基于項目學(xué)習(xí)的“弱酸性條件下，鐵的電化學(xué)腐蝕研究”教學(xué)設(shè)計

大慶實驗中學(xué) 劉瑤瑤

項目化學(xué)習(xí)《高考實驗試題再思考》的設(shè)計背景：

該項目成立的背景在于筆者對課標(biāo)、高考趨勢的分析。課標(biāo)要求學(xué)習(xí)者通過化學(xué)課程的學(xué)習(xí)和實踐，應(yīng)具備正確的價值觀念、擁有多元化發(fā)展要求的必備品格和學(xué)科關(guān)鍵能力。在項目學(xué)習(xí)《高考實驗試題再思考》開展過程中會接觸不同類別的化學(xué)知識、處理各種異?，F(xiàn)象、利用多種數(shù)據(jù)對比等科學(xué)研究方法。所以，可以說基于項目的學(xué)習(xí)能夠最大程度地實現(xiàn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。另外，高考考查趨勢越來越多地體現(xiàn)對學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查：（1）更加關(guān)注化學(xué)科技前沿，選取更多的真實素材。在真實情境下，真實實踐，解決真實的問題，更能充分體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的育人價值；（2）更加重視學(xué)科方法素養(yǎng)，強化高階思維培養(yǎng)。利用陌生素材，在陌生情境中，解決陌生問題的同時考查學(xué)生關(guān)鍵能力；（3）更注重教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)，聚焦其真實性與問題化，倡導(dǎo)做真實驗、看真現(xiàn)象、進(jìn)行真探究?；谝陨衔以O(shè)計了項目學(xué)習(xí)《高考實驗試題再思考》以及本節(jié)課，對高考試題中實驗“現(xiàn)象”提出質(zhì)疑，通過實驗驗證質(zhì)疑，研究弱酸性條件的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象背后的原理，并再此過程中培養(yǎng)高階思維，提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

學(xué)習(xí)目標(biāo)：

在學(xué)生心中埋下一顆質(zhì)疑的種子，因為質(zhì)疑是獨立思考和創(chuàng)新的前提，學(xué)生通過質(zhì)疑高考試題，發(fā)現(xiàn)具備研究價值的問題，開展項目學(xué)習(xí)和研究，逐漸形成并學(xué)會運用化學(xué)科學(xué)思維解決問題，提升“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng)，并在此過程中有所創(chuàng)新。

學(xué)情分析：項目開展對象——高三學(xué)生

1.高三學(xué)生有較全面的化學(xué)知識的基礎(chǔ)，但實驗探究能力、數(shù)據(jù)分析、曲線分析能力欠缺，科學(xué)思維構(gòu)建不全面，學(xué)科核心素養(yǎng)有待進(jìn)一步提高；走出課堂，真正實踐的機會較少。

2.高三學(xué)生面臨高考沖刺，沒有過多的時間可以親身實踐解決問題，對高考實驗試題的思考，既可以培養(yǎng)學(xué)生從文字、試題中學(xué)會歸納、對比等學(xué)科思想，也可進(jìn)一步提升其實驗操作能力和完善的科學(xué)思維。

3.依據(jù)教材中傳統(tǒng)實驗現(xiàn)象如圖1，學(xué)生的已有認(rèn)知是弱酸性條件下，吸氧腐蝕，壓強應(yīng)該減??；這種認(rèn)知和2014 年安徽高考試題的現(xiàn)象產(chǎn)生沖突，學(xué)生認(rèn)為教材中提到的弱酸性條件下應(yīng)該發(fā)生吸氧腐蝕，壓強不可能升高。所以，學(xué)生會認(rèn)為高考試題中現(xiàn)象（如圖2）可能不準(zhǔn)確，產(chǎn)生質(zhì)疑。

圖1

圖2

教學(xué)目標(biāo)：

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】課前：借助項目群討論交流2014 年安徽高考試題，能夠確立研究項目及內(nèi)容，并分組做出初步猜想和實驗。研究方向（1）：該過程中，為什么出現(xiàn)壓強“先升后降”的現(xiàn)象？研究方向（2）：該過程中，腐蝕類型有哪些？研究方向（3）：該過程中，影響電化學(xué)腐蝕類型的因素是什么？在自主研究實踐過程中實現(xiàn)從對腐蝕過程中的表觀現(xiàn)象的模糊感知過渡到設(shè)計實驗論證觀點，在真實實踐中提高實驗操作能力。課上：1.各研究方向的成果交流與探討，吸取方案精髓，拓展思維；2.研討實驗方案，靈活運用空白對照的實驗方法，完善實驗方案，進(jìn)行曲線分析，證明弱酸性條件下，影響電化學(xué)腐蝕類型的因素是氫離子濃度，從而拓展對弱酸性條件下鐵的電化學(xué)腐蝕情況的認(rèn)知的水平。課下：開展延續(xù)性研究，并將研究問題成果化，形成論文，從學(xué)習(xí)者逐漸向研究者轉(zhuǎn)變?！驹u價目標(biāo)】表現(xiàn)性任務(wù)：匯總實驗方案制作匯報PPT準(zhǔn)備匯報發(fā)言表現(xiàn)性評價1：課上匯報實驗方案表現(xiàn)性評價2：曲線分析，數(shù)據(jù)對比，論證觀點表現(xiàn)性評價：整理研究成果，形成論文

教學(xué)重點：因為是基于項目的學(xué)習(xí)，本課的研究問題是環(huán)環(huán)相扣，密不可分，每一環(huán)節(jié)，每一個方向的研究過程和使用的方法，都是解決問題的重點。

教學(xué)難點：本課的難點問題是研究方向3 的研究內(nèi)容：利用控制變量法設(shè)計實驗方案，對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出的壓強曲線的數(shù)據(jù)對比論證該過程中電化學(xué)腐蝕類型的影響因素。

教學(xué)策略：課前三個研究方向做出初步研究和探討，課上利用平板分組投屏實現(xiàn)方案的借鑒與交流，借助課前方向1 的實驗方法，重新研討設(shè)計實驗方案，進(jìn)行實驗驗證，并做出多組實驗中溫度和壓強的對比實現(xiàn)難點的突破。

教學(xué)過程：

一、信息技術(shù)整合設(shè)計意圖

整合點1：利用QQ 建立項目討論群，借助“美師優(yōu)課”平臺定期發(fā)布高考試題：當(dāng)學(xué)生對高考實驗產(chǎn)生質(zhì)疑時，隨時提問和討論，課代表定期對問題進(jìn)行篩選，確定精華問題，發(fā)起項目學(xué)習(xí)，教師會在群公告展示精華問題，予以肯定，并通過平臺發(fā)布學(xué)習(xí)資源予以輔助。

整合設(shè)計意圖：實現(xiàn)了問題的發(fā)現(xiàn)與初探。

（1）通過QQ 項目群，提高了學(xué)生間非面對面的交流的機會，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)不只局限在一節(jié)課，讓課堂得以無限的延伸，讓學(xué)生從高考實驗質(zhì)疑中發(fā)現(xiàn)問題，研討，確立學(xué)習(xí)項目，走出了課堂，走進(jìn)了真實情境，實現(xiàn)基于項目的學(xué)習(xí)。

（2）“美師優(yōu)課”平臺，實現(xiàn)試題和資源的發(fā)布，協(xié)助學(xué)生完成問題的發(fā)現(xiàn)與初探。

整合點2：借助傳感器技術(shù)測定弱酸性條件下，鐵的電化學(xué)腐蝕過程中的溫度、壓強、氧氣百分含量等物理量，并繪制成曲線，對曲線進(jìn)行分析，對多組實驗進(jìn)行對比論證。

整合設(shè)計意圖：為問題的研究與解決提供數(shù)據(jù)支撐。實現(xiàn)了學(xué)生從以往依據(jù)表觀現(xiàn)象做出判斷轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚€數(shù)據(jù)準(zhǔn)確論證猜想、解釋原理，拓展了對腐蝕原理的認(rèn)知水平，延伸了學(xué)生思維的深度。實現(xiàn)了問題的研究與解決?？梢允沟脤W(xué)生對該過程中抽象的腐蝕原理認(rèn)識更深入。

整合點3：借助平板實現(xiàn)課上環(huán)節(jié)的研究方案交互和研討。

整合設(shè)計意圖：為問題的研究與解決提供交互保障。實現(xiàn)了學(xué)生間方案的交流與研討和思維的交互。

整合點4：借助微信公眾號將研究問題成果化，形成論文予以推廣。

整合設(shè)計意圖：為問題的延伸與拓展提供推廣平臺。實現(xiàn)了學(xué)生研究成果的總結(jié)、反思和推廣。

二、教學(xué)環(huán)節(jié)

（一）課前：問題的發(fā)現(xiàn)與初探

1.教師利用“美師優(yōu)課”發(fā)布2014 年高考化學(xué)實驗探究題：

試題：某研究小組為探究弱酸性條件下鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕類型的影響因素，將混合均勻的新制鐵粉和碳粉置于錐形瓶底部，塞上瓶塞（如圖1）。從膠頭滴管中滴入幾滴醋酸溶液，同時測量容器中壓強變化。

圖1

圖2

2.學(xué)生質(zhì)疑現(xiàn)象是否屬實。

3.學(xué)生和教師錄制實驗視頻和曲線變化，進(jìn)行實驗再現(xiàn)。（為了現(xiàn)象更為明顯，鐵粉用量稍作更改，后續(xù)討論是否對實驗結(jié)果造成影響。）

試劑用量：5g 鐵粉、0.5g 碳粉、90%的醋酸，反應(yīng)裝置如裝置1，滴入醋酸同時清零壓強，利用相對壓強傳感器記錄壓強相對變化，繪制曲線。

裝置

曲線1

4.繼續(xù)研究和討論，學(xué)生分為三個研究方向做出初步的探討和研究：

*1.若現(xiàn)象屬實，引起該過程中壓強變化的原因是什么？

*2.若現(xiàn)象屬實，該過程中發(fā)生的電化學(xué)腐蝕類型是什么？

*3.若現(xiàn)象屬實，哪些因素會影響了該過程中發(fā)生的電化學(xué)腐蝕類型？

（設(shè)計意圖：學(xué)生經(jīng)歷對試題實驗數(shù)據(jù)提出質(zhì)疑，經(jīng)過探討發(fā)現(xiàn)研究問題，課前做出初步的猜想，并實驗驗證，體會如何對實驗“異?！爆F(xiàn)象提出質(zhì)疑和假設(shè)，并提出自己的猜想，設(shè)計實驗驗證猜想的科學(xué)研究過程。）

（二）課上：問題的研究與解決。

課上研究成果匯報。

1.研究方向1：引起弱酸性條件下，鐵的電化學(xué)腐蝕過程中壓強先升高后下降的原因。

學(xué)生猜想及對應(yīng)猜想驗證的實驗方案如下：

（1）學(xué)生猜想1：壓強變化與溫度的升高和降低有關(guān)

【方案】同時測定溫度，觀察壓強隨溫度的變化。

【實驗以及結(jié)論】溫度、壓強傳感器同時測定錐形瓶內(nèi)壓強變化和溫度變化，裝置如圖3，實驗結(jié)果顯示隨著壓強的增大溫度開始時持續(xù)上升，后階段隨壓強的降低溫度也在持續(xù)下降，表明壓強增大與溫度升高有關(guān)。

學(xué)生定量測定該過程中溫度和壓強變化，為后面的空白實驗對照法確定析氫腐蝕存在奠定了重要基礎(chǔ)。

圖3

（2）學(xué)生猜想2：與發(fā)生的腐蝕類型有關(guān)。

①前一階段析氫腐蝕：

【方案】

方案1：按照右圖裝置，取等量的鐵粉和碳粉充分混合，吸取醋酸，收集并檢驗氫氣。

實驗：收集并檢驗氫氣。

實驗結(jié)論：該過程發(fā)生了析氫腐蝕，壓強增大與之相關(guān)。

方案2：只升高溫度，測定壓強變化，設(shè)置空白對照實驗，當(dāng)溫度升高值5.0℃時，對比壓強變化與曲線2 中壓強變化的大小，確定是否發(fā)生析氫腐蝕。

【實驗】

方案2：裝置2 中不加任何實際，水浴加熱升溫，記錄壓強變化，與曲線2 中溫度升至最高使壓強變化進(jìn)行對照，實驗數(shù)據(jù)如圖5：

實驗：

數(shù)據(jù)：升高5.0℃，壓強增大4.70kPa

方案2 結(jié)論：

只升溫壓強變化小于原實驗壓強變化，說明該過程發(fā)生了析氫腐蝕，壓強增大與之相關(guān)。

（方案1 的設(shè)計和驗證過程，學(xué)生設(shè)計空白對照實驗，利用壓強差的對比，直觀的感知析氫腐蝕的發(fā)生）

教師點評：方案1 也可以進(jìn)一步改進(jìn)，創(chuàng)造出新的驗證方法。

學(xué)生研討：方案1 可在實驗前進(jìn)行排空氣，若發(fā)現(xiàn)注射器內(nèi)溫度升高了，也可證明發(fā)生了析氫腐蝕，因為沒有氧氣不會發(fā)生吸氧腐蝕。

②后一段吸氧腐蝕：

學(xué)生通過從曲線中最后的壓強低于起始壓強，確定了吸氧腐蝕的發(fā)生。

2.研究方向2：探討該過程中發(fā)生電化學(xué)腐蝕類型。

（1）學(xué)生猜想：析氫腐蝕和吸氧腐蝕共存，只不過前一階段以析氫腐蝕為主，后一階段以吸氧腐蝕為主。

（2）證明方法：本想利用氧氣傳感器測定前階段的氧氣濃度是否下降，但受到實驗條件的影響，未能實現(xiàn)。

利用文獻(xiàn)研究解決問題，證明結(jié)論。溫度、析氫腐蝕和吸氧腐蝕的共同競爭結(jié)果，

（學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)，搜集、整理、甄別文獻(xiàn)，加以論證，證實了兩種腐蝕共存。體會了文獻(xiàn)研究在科研中的重要性。）

3.研究方向3：該過程中影響電化學(xué)腐蝕類型的因素是什么？

（1）學(xué)生猜想：影響因素，鐵粉、碳粉的量和氫離子濃度，學(xué)生設(shè)計實驗方案，實驗驗證，證明鐵粉和碳粉的量是否影響電化學(xué)腐蝕類型。

試劑和藥品：鐵粉、碳粉、90%的醋酸。

鐵粉 碳粉 CH3COOH 壓強以原實驗為參照 5g 0.5 90% 已知壓強變化實驗1 1g 0.5 90% 測壓強實驗2 5g 0.2 90% 測壓強實驗3 5g 0.5 10% 測壓強

學(xué)生方案：利用控制變量法只改變一個影響因素分別實驗（除氫離子外）。

實驗驗證及現(xiàn)象，但對得到的壓強數(shù)據(jù)不知如何運用。

教師利用平板交換實驗方案，學(xué)生研討、交流和借鑒。找到了利用空白對照的方式進(jìn)行空白對照的對比，驗證了猜想。

【1】實驗1 與實驗原實驗對照

結(jié)論：前一階段，實驗1 與原實驗一致，鐵粉不影響電化學(xué)腐蝕類型。

【2】實驗2 與原實驗對照

結(jié)論：前一階段，實驗2 與原實驗碳粉量不影響電化學(xué)腐蝕類型，所以開始實驗再現(xiàn)是鐵粉量的改變不影響兩個階段的腐蝕類型。

學(xué)生分析所有影響電化學(xué)腐蝕類型的影響因素，利用控制變量法設(shè)計多組、不同實驗方案，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，將學(xué)生間的不同方案進(jìn)行討論、交流和借鑒。借助傳感器繪制壓強曲線，學(xué)生從以往依據(jù)表觀現(xiàn)象做出判斷轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚€數(shù)據(jù)準(zhǔn)確論證猜想、解釋原理，拓展了對腐蝕原理的認(rèn)知水平，延伸了學(xué)生思維的深度。