借助NB虛擬實(shí)驗(yàn)的社會(huì)性科學(xué)議題教學(xué)研究*
——以“冬奧會(huì)滑雪大跳臺(tái)的建設(shè)：金屬的腐蝕與防護(hù)”為例

禹圓圓 楊林 畢淑嫻

寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 銀川 750021

1 議題的提出

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)“結(jié)合學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人類面臨的與化學(xué)有關(guān)的社會(huì)問題，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感、參與意識(shí)和決策能力”。而社會(huì)性科學(xué)議題（SSI）是以社會(huì)熱點(diǎn)科學(xué)問題為研究情境，讓學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)，探究分析并逐步解決科學(xué)議題的過程[1]。所以，將社會(huì)性科學(xué)議題融入實(shí)際教學(xué)中不僅為化學(xué)教學(xué)提供了契合實(shí)際的教學(xué)情境，而且可以有針對(duì)性地引導(dǎo)學(xué)生去關(guān)注社會(huì)性問題，提升學(xué)生核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和愛國情懷。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是以驅(qū)動(dòng)性問題為核心，對(duì)基于真實(shí)問題情境所創(chuàng)設(shè)的一系列問題進(jìn)行有效設(shè)計(jì)與組織，使學(xué)生進(jìn)行有意義的探究性學(xué)習(xí)的教學(xué)方式[2]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)有利于落實(shí)“素養(yǎng)為本”的化學(xué)課堂教學(xué)。NB 虛擬實(shí)驗(yàn)是一款化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，該軟件涵蓋了人教版初高中化學(xué)教材中的全部經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，該虛擬實(shí)驗(yàn)軟件提供與實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作方法類似的操作體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源共享、綠色化、安全化。因此，以社會(huì)性科學(xué)議題作為主要驅(qū)動(dòng)性問題展開借助NB虛擬實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是行之有效的，能夠提升學(xué)生的必備化學(xué)知識(shí)水平和關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技能，能夠促進(jìn)學(xué)生探究能力、決策能力、素養(yǎng)水平的發(fā)展，能夠推動(dòng)中學(xué)化學(xué)教學(xué)情境化、信息化、現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)。

在2022年的北京冬季奧運(yùn)會(huì)中，自由式滑雪和單板滑雪比賽的場地為首鋼滑雪大跳臺(tái)，北京冬奧會(huì)的成功舉辦首鋼滑雪大跳臺(tái)功不可沒。大跳臺(tái)主體結(jié)構(gòu)用鋼共4 100 噸，99.55%采用高強(qiáng)度鋼。但是，鋼鐵很容易生銹而被腐蝕，每年因腐蝕而損失的鋼材占世界鋼鐵年產(chǎn)量的四分之一，如此看來，鋼鐵腐蝕的防護(hù)就顯得尤為重要?！敖饘俚母g與防護(hù)”是人教版高中化學(xué)選擇性必修一化學(xué)反應(yīng)原理第四章第三節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容一方面讓學(xué)生體會(huì)到電化學(xué)知識(shí)在生活中的重要作用，另一方面是對(duì)學(xué)生原電池和電解池知識(shí)的深化和拓展。

2 設(shè)計(jì)思路與亮點(diǎn)

本研究基于社會(huì)性科學(xué)議題進(jìn)行中學(xué)化學(xué)知識(shí)的項(xiàng)目式教學(xué)，以“冬奧會(huì)滑雪大跳臺(tái)的建設(shè)”為社會(huì)性議題背景，以“金屬的腐蝕與防護(hù)”為具體項(xiàng)目案例，借助NB虛擬實(shí)驗(yàn)展開教學(xué)研究。在此過程中，通過驅(qū)動(dòng)性問題的引導(dǎo)，讓學(xué)生在逐步思考探索中尋找社會(huì)性議題的答案，掌握科學(xué)知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)關(guān)注社會(huì)問題、解決社會(huì)問題的能力。

1）以社會(huì)性議題“冬奧會(huì)滑雪大跳臺(tái)的建設(shè)”作為教學(xué)情境引入“金屬的腐蝕與防護(hù)”的教學(xué)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會(huì)、關(guān)注生活，并善于從生活情境中發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)為社會(huì)問題出謀劃策，解決實(shí)際問題。這有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任，并激發(fā)學(xué)生的愛國情懷。

2）NB 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供與實(shí)際操作相類似的體驗(yàn)還原了真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，改變了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)只能去實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)狀，且提供了理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，避免了實(shí)驗(yàn)的不安全因素，同時(shí)引發(fā)學(xué)生好奇，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。借助NB 實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生自主嘗試模擬鋼鐵被腐蝕和被保護(hù)的過程，能夠拓展學(xué)生視野，開拓學(xué)生創(chuàng)新思維，讓學(xué)生感受化學(xué)實(shí)驗(yàn)與信息技術(shù)結(jié)合的魅力。

3 項(xiàng)目目標(biāo)

1）以“防止冬奧會(huì)滑雪大跳臺(tái)鋼體結(jié)構(gòu)腐蝕”為議題背景，開展“金屬的腐蝕與防護(hù)”知識(shí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生知道金屬腐蝕的原因以及如何防止金屬腐蝕[3]。以國之大事為基，開展化學(xué)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會(huì)、關(guān)注生活，讓學(xué)生善于從生活中發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題，并聯(lián)系所學(xué)知識(shí)內(nèi)容解決社會(huì)性科學(xué)議題，以此培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)和社會(huì)責(zé)任。

2）將整體知識(shí)內(nèi)容作為總項(xiàng)目，再將總項(xiàng)目細(xì)化為多個(gè)子項(xiàng)目[4]，并以驅(qū)動(dòng)性問題作為研究主線展開探究性學(xué)習(xí)，在此過程中，鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力、探究能力和問題解決能力。

3）借助NB 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行探究性教學(xué)，讓學(xué)生感受化學(xué)實(shí)驗(yàn)與信息技術(shù)結(jié)合的奇妙與樂趣，以此提升學(xué)生對(duì)于化學(xué)學(xué)科的喜愛和熱情，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科興趣，推動(dòng)信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的高度融合。

4 項(xiàng)目具體實(shí)施

環(huán)節(jié)一：科學(xué)議題，項(xiàng)目引入

【情境】教師帶領(lǐng)學(xué)生觀看冬奧會(huì)滑雪比賽，滑雪包括自由式滑雪、高山滑雪、跳臺(tái)滑雪、單板滑雪和越野滑雪5 個(gè)分項(xiàng)，其中自由式滑雪最引人矚目，運(yùn)動(dòng)員們?cè)趯ｉT的鋼體滑雪場的斜坡上展翅高飛、自由降落，盡情地展示華麗的技巧和高超的技術(shù)（注：讓學(xué)生在觀看視頻的過程中尋找與化學(xué)有關(guān)的科學(xué)問題，并查閱資料）。

【學(xué)生交流】滑雪大跳臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)是各種合金，合金各項(xiàng)性能優(yōu)于金屬單質(zhì)?；┐筇_(tái)的合金以鋼為主，大跳臺(tái)主體結(jié)構(gòu)用鋼共4 100 噸，99.55%采用高強(qiáng)度鋼。但是鋼鐵容易腐蝕，不僅造成了經(jīng)濟(jì)上的損失，而且對(duì)于安全構(gòu)成威脅，需要采取措施防止鋼鐵的腐蝕。

【設(shè)計(jì)意圖】培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷和民族自信心，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和科學(xué)意識(shí)，讓學(xué)生有意關(guān)注社會(huì)和生活，落實(shí)立德樹人的教育理念，將學(xué)生培養(yǎng)成為德、智、體、美、勞全面發(fā)展的全能型人才。

環(huán)節(jié)二：項(xiàng)目開展，問題驅(qū)動(dòng)

【問題1】鋼鐵腐蝕的原因是什么？如何防止鋼鐵的腐蝕？

【探究活動(dòng)】取兩支試管，分別向其中加入5 ml 稀硫酸，然后在試管1 中加入1 g 純鐵粉，在試管2 中加入1 g 純鐵粉和0.5 g 碳粉，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并思考以下問題。

1）哪一支試管中產(chǎn)生氣泡的速度快？

2）聯(lián)系原電池的知識(shí)分析試管1 和試管2 中氣泡產(chǎn)生差異的原因？

【學(xué)生交流】兩支試管中均產(chǎn)生了氣泡，但是試管2 中比試管1 中產(chǎn)生的氣泡速度快，這是因?yàn)樵嚬? 中發(fā)生的是鐵與硫酸的置換反應(yīng)。而試管2加入碳粉后，具備了鐵和碳兩個(gè)活潑性不同的電極，且浸泡在硫酸溶液中，因此形成了原電池，發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，加快了該反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率。

【教師講解】置換反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)，可知，兩支試管中都發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，我們將金屬或合金與接觸的氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而腐蝕損耗的過程叫作金屬的腐蝕。其本質(zhì)是金屬失去電子轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匐x子的過程，即M-ne-==Mn+。

1）金屬的腐蝕：金屬或合金與接觸的氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而腐蝕損耗的過程。金屬腐蝕主要分為以下兩種。

a.化學(xué)腐蝕：金屬與接觸的干燥氣體或液體等直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引起的腐蝕（試管1）。

b.電化學(xué)腐蝕：不純金屬與電解質(zhì)溶液接觸，形成原電池，使金屬失去電子被氧化而引起的腐蝕（試管2）。

【學(xué)生探究】根據(jù)試管2 中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)繪制原電池的電化學(xué)反應(yīng)裝置圖，并用NB 化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)踐，如圖1所示。

圖1 電化學(xué)腐蝕裝置圖

【實(shí)驗(yàn)分析】通過分析該實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，鐵在較強(qiáng)的酸性環(huán)境中能發(fā)生反應(yīng)，且產(chǎn)生氫氣，我們將這類反應(yīng)叫作析氫腐蝕。

①析氫腐蝕：金屬在較強(qiáng)的酸性溶液中發(fā)生腐蝕并有氫氣產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕。

負(fù)極：Fe-2e-===Fe2+；正極：2H++2e-===H2；總反應(yīng)：Fe+2H+===Fe2++H2

【問題2】從析氫腐蝕的角度說明鋼鐵在潮濕的空氣中是如何發(fā)生腐蝕的？

【學(xué)生交流】鋼鐵在潮濕的空氣中表面會(huì)形成一層水膜，水膜又溶解了CO2、SO2、H2S 等氣體，使水膜中含有一定的H+，導(dǎo)致水膜呈酸性。鋼鐵是合金，與酸性溶液形成了原電池，發(fā)生了電化學(xué)腐蝕。

【問題3】還有一些金屬處于弱酸性或者中性的環(huán)境中，仍然會(huì)被腐蝕，是什么原因呢？

【探究活動(dòng)】將經(jīng)過酸洗除銹的鐵釘，用食鹽水浸泡下，放入如圖2所示的具支試管中，觀察水柱的變化。

圖2 鐵釘?shù)奈醺g

【學(xué)生交流】導(dǎo)管中水柱上升，鐵釘生銹，表明空氣中有氣體參與了鐵的腐蝕反應(yīng)。

②吸氧腐蝕：金屬在酸性弱或者中性溶液里，空氣中的氧氣溶解于金屬表面的水膜中，發(fā)生的電化學(xué)腐蝕。

正極：2Fe-4e-===2Fe+； 負(fù)極：O2+2H2O+4e-===4OH-；總反應(yīng)：2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2

【視頻動(dòng)畫】播放金屬表面發(fā)生吸氧腐蝕的微觀反應(yīng)視頻，學(xué)生從微觀反應(yīng)角度感受吸氧腐蝕的原理。

【原理深析】吸氧腐蝕的產(chǎn)物Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2不穩(wěn)定，會(huì)與空氣中的O2和H2O 反應(yīng)生成Fe2O3，即鐵銹的主要成分。

【設(shè)計(jì)意圖】通過設(shè)計(jì)鐵粉生銹的對(duì)比小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生理解金屬腐蝕的概念和分類，明白化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕對(duì)于鋼鐵材料的危害。接著，借助兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)來學(xué)習(xí)析氫腐蝕和吸氧腐蝕的相關(guān)概念，讓學(xué)生明白常見的金屬被腐蝕的原理，為后期學(xué)習(xí)金屬的防護(hù)打下扎實(shí)基礎(chǔ)，確保學(xué)生能夠完成科學(xué)議題的解決。

環(huán)節(jié)三：項(xiàng)目深入，議題剖析

2）金屬的防護(hù)。在實(shí)際生活中，根據(jù)金屬的腐蝕的原理，常采用以下措施進(jìn)行金屬的防護(hù)：

①改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；

②形成保護(hù)層；

③改善腐蝕環(huán)境。

【問題1】改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)依據(jù)什么原理？

【問題2】形成保護(hù)層依據(jù)什么原理？

【問題3】改善腐蝕環(huán)境依據(jù)什么原理？

【學(xué)生交流】依次利用了合金具有良好的抗腐蝕性；將金屬與腐蝕介質(zhì)隔離開；創(chuàng)造不利于金屬腐蝕的環(huán)境條件。

【思考探討】聯(lián)系冬奧會(huì)滑雪大跳臺(tái)的鋼體建設(shè)，給出具體防止鋼鐵腐蝕的方案。

【學(xué)生探究】1 組：上網(wǎng)查閱資料，了解合金常加入哪些物質(zhì)可以提高金屬的耐腐蝕性，并根據(jù)已有知識(shí)判斷資料的科學(xué)性和合理性。

2 組：采用涂抹非金屬物質(zhì)的形式，如油漆、塑料等物質(zhì)，使金屬形成一層致密的氧化膜，防止金屬繼續(xù)反應(yīng)；給金屬表面鍍一層純金屬，采用電解池的原理，給鐵金屬上鍍銅（利用NB 化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行電鍍，實(shí)驗(yàn)過程分解如圖3所示）。

圖3 電鍍反應(yīng)歷程

【問題4】從電化學(xué)腐蝕的原理出發(fā)，思考如何實(shí)現(xiàn)冬奧會(huì)滑雪大跳臺(tái)主體結(jié)構(gòu)鋼的防護(hù)？

【學(xué)生探究】將需要保護(hù)的一極作為原電池中的正極，選擇比鐵活潑的金屬作為負(fù)極去失電子。通常在鋼鐵設(shè)備上裝上若干鎂合金或者鋅，利用它們的活潑性比鐵強(qiáng)設(shè)計(jì)原電池，防止鋼鐵腐蝕（使用NB 化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，如圖4所示）。

圖4 犧牲陽極保護(hù)法

圖5 外加電流陰極保護(hù)法

利用電解池原理，在外加直流電的作用下，將需要被保護(hù)的鋼鐵連接負(fù)極作陰極，將附加電極連接正極作陽極去失電子，形成電解池，防止鋼鐵被腐蝕（電鍍利用這一原理，實(shí)驗(yàn)操作如5所示）。

【設(shè)計(jì)意圖】通過一連串的問題，引發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生借助各種教學(xué)資源獲取可能解決問題的答案，培養(yǎng)學(xué)生善于利用身邊資源解決實(shí)際問題的能力。之后，在教師的幫助下，學(xué)生借助NB 化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到防止鋼鐵腐蝕的目的。

環(huán)節(jié)四：項(xiàng)目成果，議題解決

【交流展示】學(xué)生將可以實(shí)現(xiàn)金屬的防護(hù)的方法整理匯總，以思維導(dǎo)圖的形式展示。結(jié)合冬奧會(huì)的真實(shí)情境，選擇合適的方式防止鋼鐵結(jié)構(gòu)的腐蝕，給出合理科學(xué)的建議。

冬奧會(huì)滑雪大跳臺(tái)的鋼體保護(hù)可選用以下方式：

1）非金屬涂層；

2）金屬的氧化處理；

3）電鍍保護(hù)層；

4）犧牲陽極的陰極保護(hù)法（在鋼鐵上裝比鐵活潑的金屬）。

【優(yōu)化方案】優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)冬奧會(huì)滑雪大跳臺(tái)的海報(bào)設(shè)計(jì)，最后小組互評(píng)，展示成果。

【設(shè)計(jì)意圖】通過課后知識(shí)內(nèi)容的整理匯總，幫助學(xué)生形成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，幫助學(xué)生梳理課堂知識(shí)結(jié)構(gòu)，清晰知識(shí)內(nèi)容。同時(shí)，讓學(xué)生根據(jù)所掌握的知識(shí)內(nèi)容，給出具體的合理的防止冬奧會(huì)滑雪大跳臺(tái)的鋼體結(jié)構(gòu)腐蝕的方法，在這一過程中，培養(yǎng)學(xué)生利用科學(xué)知識(shí)解決社會(huì)性議題的主動(dòng)意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。通過繪制海報(bào)的形式，促進(jìn)學(xué)生德、智、體、美、勞全面發(fā)展，培養(yǎng)社會(huì)型創(chuàng)新型人才。

5 結(jié)束語

將社會(huì)性科學(xué)議題作為一種特殊的教學(xué)情境引入教學(xué)中，能夠引發(fā)學(xué)生對(duì)于社會(huì)科學(xué)問題的關(guān)注，激發(fā)學(xué)生對(duì)于化學(xué)學(xué)科的興趣，讓學(xué)生主動(dòng)參與課堂議題的探究學(xué)習(xí)，真實(shí)的議題情境能夠引發(fā)學(xué)生的愛國情懷和社會(huì)責(zé)任感，這有利于落實(shí)立德樹人的教育理念?；谏鐣?huì)性科學(xué)議題且以驅(qū)動(dòng)性問題為研究主線的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)形式，有利于學(xué)生把握課堂教學(xué)的重難點(diǎn)，有利于鍛煉學(xué)生的思考探究能力、分析交流能力，有利于提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。將NB 化學(xué)實(shí)驗(yàn)融入基于社會(huì)性科學(xué)議題的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，豐富了教學(xué)形式，開拓了學(xué)生的視野，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)的融合，有利于推動(dòng)化學(xué)課程教學(xué)改革。