵腐蝕的影響因素。

實(shí)驗(yàn)藥品：鐵粉、碳粉、紅墨水、飽和食鹽水、0.1 mol/L氯化鈉溶液、1 mol/L 氯化鈉溶液、0.1 mol/L鹽酸溶液、0.1 mol/L氫氧化鈉溶液、pH為3的醋酸溶液。

實(shí)驗(yàn)儀器：鐵架臺（帶鐵夾）、三頸燒瓶、濾紙、U形管。

實(shí)驗(yàn)用品：膠塞、膠頭滴管、濾紙條。

實(shí)驗(yàn)步驟：將三頸燒瓶固定，加入一定比例的鐵粉、碳粉，并連接裝有紅墨水的U形管;用膠頭滴管滴加少量電解質(zhì)溶液，迅速以膠塞密封三頸燒瓶;觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（紅墨水向左移動說明有氣體被吸收，向右移動則說明放出氣體）。

三個(gè)小組通過控制有關(guān)變量，分別形成各自的實(shí)驗(yàn)探究方案（見表4、表5、表6）。

在化學(xué)教學(xué)中，教師通過實(shí)驗(yàn)探究活動，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到變量控制是一種重要的思想方法，對復(fù)雜問題進(jìn)行分解、提出假設(shè)、合理驗(yàn)證，獲得一系列探究結(jié)論。實(shí)驗(yàn)完成后，各組分別匯報(bào)了探究結(jié)果（見表7）。

對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行提煉后，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生討論不同pH下鋼鐵的腐蝕類型是否一致。學(xué)生通過分析和比較，對鋼鐵腐蝕有了更為全面的認(rèn)識：化學(xué)腐蝕、析氫腐蝕、吸氧腐蝕都存在且互為競爭反應(yīng)，隨著電解質(zhì)溶液酸堿性的不同，呈現(xiàn)此消彼長的趨勢。當(dāng)鐵粉與鹽酸直接接觸時(shí)，發(fā)生化學(xué)腐蝕;當(dāng)鋼鐵表面形成酸性較強(qiáng)的水膜時(shí)，通常發(fā)生析氫腐蝕，同時(shí)可能伴有吸氧腐蝕;而鋼鐵表面水膜酸性較弱或呈中性時(shí)，腐蝕類型以吸氧腐蝕為主。以全面、辯證的視角觀察并分析金屬的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，有助于學(xué)生認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。

5.服務(wù)國家建設(shè)，凸顯化學(xué)學(xué)科價(jià)值

筆者在“鋼鐵的腐蝕與防護(hù)”單元教學(xué)中以港珠澳大橋建設(shè)為情境，在實(shí)驗(yàn)探究鋼鐵腐蝕原理及影響因素的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生將探究結(jié)果和相關(guān)知識回歸于解決鋼鐵防腐的實(shí)際問題上，提出鋼鐵防腐措施，并加以總結(jié)和概括（見表8）。

在港珠澳大橋建設(shè)中，我國科技工作者利用鋁合金材料重量輕、電容量大、工作電流穩(wěn)定、電流效率高、壽命長及造價(jià)便宜等特點(diǎn)，大膽創(chuàng)新，研制出?Al-Zn-In-Mg-Ti高效鋁合金犧牲陽極材料對大橋進(jìn)行保護(hù)^[1]。不僅如此，大橋的主體混凝土結(jié)構(gòu)安裝了ECI-2耐久性監(jiān)測傳感器，可實(shí)時(shí)、定量地監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子濃度、混凝土的電阻率和鋼筋的腐蝕速率^[2]。

三、創(chuàng)新數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科育人價(jià)值

在“港珠澳大橋鋼鐵的防腐蝕”教學(xué)中，教師結(jié)合真實(shí)情境引出探究問題，引導(dǎo)學(xué)生用手持傳感器技術(shù)對金屬腐蝕原理進(jìn)行探究，充分發(fā)揮了化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)功能，將“教學(xué)情境—傳感器技術(shù)—實(shí)驗(yàn)探究”融為一體，揭示了鋼鐵腐蝕現(xiàn)象背后的化學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行證據(jù)推理和辯證思維的能力。

該課例，教師從五個(gè)方面對教學(xué)過程進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科的育人價(jià)值。一是選擇了反映我國重大科技成就、體現(xiàn)時(shí)代性與先進(jìn)性的港珠澳大橋建設(shè)項(xiàng)目為情境，涉及的鋼鐵防腐蝕問題與本單元的核心知識緊密關(guān)聯(lián)，又是學(xué)生生活中熟悉的現(xiàn)象。教師通過情境激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引出單元探究的核心問題。二是合理應(yīng)用數(shù)字化傳感器技術(shù)對金屬腐蝕原理進(jìn)行探究，充分發(fā)揮其相對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量并以曲線方式清晰呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在觀察現(xiàn)象上的不足。三是根據(jù)變量控制的研究思路，引導(dǎo)學(xué)生提出鋼鐵腐蝕影響因素的多種假設(shè)，并設(shè)計(jì)分組探究實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生多角度揭示鋼鐵腐蝕現(xiàn)象背后的化學(xué)本質(zhì)，很好發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)探究的教學(xué)功能，培養(yǎng)了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、動手操作、觀察分析和證據(jù)推理的能力。四是引導(dǎo)學(xué)生對“異?！睂?shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論，使他們深刻認(rèn)識到鐵-碳原電池上發(fā)生的兩類腐蝕反應(yīng)同時(shí)存在，互為競爭關(guān)系，不僅使學(xué)生對金屬腐蝕概念的理解更為完整，同時(shí)發(fā)展了學(xué)生的辯證思維能力。五是圍繞如何解決港珠澳大橋鋼鐵的防腐蝕問題，引導(dǎo)學(xué)生多角度思考，從化學(xué)原理、工程技術(shù)、施工成本等方面綜合運(yùn)用知識進(jìn)行設(shè)計(jì)，選出恰當(dāng)?shù)姆栏g方案，使學(xué)生進(jìn)一步體會到化學(xué)知識對我國工程建設(shè)和科技創(chuàng)新的重要性，弘揚(yáng)了大橋建設(shè)者堅(jiān)持不懈、創(chuàng)新研發(fā)抗腐蝕材料的精神，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和愛國主義情懷，增強(qiáng)學(xué)生為建設(shè)祖國努力學(xué)好化學(xué)的信心。

參考文獻(xiàn)

[1]劉俊利，徐振山.港珠澳大橋鋼管復(fù)合樁犧牲陽極保護(hù)施工技術(shù)[J].價(jià)值工程，2019（9）：96-98.

[2]湯雁冰，熊建波，方翔，等.港珠澳大橋主體混凝土結(jié)構(gòu)耐久性實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)計(jì)[J].中國港灣建設(shè)，2014（2）：29-32.

（作者張海若系華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院研究生;王祖浩系華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，教育部化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)研制組組長;遲少輝系華東師范大學(xué)教師教育學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師;唐增富系華東師范大學(xué)附屬東昌中學(xué)化學(xué)特級教師）

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