基于三元整合策略的概念教學

摘要：化學概念不僅是重要的基礎知識，還是培育核心素養(yǎng)的重要素材。以高二選修“金屬的腐蝕與防護”為例，概述教學現(xiàn)狀，進行課例綜述，指出存在問題：（1）未能整合不同知識版塊；（2）缺少運用已有知識預計新情境。提出以“實驗-性質-原理”三元整合策略（簡稱三元整合策略）為指導，制造認知沖突，圍繞實驗、媒體、社會等素材創(chuàng)設問題鏈，培育化學學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：三元整合策略；化學概念；原電池；金屬的腐蝕與防護

文章編號：1008-0546（2022）02-0033-06中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.007

*本文系廣東省教育科學“十三五”規(guī)劃課題“學科核心素養(yǎng)導向的元素化合物三元整合教學模式研究”（項目編號： 2020YQJK006，基金號： 156-2018-XMZC-0001-07- 1285）成果。

一、教學現(xiàn)狀分析

人教版高二選修4第四章第四節(jié)“金屬的腐蝕與防護”的教學內容承前啟后，既是必修1氧化還原反應知識和選修4原電池、電解池的實際應用，又是為高三陌生電化學裝置的認識與設計提供一般思路。另外，本課還涉及控制條件、有序思維等化學思想和宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知等核心素養(yǎng)。金屬的腐蝕與防護既是人類生活的常見化學過程，又是化學學科的核心概念之一。

化學概念不僅是重要的基礎知識，概念建構過程還承載著發(fā)展學生學科能力的功能。概念教學，目前存在照本宣科、死記硬背等簡單處理現(xiàn)象，課堂往往一步到位給出概念，缺乏演繹和同化，不注重概念的生成和內化，忽略概念的整合性，造成知識碎片化。以“金屬的腐蝕與防護”為檢索詞，發(fā)現(xiàn)《化學教與學》期刊近十年共收錄5篇教學設計，各有特色，見表1[1-5]。

二、教學創(chuàng)新點

分析《化學教與學》5篇優(yōu)秀教學設計，發(fā)現(xiàn)大多存在共同問題：（1）只圍繞電化學知識進行教學，不同知識版塊的融合較少；（2）教學過程缺少認知沖突引發(fā)的思維碰撞，缺少在新情境中運用已有知識進行預計的學科活動。鑒于此，本課創(chuàng)新點是提出三元整合策略指導教學。三元整合策略是知識與能力的整合型高效課堂策略，具體是指結合以某個知識（可以是物質、概念、原理等）為核心進行整合實驗，設置涉及化學實驗、反應原理和物質性質的整合型問題，組織學生分析思考、相互討論、建構知識，三者關系見圖1[6]。認知沖突的制造是基于三元整合策略提高課堂質量的關鍵。

本課制造8處認知沖突，讓學生利用已有知識主動構建新概念，實現(xiàn)實驗、性質、原理三個知識版塊的整合教學，具體內容見表2。

三、學情分析

1.學生分析

在高一氧化還原反應和高二原電池、電解池的基礎上，學生已具備自學“金屬腐蝕與防護”的能力。通過自學無法達成的有：（1）模糊概念的突破。如，鐵釘在干燥的氣體中是否被腐蝕；鐵釘在弱酸性條件下是否不發(fā)生吸氧腐蝕等。（2）重要知識的整合。學生缺少內在邏輯把學科不同版塊的知識串聯(lián)。（3）核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。教材文字的直接結論無法讓學生在真實情境中實現(xiàn)宏微結合、證據(jù)推理與科學探究。因此，本課定位是運用已有知識突破模糊概念、整合學科內容、培育核心素養(yǎng)、達成問題解決。

2.教學目標

（1）通過對氧化還原反應、原電池等概念的演繹，建構化學腐蝕與電化學腐蝕的概念并掌握概念的內涵。

（2）通過“鐵釘放入pH≈4 H2SO4中現(xiàn)象預測”的驅動任務，利用已有的元素化合物知識、原電池知識進行析氫腐蝕的概念建構并進行“宏觀現(xiàn)象—微觀本質—符號表征”的三重表征教學，提升宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知素養(yǎng)。

（3）通過鐵釘放入pH≈4 H2SO4中“異?，F(xiàn)象”的出現(xiàn)及其原因分析，揭示濃度影響物質氧化性的本質以及條件改變電化學腐蝕的種類發(fā)生改變，強調變化觀念和平衡思想。

（4）通過犧牲陽極的陰極保護法的“異?，F(xiàn)象”分析，強化利用氧化還原、平衡移動原理解決問題，加深對平衡思想的理解，提高實驗設計的能力，增強科學探究與創(chuàng)新意識。

（5）通過視頻了解全球金屬腐蝕的現(xiàn)狀，認識金屬防護的重要意義，通過金屬防護方法的學習，感受化學對人類生活生產的貢獻、意義，增強社會責任感。

（6）用治學嚴謹、求真務實的科學態(tài)度面對實驗異?，F(xiàn)象，并能敢于提出自己的質疑，增強科學探究與創(chuàng)新意識。

四、教學流程

基于以上分析，結合三元素材，制造認知沖突，設置問題引導，實現(xiàn)素養(yǎng)目標，設計本節(jié)課的教學流程，如圖2。

五、教學實錄

1.形成概念

【教師】提供經(jīng)驗：先看一段與全球金屬腐蝕現(xiàn)狀相關的視頻。

啟發(fā)引導：回憶初三相關知識：鐵的生銹，課本是怎樣描述的。

【學生】回憶回答：鐵與潮濕的空氣反應。

【教師】提出問題：預計鐵釘在干燥的條件下能否被腐蝕，并說明依據(jù)。

【學生】直接回答：結合初三所學知識，金屬腐蝕需要鐵與空氣中的氧氣、水蒸氣接觸?，F(xiàn)在在干燥條件下缺少反應所需的其他反應物，所以鐵不會被腐蝕。

【教師】講解分析：結合初三課本上鐵釘銹蝕的圖3，可觀察到，在這對照實驗中最右邊長期處于密封干燥環(huán)境下的鐵釘，在很長一段時間的確不會生銹。

提供證據(jù)：呈現(xiàn)在實驗室做的另一組對比實驗結果，見圖4。

【教師】講解引導：圖4右邊的鐵釘一直密封在干燥空氣中，左邊的密封在干燥氯氣中3天。相對于右邊的鐵釘，密封在干燥氯氣中的鐵釘發(fā)生明顯變化。鐵的生銹和金屬腐蝕是否一樣的概念？

【學生】反思沖突：觀察圖片，體會鐵的生銹和金屬腐蝕的區(qū)別。

【教師】引導遷移：從“鐵的生銹”可以拓展得到“金屬腐蝕”的概念：金屬或合金與周圍接觸到的氣體或液體發(fā)生氧化還原反應而引起損耗的現(xiàn)象。其本質是什么？金屬起什么作用？

【學生】直接回答：金屬腐蝕的本質是氧化還原反應，金屬是還原劑。

【教師】過渡引導：金屬腐蝕就是金屬失電子被氧化的過程。根據(jù)已有知識，理論上氧化還原反應能構造成什么裝置？

【學生】直接回答：原電池裝置。

【教師】過渡引導：如果要構造原電池并對外輸出電流，需具備什么條件？

【學生】回憶回答：自發(fā)的氧化還原反應；閉合回路；導線、電解質溶液；還有電極。

【教師】小結歸納：根據(jù)金屬腐蝕是否具備形成原電池的條件，能否構成原電池，把金屬腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕。鐵在干燥氯氣中被腐蝕，屬于哪種腐蝕？

【學生】直接回答：化學腐蝕。

【教師】提出問題：化學腐蝕與電化學腐蝕哪一種在日常生活中更普遍？為什么？

【學生】直接回答：電化學腐蝕。因為大部分金屬是合金材料。

【教師】追加提問：哪種腐蝕危害性更大？為什么？

【學生】思考回答：電化學腐蝕；構成原電池發(fā)生反應更快。

【教師】提供情境：燒杯內有一塊幾乎不含雜質的純鋅粒，然后向燒杯中加入稀硫酸，接下來將要插入銅棒。提出問題：插入銅棒之前有什么現(xiàn)象？如果從腐蝕的角度分析，鋅粒發(fā)生什么腐蝕？

【學生】觀看視頻、思考回答：產生氣泡。發(fā)生化學腐蝕。

【教師】追加預計問題：預計當銅棒插進去接觸鋅粒后會產生怎樣的現(xiàn)象。

【學生】預計回答：現(xiàn)象更明顯；產生氣泡的速率更快。

【教師】依次提問：銅棒插進去接觸鋅粒后發(fā)生何種腐蝕？速率更快說明什么問題？鋅粒表面的氣泡說明什么問題？

【學生】思考回答：電化學腐蝕；電化學腐蝕速率更快，危害更大；兩種腐蝕同時進行。

【教師】小結歸納：在發(fā)生電化學腐蝕的時候，同時伴隨著化學腐蝕。

2.拓展概念

【教師】追加預計問題：從圖5看出湖南長沙酸雨問題不容樂觀[7]。取接近日常生活雨水pH值（約為4左右）的稀硫酸和鐵釘裝入圖6裝置，預計可能會產生什么現(xiàn)象？

【學生】預計回答：紅墨水中有氣泡產生，可以看到鐵釘質量會減少；有氣泡產生；溶液變成綠色。

【教師】引導提問：較為統(tǒng)一的觀點是導管口產生氣泡，試想產生氣泡是迅速還是緩慢的？不管緩慢還是迅速，鐵釘發(fā)生的氧化還原反應屬于何種腐蝕？

【學生】直接回答：迅速的電化學腐蝕。

【教師】符號表征：請按照原電池的結構寫出電極反應式和總反應式。

【學生】書面練習：完成反應式的書寫。

【教師】引導提問：負極會否產生Fe3+？

【學生】直接回答：鐵釘中鐵屬于過量，所以應該產生Fe2+。

【教師】歸納總結：因為正極產生氫氣，這種腐蝕又叫析氫腐蝕。提供證據(jù)：播放實驗視頻。

引導提問：除了觀察到鐵釘表面產生氣泡的速率很緩慢，紅墨水中導管口有氣泡產生，還觀察到哪些現(xiàn)象？

【學生】觀看回答：紅墨水倒吸。

【教師】引導提問：紅墨水為何發(fā)生倒吸？

【學生】直接回答：導管內壓強減小。

【教師】追加提問：為什么導管內氣壓會減??？小組討論可能的原因。

【學生】表達觀點：鐵釘和稀H2SO4反應放熱，反應完成后不再放熱，冷卻后氣壓減小，引起倒吸；試管內O2會與鐵釘反應，然后O2就減少所以壓強減小。

【教師】講解分析：裝置內反應緩慢，溫度變化不明顯，所以最可能是O2得電子，物質的量減小導致氣壓減小。根據(jù)電化學腐蝕的知識寫出電極反應式和總反應。

【學生】符號表征：完成反應式的書寫。

【教師】總結提問：后期腐蝕正極不是放出H2而是吸收O2，因此又叫吸氧腐蝕。金屬表面水膜溶解的O2得電子后，空氣中O2會繼續(xù)溶解到溶液里，形成氣液的溶解平衡。能否設計一個簡單的實驗來證明是O2的因素？

【學生】思考回答：檢測溶液pH值變化。

【教師】提供證據(jù)：除了溶液pH變化，江蘇陳老師通過另外一種裝置來呈現(xiàn)該實驗定量變化的一面，見圖7。通過專門的傳感器真實反映實驗溫度的變化和氧氣濃度的變化，見圖8。通過該定量實驗可證明吸氧腐蝕中O2濃度在減小[8]。

3.運用概念

【教師】提出預計問題：按照上述電化學腐蝕的知識，預計鐵釘周圍應該變成什么顏色？

制造沖突：視頻所示與預計是否一樣？可能的原因是什么？

【學生】分析回答：鐵釘表面生成Fe（OH）2，應該是表面覆蓋白色沉淀；通過圖片看到鐵釘變黃，可能是因為Fe（OH）2被氧化成Fe（OH）3。

【教師】過渡引導：黃色很可能是少量鐵銹的顏色，請用化學方程式描述出現(xiàn)黃色的原因。

【學生】符號表征：按要求書寫方程式。

【教師】提出問題：隨著時間推移，鐵釘發(fā)生的腐蝕類型并不一樣?？梢姡瑫r間是不可忽略的條件因素。前面是析氫腐蝕，后面是吸氧腐蝕的本質原因是什么？

【學生】思考回答：跟環(huán)境有關。

【教師】追加提問：該實驗后期弱酸性溶液中是否存在H+？為何不發(fā)生析氫腐蝕？本質原因是什么？

【學生1】H+的濃度不同。

【學生2】H+的氧化性與其濃度有關。H+濃度減小使其氧化性減弱。

4.問題解決

【教師】過渡引導：最近我國竣工的港珠澳大橋，不光是長度之最，還是年限之最，號稱可以使用120年。請結合生活常識和電化學知識，提出減少橋墩電化學腐蝕的方法。

【學生】思考回答：在鐵的表面連接一塊鋅片或者其他比鐵活潑的金屬；將鐵和外界電源負極相連充當陰極；在鐵上面涂一層油漆就可以防止其氧化。

【教師】小結歸納：理論上這些方法都可行。例如生活中常見的不銹鋼材料，改變其內部結構讓它更抗腐蝕；或者在表面覆蓋保護層，隔絕氧氣和水。還有兩種陰極保護法，圖9中哪些電化學防腐手段是原理相同的陰極保護法？

【學生】直接回答：A、B、C都是犧牲陽極的陰極保護法。

【教師】提出問題：請預計犧牲陽極的陰極保護法和外接電源負極的陰極保護法哪種保護效果哪種更好？

【學生】發(fā)表意見：外接電源負極的陰極保護法更好，因為要防護的金屬連接電源負極，充當陰極，發(fā)生得電子的反應，電源負極提供電子的能力遠遠大于金屬本身，所以防護效果更好。

【教師】提供證據(jù)：播放視頻：試管內是使用新方法K3【Fe（CN）6】檢驗鐵釘被酸腐蝕產生的Fe2+，中間黑色連接線是用犧牲陽極的方法，右邊紅色連接線是用外接電源負極的方法。觀察到哪些現(xiàn)象？

【學生】觀察回答：試管內溶液中出現(xiàn)藍色的渾濁。短時間內兩個裝置中暫無明顯現(xiàn)象。

【教師】制造沖突：港珠澳大橋的實際防護手段如何選擇？一起觀看視頻。

【學生】觀看視頻：找出港珠澳大橋的實際防護手段。

【教師】過渡引導：港珠澳大橋采用的是犧牲陽極的陰極保護法，并根據(jù)不同的環(huán)境需要采用不同的涂層，但沒有選用外接電源負極的陰極保護法，為什么？

【學生】思考回答：很難在海上連接一個外加電源；連接電源后可能會對海洋生物有影響。

【教師】總結歸納：這節(jié)課主要脈絡是從已有知識來生成新的概念、預計陌生情境的結果，然后通過實驗視頻、實驗圖片等帶有認知沖突的素材來體驗新概念、完善概念網(wǎng)絡，最后再結合已有的原電池、電解池知識提出了金屬防護的手段。

制造沖突：接上觀察視頻后半部分，長時間反應后觀察到犧牲陽極的裝置中鐵電極附近觀察到藍色渾濁，而外接電源的裝置沒有。

課后拓展：請課后從氧化還原、化學平衡等多角度解釋該“異常現(xiàn)象”的成因，并設計簡單的驗證方案。

六、教學效果與反思

1.學習效果

課后布置調研題目：（2014年廣東高考真題改編）某小組試圖利用石墨完成自然水體中銅件的電化學防腐。若原理可行請完成防腐示意圖（圖10），并作相應標注；若原理不可行，請說明原因。

課后檢測情況見表3，教學效果良好。

2.教學反思

（1）教學設計層層推進。利用學生的已有知識不斷制造認知沖突，基于真實情境通過預計結果并說明依據(jù)等教學環(huán)節(jié)促使學生調用已有知識思考、分析、解決新問題；并讓學生利用在課堂所學新知識應用到“港珠澳大橋防護”這一現(xiàn)實話題，既學以致用又提升學生實踐能力；最后“犧牲陽極的陰極保護法”異?，F(xiàn)象的呈現(xiàn)更是給予學生無限的思考空間，如何分析、如何驗證是學生自省的重要環(huán)節(jié)。

（2）教學效果突出鮮明。通過實驗真實過程和結果的展現(xiàn)，提高學生基于現(xiàn)象進行宏微結合、符號表征的能力，強化學生根據(jù)已有知識進行證據(jù)推理、提出合理猜想并能進行簡單實驗設計的能力；促進學生體會透過宏觀現(xiàn)象探尋微觀本質的學科思維，鞏固“宏觀—微觀—符號”的三維表征思維模式；幫助學生認識到濃度是影響反應機理的重要條件，認識到時間是重要的反應條件，認識到物質的變化是有條件的如化學反應的環(huán)境是在不斷變化等等，這節(jié)課在傳授化學知識的同時更多是在滲透化學學科思想，培育化學核心素養(yǎng)，基于三元整合策略損高學生的問題解決能力[9]。

（3）教學容量適當控制。當生源一般或者課時充足時，可以把本課設計分成“金屬腐蝕”和“金屬防腐”兩個課時，這樣既能強化電化學腐蝕中電極方程式的符號表征，也能圍繞“港珠澳大橋”充分討論防護方法并進行最后異?，F(xiàn)象的分析與驗證，能更好地挖掘情境素材背后的價值。

總體來說，本課是三元整合策略在基本概念新授課中的應用嘗試，很好地實現(xiàn)知識問題化、問題情境化、解決自主化的設計理念，為基礎年級開展高效課堂提供可復制的教學案例。

參考文獻

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[5]宗國平，劉文兵.基于“科學態(tài)度與社會責任”素養(yǎng)下的問題導學策略——以“金屬的腐蝕與防護”為例[J].化學教與學，2019（3）：39-42.

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