基于STEAM理念的項(xiàng)目式化學(xué)教學(xué)

龐嵩

摘要：鋼鐵的銹蝕及其防護(hù)是對金屬性質(zhì)與應(yīng)用的拓展和實(shí)踐。文章以“第一艘國產(chǎn)航母”為項(xiàng)目背景，將“如何對航空母艦防銹”作為驅(qū)動性問題，細(xì)分為鋼鐵銹蝕的原因、銹蝕速率的影響因素和防護(hù)方法三個項(xiàng)目式任務(wù)進(jìn)行研究，融合化學(xué)、科學(xué)、軍事、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)、食品加工等學(xué)科，嘗試進(jìn)行跨學(xué)科實(shí)踐活動，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)動手能力。

關(guān)鍵詞：STEAM理念；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；跨學(xué)科融合；核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2023）09-0028-07

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.006

STEAM教育作為一種超越傳統(tǒng)的教育模式，采用跨學(xué)科的方法在基于現(xiàn)實(shí)問題情境中教授科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等方面的知識，引導(dǎo)學(xué)生適應(yīng)不斷更新的專業(yè)知識和快速變化的社會生活，提高學(xué)生未來社會競爭力。作為STEAM教育的一種呈現(xiàn)形式，項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是讓學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)對真實(shí)有意義的問題進(jìn)行持續(xù)探究，創(chuàng)造性地解決問題，形成公開成果，達(dá)到對核心知識的再建構(gòu)與思維遷移。

為應(yīng)對創(chuàng)新型社會挑戰(zhàn)，促進(jìn)素質(zhì)教育的有效實(shí)施，培養(yǎng)新時(shí)代所需的綜合型、實(shí)踐型、創(chuàng)新型人才，本節(jié)課基于STEAM理念進(jìn)行項(xiàng)目式化學(xué)教學(xué)新嘗試。

一、教材分析

鋼鐵的銹蝕及其防護(hù)屬于滬教版初中化學(xué)九年級上冊第5章第3節(jié)“金屬防護(hù)和廢金屬回收”中的內(nèi)容。《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對“金屬與金屬礦物”的學(xué)習(xí)提出的教學(xué)要求是：“知道金屬有一些共同的物理性質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)探究等活動認(rèn)識常見金屬的主要化學(xué)性質(zhì)及金屬活動性順序。以鐵生銹為例，了解金屬腐蝕的常用方法。了解廢棄金屬對環(huán)境的影響及金屬回收再利用的價(jià)值”。[1]本節(jié)課以“我國第一艘國產(chǎn)航空母艦——山東號”為項(xiàng)目背景，將“如何對航空母艦防銹”作為驅(qū)動性問題，最終達(dá)成“知道鋼鐵銹蝕的條件并學(xué)會對其防護(hù)”的核心目標(biāo)。教學(xué)過程中采用學(xué)生自評、組內(nèi)互評、教師點(diǎn)評等多樣化的評價(jià)方式，給學(xué)生提供較為全面的認(rèn)知。

二、教學(xué)目標(biāo)及重、難點(diǎn)

1．通過對比實(shí)驗(yàn)和U型管改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和分析，探究鋼鐵生銹的條件以及影響因素，并以此發(fā)展科學(xué)思維，提高創(chuàng)新意識。

2．通過船體鑲嵌金屬的探究，學(xué)會鋼鐵銹蝕的防護(hù)方法，初步形成有關(guān)“物質(zhì)性質(zhì)決定用途”的化學(xué)觀念，解決實(shí)際問題。

教學(xué)重點(diǎn)：鋼鐵生銹的條件和影響兇素。

教學(xué)難點(diǎn)：根據(jù)銹蝕條件探究鋼鐵銹蝕的防護(hù)措施。

三、教學(xué)主線

見圖1。

四、教學(xué)過程

項(xiàng)目背景：2019年12月17日下午，山東艦作為我國第一艘國產(chǎn)航空母艦在海南三亞某軍港交付海軍。山東艦下海航行過程中主要考慮哪些問題？

設(shè)計(jì)意圖：航空母艦作為國之重器，備受人們關(guān)注。建造航母需要大量鋼材，為了能讓航母能長時(shí)間在海上航行，防銹問題尤為重要。因此用我國第一艘國產(chǎn)航母作為項(xiàng)目背景，不僅與化學(xué)教學(xué)貼合緊密，而且對學(xué)生有深刻的愛國和軍事教育意義。

項(xiàng)目式任務(wù)1：鋼鐵銹蝕的原因

【資料1】

取一塊廢舊鐵絲網(wǎng)，將鐵絲網(wǎng)剪成幾小片，用稀鹽酸除去鐵銹后，放人錐形瓶中，如圖2所示。在錐形瓶中加入3～4 mL濃食鹽水，塞緊帶導(dǎo)管的單孔塞后，將導(dǎo)管的另一端伸人滴有紅墨水的水中，過一段時(shí)間后觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

在家用鐵鍋中放人少量水，靜置一夜后觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。如圖3所示。

將鐵粉和木炭粉混合均勻后放人浸有飽和食鹽水的棉花中，如圖4所示，并用氧氣傳感器測出錐形瓶內(nèi)氧氣濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間變化的曲線，如圖5所示。

請 學(xué)們根據(jù)上述信息猜想鐵生銹的條件并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)意圖：圖2是滬教版初中化學(xué)九年級上冊第1章的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過此實(shí)驗(yàn)已經(jīng)知曉鐵生銹需要氧氣和水的共同作用，但教師更多的是給出結(jié)論，并沒有嚴(yán)格地設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，現(xiàn)在給出此圖是為了激活學(xué)生記憶，為下面的猜想做鋪墊。圖3通過生活中的常見現(xiàn)象讓學(xué)生推導(dǎo)鐵生銹需要水的參與。圖4.5通過演示實(shí)驗(yàn)，直觀地展現(xiàn)鐵生銹需要氧氣參與。

學(xué)生分組采用“頭腦風(fēng)暴法”研討實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行展示，教師引導(dǎo)篩選。學(xué)生利用提供的實(shí)驗(yàn)器材搭建實(shí)驗(yàn)裝置，連續(xù)7天觀察并記錄現(xiàn)象，一周后分組進(jìn)行匯報(bào)。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)匯報(bào)1】

取3枚潔凈無銹的鐵釘，分別放人3支試管中。在試管①中加入少量干燥劑（生石灰或無水氯化鈣），再放一團(tuán)干棉球，把鐵釘放在干棉球上，塞緊橡皮塞。在試管②中注滿迅速冷卻的沸水，使鐵釘完全浸沒，塞緊橡皮塞。在試管③中加入少量蒸餾水，使鐵釘?shù)囊话虢]在水中。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖6所示①中鐵釘不生銹；②中鐵釘?shù)谝惶旌偷谌觳簧P，第七天底部有些許銹跡；③中鐵釘生銹，且在空氣與水接觸位置銹蝕最嚴(yán)重。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：鐵在空氣中銹蝕，實(shí)際上是鐵跟氧氣、水等物質(zhì)作用，發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為鐵的化合物的過程。

異常現(xiàn)象及問題：②中鐵釘?shù)撞繛槭裁从行┰S銹跡？

【資料2】用溶解氧傳感器測定不同水樣中的含氧量，見圖7、表1。引導(dǎo)學(xué)生分析，得出結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：迅速冷卻的沸水中依然含有少量氧氣，②中鐵釘長時(shí)間浸沒在水中與水中溶解的少量氧氣反應(yīng)依然會生銹。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生控制水和氧氣兩大變量，設(shè)計(jì)類似書本的對比實(shí)驗(yàn)，通過持續(xù)觀察7天時(shí)間內(nèi)鐵釘?shù)匿P蝕情況，推導(dǎo)鐵生銹條件。同時(shí)試管②中的異常現(xiàn)象也從反面證明鐵生銹是氧氣和水共同作用的結(jié)果。只有知曉鐵生銹的條件，才能為航母防銹提供理論支持。

項(xiàng)目任務(wù)2：鋼鐵銹蝕快慢的影響因素

【資料3】鹽霧是指大氣中由含鹽微小液滴所構(gòu)成的彌散系統(tǒng)。

由表2猜想：鋼鐵銹蝕快慢主要受周圍環(huán)境影響，在鹽霧和酸性環(huán)境下鐵銹蝕速率加快。學(xué)生分組采用“頭腦風(fēng)暴法”研討實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行展示，教師引導(dǎo)篩選。學(xué)生利用提供的實(shí)驗(yàn)器材搭建實(shí)驗(yàn)裝置，連續(xù)7天觀察并記錄現(xiàn)象，一周后分組進(jìn)行匯報(bào)。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)匯報(bào)2】

取3枚潔凈無銹的鐵釘，分別放人3支試管中。在試管③中加入少量蒸餾水，使鐵釘?shù)囊话虢]在水中。在試管④中加入稀硫酸或醋酸溶液，浸沒鐵釘后，倒去溶液。在試管⑤中加入少量氯化鈉溶液，使鐵釘?shù)囊话虢]在溶液中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：7天后試管內(nèi)鐵釘銹蝕情況如圖8所示，④、⑤中的鐵釘比③中鐵釘生銹更快，銹蝕更嚴(yán)重。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：稀硫酸、醋酸溶液和氯化鈉溶液等物質(zhì)存在時(shí)會加快鐵的銹蝕。

過渡：為了將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象數(shù)據(jù)化，便于定量分析生銹過程中的氧氣和水的變化，教師用壓強(qiáng)傳感器改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

【教師演示實(shí)驗(yàn)1】

如圖9所示，三個裝有壓強(qiáng)傳感器的試管中分別放人鐵粉、鐵粉與水、鐵粉與食鹽水，同時(shí)測定試管中壓強(qiáng)的變化，并以曲線形式展示結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：①號試管（裝有鐵粉）中的壓強(qiáng)隨時(shí)間的推移變化不大；②號試管（裝有鐵粉和蒸餾水）中壓強(qiáng)隨時(shí)間的推移慢慢變小；③號試管（裝有鐵粉和食鹽水）中壓強(qiáng)隨時(shí)間的推移快速變小，見圖10。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在其他條件相同時(shí)，在鹽溶液中鋼鐵更容易生銹，生銹速率更快。

過渡：除此以外，鋼鐵銹蝕速率還受到哪些因素影響？

【教師演示實(shí)驗(yàn)2】

按照圖1 1組裝三套實(shí)驗(yàn)裝置，一天后觀察現(xiàn)象。

備注：教師提前一天做好實(shí)驗(yàn)，將三只U型管帶到教室，讓學(xué)生觀察，結(jié)果見圖1 2。

實(shí)現(xiàn)象及結(jié)論：

1．紅色圈畫處鐵釘表面有少量鐵銹，鋼絲棉表面有大量鐵銹，粘在壁上的鐵粉表面有大量鐵銹，說明在其他條件不變時(shí)，鋼鐵與氧氣的接觸面積越大，銹蝕速率越快。

2．黃色圈畫處均不生銹，證明鋼鐵銹蝕需要水的參與。

3．藍(lán)色圈畫處鐵釘和鐵粉的生銹痕跡很不明顯，證明鋼鐵銹蝕需要氧氣參與。鋼絲棉兩側(cè)有較明顯銹跡，證明蒸餾水中有少量氧氣，同時(shí)與其余兩者對比也能證明在其他條件不變時(shí)，鋼鐵與氧氣的接觸面積越大，銹蝕速率越快。

設(shè)計(jì)意圖：項(xiàng)目任務(wù)2是在任務(wù)1的基礎(chǔ)上研究鋼鐵銹蝕速率問題，是對鋼鐵銹蝕認(rèn)識的提升。本項(xiàng)任務(wù)的完成包含了1個學(xué)生對比實(shí)驗(yàn)、2個教師改進(jìn)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行了資料整合。既有現(xiàn)象的定性分析也有數(shù)字傳感器的定量展現(xiàn)，數(shù)形結(jié)合，意在將鐵銹蝕的問題研究透徹。文中鋼絲棉易生銹，而水中鐵粉不易生銹，說明是鋼鐵與氧氣的接觸面積影響銹蝕速率而不是鋼鐵本身的表面積，兩者是有區(qū)別的，同時(shí)也證明化學(xué)反應(yīng)需要物質(zhì)之間相互接觸才能發(fā)生。鹽霧、鹽溶液、酸性環(huán)境都是海上極為常見的自然環(huán)境，通過本項(xiàng)目任務(wù)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生深刻意識到航母所處環(huán)境的惡劣，防銹刻不容緩。

項(xiàng)目任務(wù)3：鋼鐵銹蝕防護(hù)的方法

學(xué)生分組采用“頭腦風(fēng)暴法”研討以下三個問題：

問題1：根據(jù)生銹的條件，可以采用什么樣的原理防止鋼鐵銹蝕？

隔絕氧氣和水。

問題2：航母可以用哪些方法防銹？

涂油噴漆、部分部位制成不銹鋼。

問題3：航空母艦的外殼鑲嵌一種金屬達(dá)到防銹的目的，猜想這種金屬是什么？

教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生利用提供的實(shí)驗(yàn)器材搭建實(shí)驗(yàn)裝置，連續(xù)24 h觀察并記錄現(xiàn)象，一天后分組進(jìn)行匯報(bào)。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)匯報(bào)3】

如圖1 3所示，將鐵釘、裹鋁片的鐵釘、裹鋅片的鐵釘、裹銅片的鐵釘放在滴有酚酞的食鹽水中，觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

如圖14所示，10 min和30 min現(xiàn)象類似：鐵釘表面出現(xiàn)銹斑，溶液變紅，周圍伴有銹跡；裹鋁片的鐵釘表面無明顯銹跡，鐵釘頭部附近的溶液變紅；裹鋅片的鐵釘表面無明顯銹跡，鐵釘頭部和尾部附近的溶液變紅；裹銅片的鐵釘頭部和尾部出現(xiàn)銹斑，銅片附近溶液變紅。

1天以后，除裹鋅片的鐵釘表面無明顯銹跡外，其余鐵釘全部銹蝕。銹蝕程度由高到低分別是：裹銅片的鐵釘>鐵釘>裹鋁片的鐵釘。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：航空母艦的外殼鑲嵌鋅塊達(dá)到防銹的目的。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過模擬航母外殼鑲嵌金屬實(shí)驗(yàn)，用事實(shí)證明鑲嵌的金屬是鋅塊。實(shí)驗(yàn)不僅趣味性十足而且鍛煉學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力。裹鋁片的鐵釘還是會讓鐵釘生銹的原因可能是鋁表面快速生成致密的氧化鋁膜進(jìn)行了自我保護(hù)，但無法阻止鐵釘銹蝕。溶液變紅的原因是鐵銹蝕過程中產(chǎn)生了大量的氫氧根離子。設(shè)計(jì)意圖是讓學(xué)生根據(jù)變紅區(qū)域區(qū)分生銹部位，但是氫氧根離子在溶液中均勻分散，致使顯色區(qū)分不明顯，甚至部分區(qū)域的紅色被銹跡完全覆蓋，效果較差。

過渡：由于這些反應(yīng)都是在溶液中進(jìn)行的，尤其對于顯色反應(yīng)而言，溶液的輕微晃動就會導(dǎo)致顯色區(qū)域的破壞。有沒有什么方法能讓顯色區(qū)域固定不受晃動干擾？

【教師演示實(shí)驗(yàn)3】

利用吉利丁粉[明膠（99%）、卡拉膠（1%）]改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。

將吉利丁粉溶解在冷水中，水浴加熱至80℃，加入適量食鹽水和酚酞，倒人模具中備用。將裹鋁片的鐵釘，裹鋅片的鐵釘，裹銅片的鐵釘放在凝膠中，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖15所示，顯色區(qū)域固定不受晃動干擾，紅色區(qū)域顯色非常明顯，區(qū)分度很高。裹鋁片的鐵釘和裹鋅片的鐵釘表面無明顯銹跡，鐵釘?shù)念^部和尾部附近凝膠變紅；裹銅片的鐵釘頭部和尾部明顯生銹，銅片附近凝膠變紅。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：航空母艦的外殼鑲嵌鋅塊達(dá)到防銹的目的。

設(shè)計(jì)意圖：將溶液中進(jìn)行的鐵釘銹蝕反應(yīng)轉(zhuǎn)入凝膠中進(jìn)行，能夠非常有效地標(biāo)示出金屬腐蝕過程中形成的“微電池”的陰、陽極位置，反應(yīng)過程的圖像穩(wěn)定，不容易因碰撞或者溶液擴(kuò)散而被快速破壞，可以讓學(xué)生觀察到更多反應(yīng)過程的細(xì)節(jié)，提高學(xué)習(xí)的興趣。[4]

實(shí)驗(yàn)反思：為什么鋅塊能起到防銹目的？

【資料4】

鋼鐵在接近中性的潮濕空氣中的腐蝕屬于吸氧腐蝕，其電極反應(yīng)如下：

正極：O2+ 2H2O+4e==40H-

負(fù)極：2Fe - 4e==2Fe2+

總反應(yīng)：2Fe+O2+2H2O==2Fe（OH）2

后續(xù)反應(yīng)：4Fe（OH）2+O2+2H2O==4Fe（OH）3

鐵銹蝕的本質(zhì)是鐵失去電子變成亞鐵離子的過程，只要有金屬能代替鐵失去電子就可以起到保護(hù)作用，所以需要找比鐵活潑的金屬，例如：Zn和Al。

紅色區(qū)域說明周圍有大量的氫氧根離子，這是電源的正極，附近的大量的電子起到保護(hù)作用，所以紅色區(qū)域“非常安全”，由此也可以看出金屬鋅的保護(hù)作用，銅的加速銹蝕作用。

設(shè)計(jì)意圖：此環(huán)節(jié)是想借助電極反應(yīng)解釋為什么航母外殼鑲嵌金屬鋅可以起到保護(hù)作用，并由此引發(fā)學(xué)生思考。根據(jù)該原理，還有哪些金屬可以鑲嵌在航母外殼上？理論上可以，為什么實(shí)際不可以？這也為后續(xù)的項(xiàng)目任務(wù)做鋪墊。這樣的項(xiàng)目式教學(xué)才能不斷驅(qū)動學(xué)生深入研究，教學(xué)才能煥發(fā)生機(jī)與活力。

【板書設(shè)計(jì)】

意義解讀：鋼鐵銹蝕需要氧氣、水的共同作用，條件缺一不可。在鐵的周圍覆蓋一圈電子可以對鐵起到保護(hù)作用。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課以“我國第一艘國產(chǎn)航空母艦一山東號”為項(xiàng)目背景，將“如何對航空母艦防銹”作為驅(qū)動性問題，分三個項(xiàng)目任務(wù)：鋼鐵銹蝕的原兇、鋼鐵銹蝕快慢的影響因素、鋼鐵銹蝕防護(hù)的方法，用三個課時(shí)的時(shí)間讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究了解鋼鐵銹蝕的條件并學(xué)會對其防護(hù)。項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)施過程中一直滲透STEAM教學(xué)理念，將跨學(xué)科實(shí)踐活動融人教學(xué)，最終取得了理想的效果。

節(jié)課利用吉利丁粉改進(jìn)實(shí)驗(yàn)也可以用于金屬活動性的研究。具體來看只要將鐵釘與不同金屬連接，便能夠清晰地顯示不同金屬的活動性順序。整個實(shí)驗(yàn)過程簡單、安全、廉價(jià)，其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路可以發(fā)展到其他實(shí)驗(yàn)體系中，以可視化的形式表現(xiàn)置換反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、原電池以及金屬腐蝕等研究課題，適合初中、高中學(xué)生進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)或創(chuàng)新拓展活動，對學(xué)生的素質(zhì)培養(yǎng)有積極的幫助作用。[4]

本節(jié)課的思維導(dǎo)圖——化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，見圖17。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部．義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S]．北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：19-20.

[2] 楊硯寧．基于證據(jù)推理的科學(xué)探究：實(shí)驗(yàn)、評價(jià)及反思——以“鐵釘銹蝕實(shí)驗(yàn)”為例[J]．化學(xué)教與學(xué)，2017（02）：13-15.

[3] 顧丹丹．“境脈式教學(xué)”在初中化學(xué)新授課中的應(yīng)用探究——以“金屬的腐蝕與防護(hù)”為例[J]．名師在線，2021（18）：28-29.

[4] 許騁藝，王德明，吳梅芬．鐵釘銹蝕實(shí)驗(yàn)的新觀察[J]．化學(xué)育（中英文），2017，38（17）：47-49.