基于項目學習的“弱酸條件下，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、利用多種數據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、數據分析、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，對多組數據進行對比分析，得出的壓強曲線的數據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據支撐。

實現(xiàn)了學生從以往依據表觀現(xiàn)象做出判斷轉變?yōu)榻柚€數據準確論證猜想、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據提出質疑，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，實驗數據如圖5：

實驗：

數據：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，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，但對得到的壓強數據不知如何運用。

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

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，學生從以往依據表觀現(xiàn)象做出判斷轉變?yōu)榻柚€數據準確論證猜想、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