走向核心素養(yǎng)的化學(xué)深度學(xué)習(xí)

牛彩霞　鄒映波

摘要： 電化學(xué)在高中化學(xué)基本理論知識(shí)體系中占有重要地位，金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)屬于電化學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用部分。以“保護(hù)海洋平臺(tái)”為項(xiàng)目進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，學(xué)生自主構(gòu)建金屬腐蝕和原電池模型之間的關(guān)聯(lián)，并從模型的兩個(gè)角度（裝置和原理）出發(fā)提出相應(yīng)的防腐措施，學(xué)生用化學(xué)原理解決實(shí)際問(wèn)題的能力得到提高，高階思維得以體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)核心素養(yǎng); 深度學(xué)習(xí); 模型構(gòu)建; 問(wèn)題解決; 金屬電化學(xué)腐蝕與防護(hù)

文章編號(hào)： 10056629（2020）08003905

中圖分類(lèi)號(hào)： G633 8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

深度學(xué)習(xí)是一種高水平的學(xué)習(xí)，是一種高階思維的理解與認(rèn)知。在學(xué)習(xí)活動(dòng)中，設(shè)計(jì)者應(yīng)通過(guò)一定的學(xué)習(xí)資源和實(shí)踐活動(dòng)，幫助學(xué)生系統(tǒng)、深入地分析看似單一、零散的知識(shí)點(diǎn)，自主構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系，并整合利用知識(shí)體系和信息解決實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移和創(chuàng)造。所以，深度學(xué)習(xí)能夠助力學(xué)生“證據(jù)推理”“模型認(rèn)知”等核心素養(yǎng)的發(fā)展[1]。深度學(xué)習(xí)理論指出，實(shí)施深度學(xué)習(xí)，關(guān)鍵是將學(xué)習(xí)目標(biāo)、挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)主題、深度學(xué)習(xí)活動(dòng)和持續(xù)性學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)四個(gè)要素有效關(guān)聯(lián)和落實(shí)[2]。

電化學(xué)在高中化學(xué)基本理論知識(shí)體系中占有重要地位?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對(duì)本節(jié)課的要求是利用電化學(xué)原理解釋金屬腐蝕現(xiàn)象，選擇設(shè)計(jì)防腐措施[3]。2018年北京卷高考考試說(shuō)明對(duì)此部分知識(shí)的要求是了解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因、危害及防腐措施。金屬腐蝕會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，是一個(gè)普遍存在的世界性難題，因此金屬腐蝕以及防腐問(wèn)題的研究具有重要價(jià)值。該問(wèn)題的研究過(guò)程能夠逐漸培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)原理和化學(xué)思維分析問(wèn)題、揭示問(wèn)題實(shí)質(zhì)并解決實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)一步落實(shí)“微觀探析”“證據(jù)推理”“模型認(rèn)知”等核心素養(yǎng)。然而，學(xué)生在分析解決這類(lèi)實(shí)際問(wèn)題時(shí)往往存在障礙，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，金屬生銹問(wèn)題與原電池不能準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)是學(xué)生的思維障礙點(diǎn)。主要原因在于學(xué)生對(duì)原電池模型理解過(guò)于死板，停留在淺層次，不能全面關(guān)注被腐蝕物質(zhì)的成分及其所處的環(huán)境，從實(shí)際環(huán)境中抽離出原電池模型，形成有序、系統(tǒng)的思維模型。

金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)作為電化學(xué)的最后一節(jié)內(nèi)容，亟須幫助學(xué)生形成在實(shí)際環(huán)境中抽離出電化學(xué)模型的方法，并用模型解決實(shí)際問(wèn)題。在此過(guò)程中不斷增加學(xué)生思維的深度，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)深層次的理解和運(yùn)用。

1? 基于深度學(xué)習(xí)的案例設(shè)計(jì)思路

在深度學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，本節(jié)課以“保護(hù)海洋平臺(tái)——金屬電化學(xué)腐蝕與防護(hù)”為項(xiàng)目進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。海洋平臺(tái)是人們進(jìn)行諸多海上活動(dòng)的后勤保障，卻面臨著嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，防腐的重要性不言而喻。海洋平臺(tái)的主要材料是鋼，其腐蝕是鋼鐵腐蝕的重要代表，又由于其所處的環(huán)境是大海，它的腐蝕是典型的電化學(xué)腐蝕，而防腐方法又涉及原電池、電解池的相關(guān)知識(shí)。學(xué)生以“海洋平臺(tái)電化學(xué)腐蝕的原理和防腐”為活動(dòng)主線，把“電化學(xué)理論的基礎(chǔ)知識(shí)和分析思路”貫穿于整個(gè)問(wèn)題解決的過(guò)程中，學(xué)生的“微觀探析”“證據(jù)推理”“模型認(rèn)知”等核心素養(yǎng)得到落實(shí)（見(jiàn)圖1）。

在問(wèn)題解決過(guò)程中，學(xué)生主動(dòng)將任務(wù)拆解為海洋平臺(tái)腐蝕的原理和防腐措施兩個(gè)子任務(wù)。隨著海洋平臺(tái)腐蝕原理分析這一子任務(wù)的完成，學(xué)生從反應(yīng)原理和裝置兩個(gè)角度，自主建立金屬腐蝕和原電池模型（見(jiàn)圖2）之間的關(guān)聯(lián)，總結(jié)金屬腐蝕的化學(xué)本質(zhì)： 通過(guò)原電池反應(yīng)，金屬失去電子被氧化。接下來(lái)從模型的兩個(gè)角度出發(fā)提出相應(yīng)的防腐措施，總結(jié)金屬防腐的化學(xué)本質(zhì)： 抑制原電池反應(yīng)發(fā)生，抑制金屬失電子。學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用化學(xué)知識(shí)和化學(xué)思維進(jìn)行問(wèn)題的分析與解決，正確認(rèn)識(shí)化學(xué)科學(xué)與社會(huì)的相互聯(lián)系，感受化學(xué)與現(xiàn)實(shí)生活的緊密聯(lián)系，進(jìn)一步體會(huì)化學(xué)學(xué)科的社會(huì)價(jià)值。

2? 基于深度學(xué)習(xí)的案例實(shí)施過(guò)程

2.1? 選定項(xiàng)目

[問(wèn)題情境]2010年9月，山東東營(yíng)勝利油田位于渤海的作業(yè)3號(hào)海洋平臺(tái)發(fā)生傾斜45°事故，造成人員傷亡。事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此次事故與海洋平臺(tái)被腐蝕有關(guān)。實(shí)際上，海洋平臺(tái)腐蝕現(xiàn)象非常普遍，為我國(guó)帶來(lái)了巨大的損失[4]。

[學(xué)生]選定研究項(xiàng)目為保護(hù)海洋平臺(tái)，并提出驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題： 什么是海洋平臺(tái)腐蝕？海洋平臺(tái)腐蝕的原理是什么？如何避免海洋平臺(tái)腐蝕？

設(shè)計(jì)意圖： 任務(wù)設(shè)計(jì)直指學(xué)生認(rèn)識(shí)問(wèn)題、解決問(wèn)題的思路，學(xué)生將保護(hù)海洋平臺(tái)這一真實(shí)情境問(wèn)題轉(zhuǎn)化為學(xué)科問(wèn)題： 海洋平臺(tái)電化學(xué)腐蝕的原理是什么？如何抑制電化學(xué)腐蝕發(fā)生？在這一過(guò)程中逐漸形成解決問(wèn)題的系統(tǒng)思路： 是什么（實(shí)質(zhì)）→為什么（原理）→帶來(lái)什么影響（正面、負(fù)面）→如何做（針對(duì)原理設(shè)計(jì)方案）。

2.2? 拆解項(xiàng)目

[教師]提供資料： 海洋平臺(tái)腐蝕主要為電化學(xué)腐蝕，海洋平臺(tái)發(fā)生了原電池反應(yīng)。

[學(xué)生]依據(jù)資料及驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，主動(dòng)將該項(xiàng)目拆解為兩個(gè)子項(xiàng)目： （1）探究海洋平臺(tái)腐蝕的電化學(xué)原理;（2）應(yīng)用電化學(xué)原理提出合理的保護(hù)海洋平臺(tái)的方案。

[教師]組織學(xué)生匯報(bào)項(xiàng)目規(guī)劃結(jié)果，并優(yōu)化規(guī)劃方案，最終確定方案如下（見(jiàn)圖3）：

2.3? 活動(dòng)實(shí)施

2.3.1? 探究海洋平臺(tái)腐蝕的本質(zhì)

[學(xué)生]觀察海洋平臺(tái)的實(shí)物圖，在學(xué)案上畫(huà)出海洋平臺(tái)被腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域，并說(shuō)明理由。

（1） 探查與外顯學(xué)生認(rèn)知障礙。

[學(xué)生]回顧電化學(xué)模型，并結(jié)合電化學(xué)模型解釋海洋平臺(tái)被腐蝕的電化學(xué)實(shí)質(zhì)，結(jié)合實(shí)際和原電池模型，畫(huà)出關(guān)聯(lián)示意圖。在此過(guò)程中遇到障礙： 找不到正極，找不到離子導(dǎo)體，找不到得電子物質(zhì)等。

（2） 突破學(xué)生認(rèn)知障礙。

[教師]提供資料，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合資料解決遇到的困難。

資料1： 海洋平臺(tái)的主要材料是鋼（鐵碳合金）。

資料2： 海水呈弱堿性，pH約為8.1。

[學(xué)生]分析、討論、找到各要素： ①正極——C;②電子導(dǎo)體——合金里Fe和C相互接觸;③失電子物質(zhì)——Fe;④離子導(dǎo)體——大海;⑤得電子物質(zhì)——O2。

[教師]發(fā)布任務(wù)： 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)上述體系確實(shí)可以發(fā)生原電池反應(yīng)，且正極得電子物質(zhì)為O2。

[學(xué)生]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述體系確實(shí)可以發(fā)生原電池反應(yīng)（見(jiàn)圖4）。

[學(xué)生]進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)在FeCNaCl溶液體系中正極得電子物質(zhì)為O2（見(jiàn)圖5）。

[學(xué)生]完善原電池模型，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模型優(yōu)化（見(jiàn)圖6），寫(xiě)出該原電池的電極及總反應(yīng)式，總結(jié)海洋平臺(tái)腐蝕實(shí)質(zhì)： 通過(guò)原電池反應(yīng)，金屬失去電子被氧化。

負(fù)極：

2Fe-4e-2Fe2+（式1）

正極：

O2+4e-+2H2O4OH-（式2）

總反應(yīng)：

2Fe+O2+2H2O2Fe（OH）2（式3）

通過(guò)進(jìn)一步思考，結(jié)合已學(xué)知識(shí)，繼續(xù)完善鐵銹的形成過(guò)程：

4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3（式4）

Fe（OH）3失水生成Fe2O3·xH2O。

（3） 形成與外顯認(rèn)知模型。

[教師]氧氣在正極得電子的金屬腐蝕為吸氧腐蝕。當(dāng)電解液呈酸性時(shí)，會(huì)觀察到有氣泡產(chǎn)生，這種氣體經(jīng)檢驗(yàn)是氫氣，此時(shí)在正極得電子的粒子是氫離子，這樣的腐蝕為析氫腐蝕，在強(qiáng)酸性環(huán)境下發(fā)生。吸氧腐蝕在弱酸、弱堿或者中性條件下發(fā)生，在我們的日常生活中，吸氧腐蝕是最為普遍的一種腐蝕。

[教師]引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)關(guān)聯(lián)實(shí)際問(wèn)題和原電池模型的方法： 關(guān)注物質(zhì)和環(huán)境。

設(shè)計(jì)意圖： 通過(guò)分析海洋平臺(tái)電化學(xué)腐蝕原理，提取并關(guān)聯(lián)原電池模型，形成分析思路。首先，通過(guò)觀察海洋平臺(tái)腐蝕最嚴(yán)重的部位，學(xué)生回憶鞏固原有知識(shí)： 金屬腐蝕條件是同時(shí)與空氣和水接觸。進(jìn)一步關(guān)聯(lián)金屬腐蝕與原電池模型，在關(guān)聯(lián)過(guò)程中，學(xué)生障礙外顯，從而精準(zhǔn)定位學(xué)生的難點(diǎn)。然后，通過(guò)閱讀資料以及不斷追問(wèn)的方式，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)（海洋平臺(tái)）及所處的環(huán)境（空氣、海洋）中尋找能發(fā)生的原電池反應(yīng)以及原電池模型的要素，突破思維障礙，并進(jìn)一步通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。最終，形成關(guān)聯(lián)實(shí)際問(wèn)題和原電池模型的思路方法： 關(guān)注物質(zhì)和環(huán)境。

2.3.2? 設(shè)計(jì)海洋平臺(tái)防腐方案——應(yīng)用認(rèn)知模型

[學(xué)生]依據(jù)電化學(xué)原理，提出防腐思路——切斷原電池閉合回路，阻礙金屬失電子。

[學(xué)生]匯報(bào)、展示海洋平臺(tái)防腐方案。

[教師]點(diǎn)評(píng)方案，將學(xué)生方案進(jìn)行規(guī)范化表達(dá)： 涂層法、犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法、外加電流的陰極保護(hù)法等。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生從不同角度將防腐方案進(jìn)行歸類(lèi)： 一是從反應(yīng)實(shí)質(zhì)的角度出發(fā)，抑制金屬失電子;二是從裝置的角度出發(fā)，切斷閉合回路（見(jiàn)表1）。

原理隔絕了氧氣和海水，切斷了原電池的閉合回路鋅失電子比鐵強(qiáng)，抑制了鐵失電子被氧化鐵與電源負(fù)極相連，強(qiáng)力抑制鐵失電子被氧化

角度裝置： 切斷閉合回路實(shí)質(zhì)： 抑制金屬失電子

[教師]發(fā)布任務(wù)： 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法的合理性。

提供資料： 鐵氰化鉀化學(xué)式K3[Fe（CN）6]，遇到Fe2+能生成藍(lán)色沉淀。

3Fe2++2[Fe（CN）6]3-Fe3[Fe（CN）6]2↓

[學(xué)生]閱讀資料卡片，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，交流展示（見(jiàn)圖7）。

設(shè)計(jì)意圖： 培養(yǎng)和提高學(xué)生將實(shí)際問(wèn)題和原電池模型相關(guān)聯(lián)的思路用于解決實(shí)際問(wèn)題的能力。學(xué)生從形成原電池的兩個(gè)角度（實(shí)質(zhì)和裝置）出發(fā)，關(guān)注實(shí)際情境中的物質(zhì)和環(huán)境，設(shè)計(jì)海洋平臺(tái)的防腐措施，并能說(shuō)出原理。進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的防腐方法的合理性。

2.4? 評(píng)價(jià)反思

[教師]組織各組進(jìn)行交流反思。

[學(xué)生]總結(jié)電化學(xué)原理解決實(shí)際問(wèn)題的方法和思路：

關(guān)注物質(zhì)和環(huán)境，將實(shí)際情境與原理模型的要素進(jìn)行逐一關(guān)聯(lián)，再利用模型的不同要素解決實(shí)際問(wèn)題，如圖8所示。

3? 基于深度學(xué)習(xí)的案例反思

教師聚焦學(xué)科本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注電化學(xué)腐蝕和防腐之間的內(nèi)在聯(lián)系，以此為依據(jù)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，設(shè)計(jì)活動(dòng)平臺(tái)，學(xué)生在這樣的平臺(tái)中完成深度學(xué)習(xí)。在任務(wù)完成過(guò)程中，學(xué)生經(jīng)過(guò)證據(jù)推理、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不斷完善和證實(shí)，逐步形成結(jié)構(gòu)化的認(rèn)知模型，并應(yīng)用認(rèn)知模型解決實(shí)際問(wèn)題，從而學(xué)生的思維能力得到進(jìn)一步提升，化學(xué)核心素養(yǎng)得以發(fā)展和落實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒定兵. 建構(gòu)認(rèn)知模型? 促進(jìn)深度學(xué)習(xí)——以高三選修模塊復(fù)習(xí)課“物質(zhì)的分離與提純”為例[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （1）： 41～45， 51.

[2]陳爭(zhēng). 指向素養(yǎng)養(yǎng)成的化學(xué)深度學(xué)習(xí)——《保護(hù)珊瑚礁——水溶液中的離子平衡主題復(fù)習(xí)課》例析[J]. 基礎(chǔ)教育課程， 2019， （243～244）： 85～91.

[3]中華人民共和國(guó)教育部制定.

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 33～36.

[4]王義， 靳有. 淺析海洋平臺(tái)腐蝕與防護(hù)[J]. 全面腐蝕控制， 2013， 27（3）： 8～10.