諸佳丹 朱康

摘要： “金屬腐蝕”是原電池原理的實(shí)際應(yīng)用部分。以該主題為背景，以環(huán)環(huán)相扣的問題情境為認(rèn)知腳手架，建立金屬腐蝕與原電池模型之間的關(guān)聯(lián)，學(xué)習(xí)從模型的兩個(gè)維度（裝置和原理）分析問題。旨在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用模型解決復(fù)雜真實(shí)問題的能力，提升“模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 金屬腐蝕; 原電池; 模型認(rèn)知; 教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2022）04006106

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題背景

“金屬腐蝕”這一主題是高中電化學(xué)知識(shí)體系的重要組成部分，與日常生活和社會(huì)發(fā)展緊密相連，是原電池知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用部分。

常見的教學(xué)思路是以實(shí)驗(yàn)活動(dòng)提供事實(shí)支持，從宏觀現(xiàn)象、微觀認(rèn)識(shí)與符號(hào)表達(dá)幾方面分析金屬的兩種電化學(xué)腐蝕過程及原因[1]。目前開展的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，逐漸從傳統(tǒng)定性實(shí)驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用數(shù)字化傳感器研究金屬腐蝕過程，如繪制壓強(qiáng)曲線[2]技術(shù)的創(chuàng)新有助于學(xué)生更真實(shí)、更微觀地認(rèn)識(shí)反應(yīng)過程。但是，這些教學(xué)過程缺乏學(xué)生自主地從真實(shí)問題情境關(guān)聯(lián)原電池的過程。有研究表明，金屬的電化學(xué)腐蝕問題與原電池不能準(zhǔn)確建立關(guān)聯(lián)是學(xué)生的思維障礙點(diǎn)，原因在于學(xué)生對(duì)原電池模型的理解過于死板，不能從實(shí)際環(huán)境中抽離原電池模型以形成有序、系統(tǒng)的分析思路[3]。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）提出了“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)，具體要求如下： 知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[4]。新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)建立模型，學(xué)會(huì)從研究對(duì)象中提取本質(zhì)、關(guān)鍵的元素，并能關(guān)聯(lián)實(shí)際問題，應(yīng)用模型解釋現(xiàn)象、解決問題。

金屬的電化學(xué)腐蝕問題是一個(gè)蘊(yùn)含原電池原理的非常實(shí)際且比較復(fù)雜的問題，也是一個(gè)很好的情境素材。教學(xué)中可充分利用這一內(nèi)容，建立電化學(xué)過程的系統(tǒng)分析思路，應(yīng)用模型解決實(shí)際問題，深化學(xué)生對(duì)電化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，落實(shí)“模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)。

2 教學(xué)思路

金屬腐蝕的現(xiàn)象十分廣泛且真實(shí)可見，但學(xué)生對(duì)如何解釋這些現(xiàn)象存在一定的障礙。解釋金屬的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象時(shí)，一方面需要識(shí)別其中存在的電化學(xué)行為，另一方面需抽象出原電池模型，用模型尋找、比對(duì)、分析、解釋現(xiàn)象。

基于上述分析，設(shè)計(jì)如下教學(xué)思維路徑（見圖1）。從問題情境導(dǎo)入，通過提示與原電池相關(guān)的特征現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別電化學(xué)行為并關(guān)聯(lián)原電池知識(shí)。然后從裝置維度與原理維度建構(gòu)原電池模型，形成有效的分析思路與方法以闡述與解釋問題。最后，將建構(gòu)的模型遷移應(yīng)用到新的問題情境，達(dá)成知識(shí)的鞏固與內(nèi)化。

2.1 創(chuàng)新的原電池模型建構(gòu)

張麗華等對(duì)“原電池”教學(xué)演進(jìn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其核心內(nèi)容相對(duì)穩(wěn)定，主要以“Zn|稀H2SO4|Cu”為基本認(rèn)識(shí)模型，通過改變電極材料、溶液以及線路是否閉合來探究原電池的構(gòu)成條件，最終得出4個(gè)構(gòu)成條件： （1）活潑性不同的2個(gè)電極;（2）電解質(zhì)溶液;（3）閉合電路;（4）自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)[5]。但是上述條件容易讓學(xué)生產(chǎn)生迷思概念，如學(xué)生認(rèn)為2個(gè)電極必須不同，并且易混淆電極材料和電極反應(yīng)物。此外，強(qiáng)調(diào)自發(fā)的氧化還原反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在原電池原理分析時(shí)形成從總反應(yīng)出發(fā)分析電極反應(yīng)的固化思維，這不利于分析一些總反應(yīng)復(fù)雜的原電池問題。

新課標(biāo)優(yōu)化了電化學(xué)分析模型，強(qiáng)調(diào)電極反應(yīng)、電極材料、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體是電化學(xué)體系的基本要素[6]。其中電極材料、離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體是原電池的裝置要素，電極反應(yīng)是原電池的化學(xué)原理。

基于上述分析，構(gòu)建原電池模型（見圖2），意在幫助學(xué)生形成原電池的認(rèn)識(shí)角度和分析思路。在教學(xué)中，基于問題情境，引導(dǎo)學(xué)生先確立原電池的裝置，尋找到相應(yīng)的電極材料、電子導(dǎo)體與離子導(dǎo)體。然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或是已有經(jīng)驗(yàn)判斷各電極的反應(yīng)物與生成物，繼而寫出電極反應(yīng)。最終確認(rèn)整個(gè)電池的總反應(yīng)。這里涵蓋裝置和原理兩個(gè)維度的內(nèi)容，這兩個(gè)維度并不割裂。通過提取裝置要素，學(xué)生可以避免被問題情境中的無關(guān)信息干擾，進(jìn)而更容易分析反應(yīng)原理。在原理分析的過程中，有助于確認(rèn)裝置中的正極與負(fù)極材料判斷是否正確。

為了讓學(xué)生形成對(duì)原電池的科學(xué)認(rèn)識(shí)，須借助多樣的電池原型。本課例中，以學(xué)生熟悉的Zn|稀H2SO4|Cu原電池建立認(rèn)知角度與思路。鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕分別對(duì)應(yīng)Fe|稀H2SO4|C原電池與Fe|NaCl溶液|C原電池。通過對(duì)這兩個(gè)電池原型的分析，讓學(xué)生鞏固和內(nèi)化模型與思路，同時(shí)也有助于學(xué)生跳脫出Zn|稀H2SO4|Cu原電池的拘囿，學(xué)會(huì)區(qū)分電極材料與電極反應(yīng)物、認(rèn)識(shí)電極反應(yīng)物不一定來源于電極材料或離子導(dǎo)體等。

從單一原型中形成的認(rèn)識(shí)往往是刻板的、固化的，學(xué)生容易產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)?？茖W(xué)的認(rèn)識(shí)需要利用多個(gè)原電池原型，在教學(xué)過程中需要更換電極、電解質(zhì)，變通連接方式，提供符合科學(xué)發(fā)展的實(shí)際場(chǎng)景[7]。

2.2 基于原電池模型的問題情境設(shè)計(jì)

根據(jù)奧蘇貝爾的認(rèn)知同化理論，學(xué)習(xí)一個(gè)新知識(shí)需要適當(dāng)?shù)南刃薪M織者尋找新舊知識(shí)的聯(lián)系，產(chǎn)生新概念的增長(zhǎng)點(diǎn)[8]。在教學(xué)中要利用學(xué)生原有的知識(shí)創(chuàng)設(shè)情境，促發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。

圖3展示了整個(gè)教學(xué)過程中的問題情境設(shè)計(jì)，主要分為三個(gè)教學(xué)階段。在學(xué)習(xí)鋼鐵腐蝕之前，學(xué)生已有的知識(shí)儲(chǔ)備是Zn|稀H2SO4|Cu原電池。因而，在階段一，選擇與該原電池相關(guān)情境“在純鋅與稀硫酸的反應(yīng)中，滴入幾滴硫酸銅溶液”，提問“現(xiàn)象差異”，引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)原電池的特性（形成原電池可以加快化學(xué)反應(yīng)），將問題與原電池建立關(guān)聯(lián)。然后利用“實(shí)驗(yàn)室制取氫氣，往往使用粗鋅”這一更貼合實(shí)際的情境進(jìn)行遷移應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的思維活動(dòng)。

階段二和階段三的問題情境緊緊圍繞鋼鐵的腐蝕進(jìn)行設(shè)計(jì)。階段二重點(diǎn)學(xué)習(xí)析氫腐蝕，對(duì)比階段一，問題情境設(shè)計(jì)主要改變了電極材料，學(xué)生很容易分析出其中蘊(yùn)含的原電池模型，使析氫腐蝕的學(xué)習(xí)水到渠成。階段三重點(diǎn)學(xué)習(xí)吸氧腐蝕。前兩個(gè)階段主要圍繞“電極材料”設(shè)計(jì)問題，階段三則以“離子導(dǎo)體”為變量設(shè)問，對(duì)比海邊和內(nèi)陸的鋼鐵腐蝕問題，以此為載體學(xué)習(xí)吸氧腐蝕。從其他變量設(shè)問可防止學(xué)生對(duì)原電池模型的理解過于死板。最后結(jié)合“食品脫氧劑”鞏固吸氧腐蝕原理。

三個(gè)階段的問題情境有聯(lián)系、有區(qū)別、有梯度。為降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，采用純金屬與合金放入離子導(dǎo)體

中的反應(yīng)現(xiàn)象差異作為問題情境，在對(duì)比中激活學(xué)生的原電池知識(shí)。在逐個(gè)遞進(jìn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生原先難以從真實(shí)情境還原出電化學(xué)模型的學(xué)習(xí)障礙便可得到解決。

3 教學(xué)過程

教學(xué)中不斷從問題情境入手，與原電池模型關(guān)聯(lián)，回歸模型分析問題，最后完成遷移應(yīng)用、解決實(shí)際問題，多個(gè)循環(huán)層層遞進(jìn)。

3.1 階段一： 以Zn|稀H2SO4|Cu為電池原型建立分析思路

[問題情境]在純鋅與稀硫酸的反應(yīng)中，滴入幾滴硫酸銅溶液，氫氣的生成速率會(huì)有何變化，請(qǐng)解釋原因。

[學(xué)生1]氫氣的生成速率減慢，因?yàn)殇\與硫酸銅反應(yīng)生成銅，單質(zhì)銅附著在鋅表面，鋅與稀硫酸的接觸面積減小。

[學(xué)生2]氫氣的生成速率加快，因?yàn)殇\會(huì)與硫酸銅溶液發(fā)生置換反應(yīng)，鋅表面有銅單質(zhì)析出，在稀硫酸溶液中形成了原電池，加快反應(yīng)速率。

[實(shí)驗(yàn)探究]取兩塊相同的鋅片分別放入試管A和B中，加入適量稀硫酸，并向B試管滴加幾點(diǎn)硫酸銅溶液，兩支試管中溶液體積相等。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論]B試管中氫氣的生成速率較快，說明形成了原電池。

[提問]我們知道構(gòu)成原電池必須要有正極、負(fù)極、離子導(dǎo)體與電子導(dǎo)體，請(qǐng)問上述過程是如何構(gòu)成原電池的？

[學(xué)生]分析、對(duì)比、找到要素： （1）正極—Cu;（2）電子導(dǎo)體： Zn和Cu直接接觸;（3）負(fù)極—Zn;（4）離子導(dǎo)體—稀硫酸。

根據(jù)圖2中原電池模型的構(gòu)成思路，從電極反應(yīng)物與生成物→電極反應(yīng)→電池總反應(yīng)，完成工作原理的分析（見圖4）。

[遷移應(yīng)用]實(shí)驗(yàn)室制取氫氣，往往使用粗鋅。請(qǐng)解釋這樣做的原因？（粗鋅中含有少量Pb、 Cu、 Sn等金屬。）

[學(xué)生]實(shí)驗(yàn)室制取氫氣常用稀硫酸，將粗鋅放入稀硫酸中，Zn與所含雜質(zhì)金屬接觸，放入稀硫酸后即可構(gòu)成原電池，從而加快發(fā)生反應(yīng)的速率。

設(shè)計(jì)意圖： 學(xué)生已學(xué)的原電池是Zn|稀H2SO4|Cu，用此原型有關(guān)的問題作為情境導(dǎo)入，在建模與分析的過程中降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。利用“現(xiàn)象差異”，讓學(xué)生意識(shí)到形成了原電池，從問題情境中提取要素，構(gòu)建原電池模型的分析思路。

3.2 階段二： 以Fe|稀H2SO4|C為電池原型鞏固分析思路

[問題情境]將一塊純鐵和一塊鋼鐵分別放入相同體積相同濃度的稀硫酸溶液中，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有何差異，請(qǐng)解釋原因。

[學(xué)生]鋼鐵與稀硫酸產(chǎn)生氫氣速率更快。這與前面粗鋅的道理是一樣的。鋼鐵中含有碳，放入稀硫酸中，可形成原電池（見圖5）。

[聯(lián)系實(shí)際]在酸雨多發(fā)地區(qū)，鋼鐵的腐蝕問題尤為突出。

[任務(wù)]繪制硫酸型酸雨多發(fā)地區(qū)中鋼鐵腐蝕的示意圖，要求在圖中標(biāo)出電極材料、離子導(dǎo)體、電子導(dǎo)體（電子轉(zhuǎn)移）、電極反應(yīng)物和生成物。

[學(xué)生]對(duì)比前面的原電池模型，繪制示意圖（見圖6）。

[講述]當(dāng)水膜酸性較大時(shí)，形成“原電池”，溶液中的氫離子得到電子，析出氫氣的過程，叫鋼鐵的析氫腐蝕。

設(shè)計(jì)意圖： 階段二的問題情境與階段一差異不大，且階段二中相關(guān)的反應(yīng)原理都是學(xué)生的已學(xué)知識(shí)，學(xué)生能自主完成解釋與分析。因此，階段二的目的就是借助析氫腐蝕這一教學(xué)內(nèi)容鞏固如何用原電池模型解決電化學(xué)問題的思路。

3.3 階段三： 以Fe|NaCl溶液|C為電池原型內(nèi)化分析思路

[問題情境]在日常的中性環(huán)境中，也有許許多多的鋼鐵腐蝕現(xiàn)象，一般海邊的鋼鐵腐蝕比內(nèi)陸的鋼鐵銹得快，這是什么原因呢？表1是某內(nèi)陸地區(qū)和某臨海地區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)。

[學(xué)生]海邊濕度大，附著在鋼鐵表面的水膜含有較多Cl-，這層水膜的導(dǎo)電性更強(qiáng)，更容易形成原電池。

[繼續(xù)分析]根據(jù)前幾個(gè)模型以及已有知識(shí)（鐵生銹的三個(gè)必要條件： 鐵、氧氣、水分），能確定該原電池的構(gòu)成要素和電極反應(yīng)物，但是不太確定正負(fù)極的產(chǎn)物，猜測(cè)正負(fù)極產(chǎn)物可能是Fe3+、 Fe2+、 OH-……初步形成一個(gè)未完善的原電池模型（見圖7）。

[提供資料]剛才大家對(duì)電極反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行了猜測(cè)，接下來通過實(shí)驗(yàn)來探究產(chǎn)物。

[實(shí)驗(yàn)方案與現(xiàn)象]表2所示為實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

[實(shí)驗(yàn)結(jié)論]確定負(fù)極產(chǎn)物是Fe2+，正極產(chǎn)物是OH-。

[學(xué)生]補(bǔ)充完善該原電池模型（見圖8）。

[學(xué)生]為什么鐵銹的主要成分是Fe2O3，鐵元素最終呈現(xiàn)+3價(jià)？

[講解]電池總反應(yīng)為2Fe+O2+2H2O2Fe（OH）2，F(xiàn)e（OH）2極易被氧化，因此進(jìn)一步反應(yīng)： 4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3， 2Fe（OH）3-nH2OFe2O3·nH2O+（3-n）H2O。當(dāng)水膜的酸性較弱或呈中性時(shí)，形成“原電池”，水膜中的氧氣得到電子生成OH-的過程叫鋼鐵的吸氧腐蝕。

[遷移應(yīng)用]食品包裝中常見的脫氧劑組成為還原性鐵粉、氯化鈉、碳粉等，請(qǐng)問脫氧劑是如何起效的？請(qǐng)畫出相應(yīng)的示意圖。

[學(xué)生]同樣形成原電池，類似于鋼鐵的吸氧腐蝕（見圖9）。

設(shè)計(jì)意圖： 鋼鐵的吸氧腐蝕問題相對(duì)較復(fù)雜，學(xué)生通過自主構(gòu)建原電池模型，在分析過程中遇到了障礙點(diǎn)，這就是問題解決所需的知識(shí)與學(xué)生原有的認(rèn)知之間存在差距。這個(gè)差距或是障礙點(diǎn)，亦是后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的生長(zhǎng)點(diǎn)。借助實(shí)驗(yàn)探究，從事實(shí)中推理出反應(yīng)原理，完善模型的建構(gòu)。情境難度升級(jí)，需要學(xué)生有清晰的分析思路，在思路的指導(dǎo)下有方向地尋找信息。通過這個(gè)過程，學(xué)生不僅積極主動(dòng)吸收了新的知識(shí)，還內(nèi)化了原電池模型的分析思路。

[問題思考]請(qǐng)大家對(duì)比鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的原理，兩者的差異在哪里呢？

[學(xué)生]正極反應(yīng)不一樣。一個(gè)是H+得電子，一個(gè)是O2得電子。

[追問]中性環(huán)境中，水也能電離出氫離子，為何正極反應(yīng)得電子的是氧氣？說明什么問題？

[學(xué)生]H+濃度會(huì)影響它得電子的能力（氧化性）。

[歸納小結(jié)]在這節(jié)課中，我們對(duì)比了純金屬、合金與相應(yīng)溶液反應(yīng)時(shí)的腐蝕現(xiàn)象。這是兩種不同的金屬腐蝕類型，我們把純金屬發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過程稱為化學(xué)腐蝕，不純的金屬（合金）在電解質(zhì)溶液中形成原電池的過程稱為電化學(xué)腐蝕。我們?nèi)粘Ｉ钪械慕饘俑g絕大多數(shù)都是電化學(xué)腐蝕。此外，鋼鐵在不同情況下又可分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。原電池模型的建構(gòu)對(duì)于分析電化學(xué)腐蝕有著至關(guān)重要的作用。

4 教學(xué)反思

4.1 巧設(shè)問題情境，促進(jìn)思路形成

金屬的電化學(xué)腐蝕是電化學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用部分，需要學(xué)生建立金屬的電化學(xué)腐蝕和原電池模型之間的關(guān)聯(lián)，對(duì)學(xué)生模型抽象能力的要求較高。從學(xué)生的思維障礙出發(fā)，在問題情境部分，本課例中設(shè)計(jì)了幾個(gè)復(fù)雜性不高的問題（將純金屬和合金分別放入指定溶液中的現(xiàn)象差異）為腳手架，聯(lián)結(jié)原電池相關(guān)內(nèi)容;同時(shí)設(shè)計(jì)問題情境時(shí)也將真實(shí)情況中鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕問題簡(jiǎn)化，去除一些干擾因素，降低學(xué)生建構(gòu)原電池模型的難度。

整個(gè)教學(xué)過程中，問題情境有聯(lián)系、有梯度，目的是引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用習(xí)得的思路與方法以達(dá)成知識(shí)的鞏固與內(nèi)化。

4.2 融入模型建構(gòu)與應(yīng)用，培養(yǎng)模型認(rèn)知

模型認(rèn)知是重要的思維方式，科學(xué)家們往往是通過直接研究模型而間接研究現(xiàn)實(shí)世界的[10]。本課例中用“問題情境—原電池模型—問題情境”的思路貫穿整個(gè)教學(xué)過程，用三個(gè)對(duì)比式的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生研究其中的原電池模型，形成穩(wěn)定有效的分析思路與方法，讓學(xué)生體會(huì)用模型研究與解決問題的過程。

本課例用學(xué)生熟悉的Zn|稀H2SO4|Cu原電池作為階段一的素材，雖然Zn|稀H2SO4|Cu原電池容易讓學(xué)生對(duì)原電池形成刻板印象，但是這里的目的在于希望借助熟悉的模型，讓學(xué)生建立起電化學(xué)問題的分析思路。在后續(xù)的教學(xué)階段中，轉(zhuǎn)換不同的問題情境，利用Fe|稀H2SO4|C和Fe|NaCl溶液|C原電池不斷打破原先Zn|稀H2SO4|Cu原電池的刻板印象，體驗(yàn)認(rèn)知模型的拓展與發(fā)展。

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