錢穎丹

摘要：在文獻研究的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字傳感器，對教材實驗進行改進，對實驗中氧氣含量、溫度以及壓強的變化情況進行實證研究。改進后實驗過程快，實驗結(jié)果明顯、直觀，實現(xiàn)鐵釘銹蝕過程中耗氧、溫度及壓強變化的可視化。

關(guān)鍵詞：鐵釘銹蝕條件；數(shù)字傳感器；實驗探究

1?問題提出

鐵釘銹蝕實驗是滬教版九年級《化學(xué)》（國標(biāo)）上冊“金屬防護和廢金屬回收”單元的一個重要實驗，為探究在外部條件下鋼鐵銹蝕的影響因素，教材設(shè)計了鐵釘在干燥空氣等5種條件下逐漸生銹的對比實驗（如圖1所示）。

教師進行上述實驗演示常常需要提前一周準(zhǔn)備。若按照教材實驗（如圖1所示）進行教學(xué)，即便教師引導(dǎo)學(xué)生進行每天觀察、記錄實驗現(xiàn)象，分析實驗結(jié)果，但由于實驗時間跨度較長，教學(xué)效果不太明顯，尤其很難突破鐵銹蝕過程中耗氧及能量變化等知識難點。從已有的文獻研究中可以發(fā)現(xiàn)，如潘國榮[1]、胡海銘[2]、劉廣斌[3]、張楓[4]、鄭梅花[5]、王程杰[6]、談小強[7]等教師已對原有的設(shè)計提出了一些改進措施，還有部分教師將鐵釘換成鐵粉加入碳粉使用傳感器來進行實驗，但是換成鐵粉后鐵釘在酸性條件下生銹這一實驗過程就難以操作，鐵粉會快速與酸反應(yīng)使該實驗有局限性。在這些實驗中，部分教師改變了教材實驗設(shè)計的條件，部分教師改進實驗的裝置，以達到快速觀察到鐵生銹的現(xiàn)象，但是幾乎未對教材實驗進行系統(tǒng)研究，如何實現(xiàn)鐵釘銹蝕過程中耗氧、溫度及壓強變化的可視化？加酸、鹽的條件與純水進行對比是否真的加速了生銹過程？利用傳感器檢測能否將教材上5組實驗（如圖1所示）還原并測得相關(guān)數(shù)據(jù)做定量對比？為此，帶著上述的諸多問題，筆者利用多種傳感器，對教材關(guān)于鐵釘銹蝕實驗進行了如下的優(yōu)化設(shè)計。

2?實驗部分

2.1?實驗探究思路

手持技術(shù)的TQVC概念認(rèn)知模型[8]，即轉(zhuǎn)化（Transfotmation）—量化感知（Quantitative Perception）—視覺感知（Visual Perception）—比較（Compare）概念認(rèn)知模型，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和具體教學(xué)情境，進行科學(xué)有效的信息化概念教學(xué)，幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)概念，建立新舊知識間聯(lián)系。本研究基于該理論基礎(chǔ)研究鐵釘銹蝕過程。轉(zhuǎn)化：學(xué)生在教師的科學(xué)引導(dǎo)下，從熟悉的表象事實出發(fā)，鐵在有氧氣和水的條件下會生銹，氧氣的消耗過程看不見摸不著，可以通過手持技術(shù)傳感器直接測量。量化感知：利用氧氣傳感器實時、精確測量鐵生銹過程中氧氣含量的變化，將定性轉(zhuǎn)接到定量感知，同時引入溫度、壓強傳感器進一步對鐵生銹過程研究，豐富量化知識。視覺感知：通過配套軟件所繪制的屬性曲線圖像，使數(shù)據(jù)更具有直觀性、可視性，為學(xué)生頭腦中的抽象概念建立模型認(rèn)知，克服認(rèn)知難點。比較：讓學(xué)生分析曲線信息，進一步推理、解釋，再聯(lián)系舊知，實現(xiàn)概念構(gòu)建，具體思路如圖2所示。

2.2?實驗儀器、試劑

（1）儀器：威尼爾LABQUSET 2數(shù)據(jù)采集器、氧氣濃度傳感器、溫度傳感器、氣體壓強傳感器、250mL集氣瓶、1000mL圓底燒瓶、200mL燒杯、鐵架臺

（2）試劑：鐵釘，經(jīng)煮沸并迅速冷卻的蒸餾水，氯化鈣干燥劑，棉花，4%的氯化鈉溶液，0.05%稀鹽酸

2.3?實驗方案及參數(shù)設(shè)置

本實驗利用酸處理除去鐵釘表面的油膜后浸泡清洗烘干以用作實驗，實驗設(shè)計方案如表1。在實驗2（如圖3）中設(shè)置5組對比實驗，實驗順序和方案與教材實驗一致（如圖1）。實驗過程中實驗2（如圖3）和實驗3（如圖4）設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間均為300s，間隔10s進行一次數(shù)據(jù)采集。實驗3（如圖4）為了進一步說明情況，采集時間增加到1200s，間隔50s進行一次數(shù)據(jù)采集。

2.4 實驗裝置

實驗裝置如圖3、圖4所示。

2.5實驗步驟

實驗1 鐵釘?shù)奶幚?/p>

將5～6cm長的新鐵釘放在小燒杯中，用稀鹽酸浸泡幾分鐘后，確保無銹，除去表面保護膜，把鐵釘?shù)谷胨壑袥_洗、揉搓，撈出后擦干，再用砂紙進一步打磨直至光亮。

實驗2 氧氣傳感器測量鐵生銹

第1個集氣瓶底放入無水氯化鈣，用脫脂棉包裹住鐵釘?shù)募舛朔湃?。?個集氣瓶倒入冷卻的沸水沒過鐵釘后再倒入一層油封住。第3個集氣瓶中倒入少量水將鐵釘（鐵釘橫放，增大與空氣的接觸面積）半淹沒在水中。第4個集氣瓶加入少量食鹽水將鐵釘（鐵釘橫放，增大與空氣的接觸面積）半淹沒在食鹽水中，沒有接觸食鹽水的鐵釘一側(cè)也要盡量表面包裹一層食鹽水。第5個集氣瓶中加入表面有一層酸膜的鐵釘。所有實驗都按照圖3連接好裝置，進行數(shù)據(jù)采集。

實驗3 氧氣、溫度、壓強傳感器測量鐵生銹

向三頸燒瓶中加入表面有一層酸膜的鐵釘后，按照圖4連接氧氣、溫度、壓強傳感器，進行數(shù)據(jù)采集。

3 實驗數(shù)據(jù)的處理與分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)

將傳感器采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件origin6.0進行處理后得到下列圖像，如圖5、圖6、圖7所示。

3.2 圖5數(shù)據(jù)分析：在實驗2中，對比數(shù)據(jù)可知，在干燥空氣和純水環(huán)境下，隨著時間的推移裝置內(nèi)的氧氣含量并未減少，而在接觸了空氣和水的環(huán)境中，氧氣含量在300s內(nèi)有明顯的降低，對比三組實驗結(jié)果可知，鐵釘需要在有空氣和水的環(huán)境中才會生銹，并且鐵生銹消耗的是空氣中的氧氣。而在有酸和鹽水的條件下，300s內(nèi)曲線下降速率更快，可見有酸和鹽水存在的條件下，會加速鐵生銹的速率。

3.3 圖6、圖7數(shù)據(jù)分析：在實驗3中，從數(shù)據(jù)可知，300s即可明顯觀察到隨著鐵釘生銹氧氣濃度下降，裝置內(nèi)的溫度明顯上升，1200s后變化情況更明顯，溫度升高約0.14℃，如圖7，說明鐵釘生銹消耗氧氣且緩慢放熱。無論是在300s還是1200s后，壓強變化都不明顯，可能是鐵生銹緩慢變化的過程中，消耗氧氣導(dǎo)致的壓強減小和溫度升高導(dǎo)致的壓強升高相互抵消的原因。

4 結(jié)語

鐵釘生銹的傳統(tǒng)實驗速率慢、時間長，學(xué)生在短時間內(nèi)很難獲得直觀體驗，尤其很難突破鐵銹蝕過程中耗氧及能量變化等知識難點。在鐵釘銹蝕的實驗探究中，適時運用利用現(xiàn)代技術(shù)手段——傳感器，學(xué)生不僅可以利用宏觀實驗現(xiàn)象（鐵釘生銹）對比來探究鐵釘生銹的條件，還可以利用微觀實驗數(shù)據(jù)（傳感器數(shù)據(jù)——氧氣、溫度及壓強的變化）來進行化學(xué)數(shù)據(jù)實證分析，變實驗不可視為可視，從而引導(dǎo)學(xué)生多角度深入探究化學(xué)問題，增強學(xué)生實驗探究和實驗分析的能力，幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)概念，促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科思維及學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻：

潘國榮，李文勇，陳正美. 探究“鐵的銹蝕條件”實驗創(chuàng)新設(shè)計[J].化學(xué)教育，2016，37（11）：73-75.

胡海銘. 鐵銹蝕條件的探究實驗改進[J].化學(xué)教育（中英文），2017，38（19）：56-57.

劉廣斌. “鐵銹蝕條件的探究”實驗的創(chuàng)新設(shè)計[J].實驗教學(xué)與儀器，2022，（4）：37-39.

張楓. 利用氧氣傳感器對鐵生銹的再探究[J].實驗設(shè)計與改進，2020，（352）：42-44.

[5] 鄭梅花，張祁帆. 對食鹽水中生鐵銹蝕問題的探討[J].化學(xué)教學(xué)，2015（3）：40-42.

[6]王程杰.關(guān)注氯離子效應(yīng)在實驗中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2015（12）：53-56.

[7]談小強.關(guān)于鋼鐵腐蝕的理論探討和實驗分析[J]. 化學(xué)教學(xué)，2012，5期：47-49.

[8]王立新，錢揚義，蘇華虹，等. 手持技術(shù)數(shù)字化實驗與化學(xué)教學(xué)的深入融合：從“研究案例”到“認(rèn)知模型”—TQVC概念認(rèn)知模型的建構(gòu)[J].遠程教育雜志，2018，36（4）：104-12.