運(yùn)用手持技術(shù)對(duì)鋼鐵的腐蝕進(jìn)行四重表征教學(xué)小探

倪霞

摘要：以鋼鐵的腐蝕為教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)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(guò)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(wèn)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(jiàn)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(guò)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(jiàn)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(jiàn)表2）。

三、教學(xué)方法和教學(xué)問(wèn)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(rùn)濕過(guò)的小試管和稀醋酸潤(rùn)濕過(guò)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(wú)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(wú)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(shuō)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小；同時(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(shuō)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(shuō)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?gòu)奈⒂^角度分析其主要粒子變化，最后落實(shí)符號(hào)信息（見(jiàn)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(guò)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(shū)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(lái)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(guò)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?gòu)奈⒂^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(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生從“四重表征”水平思考問(wèn)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(jué)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(guò)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。