基于項目學習的 “弱酸性條件下，鐵的電化學腐蝕研究”教學設計

劉瑤瑤

項目化學習《高考實驗試題再思考》的設計背景：

該項目成立的背景在于筆者對課標、高考趨勢的分析。課標要求學習者通過化學課程的學習和實踐，應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科關鍵能力。在項目學習《高考實驗試題再思考》開展過程中會接觸不同類別的化學知識、處理各種異?，F(xiàn)象、利用多種數(shù)據(jù)對比等科學研究方法。所以，可以說基于項目的學習能夠最大程度地實現(xiàn)學生化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。另外，高考考查趨勢越來越多地體現(xiàn)對學生化學學科核心素養(yǎng)的考查：（1）更加關注化學科技前沿，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)化學學科的育人價值;（2）更加重視學科方法素養(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生關鍵能力;（3）更注重教學情境創(chuàng)設，聚焦其真實性與問題化，倡導做真實驗、看真現(xiàn)象、進行真探究。基于以上我設計了項目學習《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”提出質疑，通過實驗驗證質疑，研究弱酸性條件的電化學腐蝕現(xiàn)象背后的原理，并再此過程中培養(yǎng)高階思維，提升化學學科核心素養(yǎng)。

學習目標：

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

學情分析：項目開展對象——高三學生

1.高三學生有較全面的化學知識的基礎，但實驗探究能力、數(shù)據(jù)分析、曲線分析能力欠缺，科學思維構建不全面，學科核心素養(yǎng)有待進一步提高;走出課堂，真正實踐的機會較少。

2.高三學生面臨高考沖刺，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)學生從文字、試題中學會歸納、對比等學科思想，也可進一步提升其實驗操作能力和完善的科學思維。

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

教學重點：因為是基于項目的學習，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。

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

教學策略：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，重新研討設計實驗方案，進行實驗驗證，并做出多組實驗中溫度和壓強的對比實現(xiàn)難點的突破。

教學過程：

一、信息技術整合設計意圖

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：當學生對高考實驗產生質疑時，隨時提問和討論，課代表定期對問題進行篩選，確定精華問題，發(fā)起項目學習，教師會在群公告展示精華問題，予以肯定，并通過平臺發(fā)布學習資源予以輔助。

整合設計意圖：實現(xiàn)了問題的發(fā)現(xiàn)與初探。

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

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

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

整合設計意圖：為問題的研究與解決提供數(shù)據(jù)支撐。

實現(xiàn)了學生從以往依據(jù)表觀現(xiàn)象做出判斷轉變?yōu)榻柚€數(shù)據(jù)準確論證猜想、解釋原理，拓展了對腐蝕原理的認知水平，延伸了學生思維的深度。實現(xiàn)了問題的研究與解決?？梢允沟脤W生對該過程中抽象的腐蝕原理認識更深入。

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。

整合設計意圖：為問題的研究與解決提供交互保障。實現(xiàn)了學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。

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

二、教學環(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。

2.學生質疑現(xiàn)象是否屬實。

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

試劑用量：5g鐵粉、0.5g碳粉、90%的醋酸，反應裝置如裝置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。

4.繼續(xù)研究和討論，學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)生的電化學腐蝕類型？

（設計意圖：學生經歷對試題實驗數(shù)據(jù)提出質疑，經過探討發(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)象提出質疑和假設，并提出自己的猜想，設計實驗驗證猜想的科學研究過程。）

（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，鐵的電化學腐蝕過程中壓強先升高后下降的原因。

學生猜想及對應猜想驗證的實驗方案如下：

（1）學生猜想1：壓強變化與溫度的升高和降低有關

【方案】同時測定溫度，觀察壓強隨溫度的變化。

【實驗以及結論】溫度、壓強傳感器同時測定錐形瓶內壓強變化和溫度變化，裝置如圖3，實驗結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。

學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。

（2）學生猜想2：與發(fā)生的腐蝕類型有關。

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。

實驗結論：該過程發(fā)生了析氫腐蝕，壓強增大與之相關。

方案2：只升高溫度，測定壓強變化，設置空白對照實驗，當溫度升高值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。

（方案1的設計和驗證過程，學生設計空白對照實驗，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也可以進一步改進，創(chuàng)造出新的驗證方法。

學生研討：方案1可在實驗前進行排空氣，若發(fā)現(xiàn)注射器內溫度升高了，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)生電化學腐蝕類型。

（1）學生猜想：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)。

利用文獻研究解決問題，證明結論。溫度、析氫腐蝕和吸氧腐蝕的共同競爭結果，

（學生利用互聯(lián)網(wǎng)，搜集、整理、甄別文獻，加以論證，證實了兩種腐蝕共存。體會了文獻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腐蝕類型的因素是什么？

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

試劑和藥品：鐵粉、碳粉、90%的醋酸。

學生方案：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，學生研討、交流和借鑒。找到了利用空白對照的方式進行空白對照的對比，驗證了猜想。

【1】實驗1與實驗原實驗對照

原實驗實驗1

溫度升高5.0℃? ? ? ? ? ? 溫度升高0.0℃

壓強增大6.68kPa? ? ? ? 壓強增大1.37kPa

結論：前一階段，實驗1與原實驗一致，鐵粉不影響電化學腐蝕類型。

【2】實驗2與原實驗對照

結論：前一階段，實驗2與原實驗碳粉量不影響電化學腐蝕類型，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。

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

■ 編輯/魏繼軍