基于數(shù)字技術(shù)的 “金屬的腐蝕與防護(hù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

化學(xué)反應(yīng)原理是高中化學(xué)的核心內(nèi)容，其教學(xué)效果直接影響學(xué)生對學(xué)科的理解和核心素養(yǎng)的形成。然而，傳統(tǒng)教學(xué)模式在面對抽象的電化學(xué)原理時(shí)，往往因?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象不明顯、數(shù)據(jù)采集手段匱乏而難以深人理解微觀反應(yīng)機(jī)理與宏觀現(xiàn)象之間的聯(lián)系?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）明確指出，注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合[1]。因此，本研究以“金屬的腐蝕與防護(hù)”為例，探索數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值，旨在通過數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)腐蝕反應(yīng)的原位監(jiān)測與動(dòng)態(tài)表征，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)探究模式，促進(jìn)學(xué)生高階思維的發(fā)展，并培養(yǎng)學(xué)生對學(xué)科社會(huì)價(jià)值的認(rèn)同。

一、難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)金屬腐蝕教學(xué)中存在諸多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)不僅限制了學(xué)生對電化學(xué)原理的深入理解，還影響了他們科學(xué)探究能力的發(fā)展。首先，金屬腐蝕是一個(gè)緩慢的過程，傳統(tǒng)課堂難以在有限時(shí)間內(nèi)完整演示腐蝕的全過程。例如，鐵釘在潮濕空氣中生銹通常需要數(shù)天，教師只能展示預(yù)先準(zhǔn)備好的生銹物品，學(xué)生因此缺乏對腐蝕進(jìn)程的直觀感受。其次，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)缺乏有效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集手段，學(xué)生無法獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，難以進(jìn)行定量分析。這使得學(xué)生在理解金屬腐蝕過程時(shí)，只能依賴于靜態(tài)的觀察，難以深入探究腐蝕過程中的微觀變化。此外，學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展也受到限制。由于缺乏直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)支持，學(xué)生很難將原電池原理與金屬腐蝕過程有機(jī)結(jié)合，往往只能停留在對反應(yīng)原理的機(jī)械記憶層面。最后，傳統(tǒng)教學(xué)中對金屬防護(hù)方案效果的量化分析不足。教師在講解金屬防護(hù)方法的有效性時(shí)，通常只能進(jìn)行定性描述，學(xué)生無法基于定量數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)金屬防護(hù)方案的優(yōu)劣，難以形成科學(xué)的評(píng)價(jià)思維。這些難點(diǎn)不僅影響了學(xué)生對金屬腐蝕原理的理解，而且限制了他們在解決實(shí)際問題時(shí)的思維深度和廣度。因此，亟須引人新的教學(xué)方法和技術(shù)，以突破傳統(tǒng)教學(xué)的局限，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

“金屬的腐蝕與防護(hù)”一課位于人教版化學(xué)教材選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》第四章“化學(xué)反應(yīng)與電能”的第三節(jié)，課標(biāo)對本主題提出明確要求：學(xué)生能利用電化學(xué)原理解釋金屬腐蝕現(xiàn)象，選擇并設(shè)計(jì)防腐措施；建議開展吸氧腐蝕探究活動(dòng)；要求學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)分析生產(chǎn)生活中的簡單問題，認(rèn)識(shí)化學(xué)對可持續(xù)發(fā)展的貢獻(xiàn)，能用化學(xué)符號(hào)表征物質(zhì)轉(zhuǎn)化，選擇合適試劑和儀器，控制實(shí)驗(yàn)條件，收集并描述實(shí)驗(yàn)證據(jù)，基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)得出結(jié)論[2，具有豐富的知識(shí)素養(yǎng)功能（見表1）。

根據(jù)以上分析，結(jié)合高二學(xué)情，確定本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)和評(píng)價(jià)目標(biāo)（見表2），借助數(shù)字化技術(shù)開發(fā)吸氧腐蝕和析氫腐蝕實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，發(fā)揮其教學(xué)價(jià)值，充分挖掘課程素養(yǎng)發(fā)展價(jià)值。

（二）明確教學(xué)思路

真實(shí)情境素材是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的關(guān)鍵要素[3]。本節(jié)課以實(shí)驗(yàn)室中鐵架臺(tái)腐蝕為情境，引發(fā)“鐵架臺(tái)為何腐蝕”“如何防止腐蝕”等問題，激發(fā)學(xué)生探究欲。學(xué)生在動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)情境中，圍繞真實(shí)問題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，借助數(shù)字化技術(shù)探究鋼鐵腐蝕微觀原理并進(jìn)行符號(hào)表征，進(jìn)而設(shè)計(jì)并評(píng)價(jià)金屬防護(hù)方案。在此過程中，學(xué)生自主運(yùn)用創(chuàng)新、觀察、分析、推理等高階思維，提升科學(xué)探究能力，發(fā)展社會(huì)參與意識(shí)，凸顯化學(xué)學(xué)科價(jià)值，培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

表1“金屬的腐蝕與防護(hù)”的知識(shí)素養(yǎng)功能

表2“金屬的腐蝕與防護(hù)”的教學(xué)目標(biāo)與評(píng)價(jià)目標(biāo)

（三）數(shù)字技術(shù)支持的“雙腐蝕”實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.利用手持技術(shù)賦能實(shí)驗(yàn)探究過程

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)兼具傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和可操作性，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足，拓寬學(xué)生實(shí)踐領(lǐng)域[4。為解決傳統(tǒng)“吸氧腐蝕”“析氫腐蝕”實(shí)驗(yàn)過程緩慢、現(xiàn)象不明顯等問題，本節(jié)課借助壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器等實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)微型化、綠色化、數(shù)字化的新型實(shí)驗(yàn)裝置，具體探究過程如下。

（1）探究鐵架臺(tái)在潮濕空氣中生銹的原因

學(xué)生猜想：潮濕空氣中，鋼鐵表面形成水膜，鐵和少量碳構(gòu)成原電池，鐵作負(fù)極，氧氣作正極。為了驗(yàn)證上述猜想，學(xué)生在教師指導(dǎo)下開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)：將 5mL 飽和食鹽水和鐵釘放入食品塑料包裝中，用膠帶連接傳感器，形成密閉體系（如圖1）。學(xué)生借助數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)監(jiān)測氧氣壓強(qiáng)變化并記錄數(shù)據(jù)，生成氧氣壓強(qiáng)變化圖像。圖像顯示氧氣壓強(qiáng)下降，表明氧氣被消耗，鐵釘在中性環(huán)境中發(fā)生吸氧腐蝕。

（2）探究位于稀鹽酸試劑瓶附近的鐵架臺(tái)生銹的原因

學(xué)生猜想：在潮濕酸性空氣中，鋼鐵表面形成酸性水膜，鐵和碳構(gòu)成原電池，鐵作負(fù)極， H⁺ 作正極。為驗(yàn)證該猜想，學(xué)生將鐵釘放人注射器A，與三通閥相連；注射器B吸入 5mL 稀鹽酸，與三通閥M相連；數(shù)據(jù)采集器、相對壓強(qiáng)傳感器、三通閥N依次相連（如圖2）。

圖1探究“鐵架臺(tái)在潮濕空氣中生銹的原因”的實(shí)驗(yàn)裝置及氧氣含量變化曲線

UngwiStusio-1通道相對壓強(qiáng)傳感器20.0fa+20.0控制編相查看設(shè)置管理窗口煙償

圖2探究“位于稀鹽酸試劑瓶附近的鐵架臺(tái)生銹的原因”的實(shí)驗(yàn)裝置及相對壓強(qiáng)變化曲線

學(xué)生在教師指導(dǎo)下操作：旋轉(zhuǎn)三通閥N，使反應(yīng)體系與相對壓強(qiáng)傳感器連通；保持三通閥M連通注射器A和B；推動(dòng)注射器B活塞，將鹽酸注入注射器A，同時(shí)旋轉(zhuǎn)三通閥M，使注射器A與相對壓強(qiáng)傳感器連通，實(shí)時(shí)監(jiān)測壓強(qiáng)變化并記錄數(shù)據(jù)，生成曲線。曲線呈上升趨勢，表明體系內(nèi)壓強(qiáng)增大，推斷酸性環(huán)境下發(fā)生析氫腐蝕。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)采集器的優(yōu)勢，將金屬腐蝕宏觀現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)曲線，為學(xué)生分析推理提供數(shù)據(jù)支撐，突破傳統(tǒng)教學(xué)的難點(diǎn)。

2.利用數(shù)字技術(shù)豐富評(píng)價(jià)方式

本節(jié)課，教師設(shè)置了多元評(píng)價(jià)主體的師生互評(píng)、生生互評(píng)環(huán)節(jié)和多元評(píng)價(jià)方式的定性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案、定量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案環(huán)節(jié)（如圖3、圖4）。

圖3探究“鐵架臺(tái)在潮濕空氣中生銹的原因”的實(shí)驗(yàn)裝置及組間評(píng)價(jià)結(jié)果

圖4探究“位于稀鹽酸試劑瓶附近的鐵架臺(tái)生銹的原因”的實(shí)驗(yàn)裝置及組間評(píng)價(jià)結(jié)果

例如，在評(píng)價(jià)防腐措施有效性時(shí)，學(xué)生利用圖3裝置做對比實(shí)驗(yàn)，借助氧氣壓強(qiáng)傳感器測量氧氣壓強(qiáng)變化幅度，判斷吸氧腐蝕速度，借助數(shù)據(jù)分析評(píng)估方案有效性，提升評(píng)價(jià)科學(xué)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。此外，引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)字化工具進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)，如在組間評(píng)價(jià)小組方案時(shí)，針對裝置氣密性提出建議，借助數(shù)字化工具開拓實(shí)驗(yàn)實(shí)踐新思路（如圖5）。

三、教學(xué)反思與總結(jié)

在高中化學(xué)教學(xué)不斷革新的圖5背景下，數(shù)字化技術(shù)逐漸成為教師優(yōu)化教學(xué)的重要工具。數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，能為化學(xué)教學(xué)注人更多活力。

（一）數(shù)據(jù)采集與分析：精準(zhǔn)度與效率的飛躍

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)借助數(shù)字化傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、精確采集。在傳統(tǒng)金屬腐蝕實(shí)驗(yàn)中，使用壓強(qiáng)傳感器可以連續(xù)、自動(dòng)地記錄反應(yīng)過程中容器內(nèi)壓強(qiáng)的變化，數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)到每秒，能夠精準(zhǔn)捕捉到反應(yīng)過程中極細(xì)微的變化。同時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)可以傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，生成直觀的圖表，大幅提高了數(shù)據(jù)處理的效率。此外，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和圖像可以進(jìn)行存儲(chǔ)和回放，方便學(xué)生多次觀察實(shí)驗(yàn)過程，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。教師還可以將不同小組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合對比，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異的原因，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和批判性思維。

（二）抽象過程具象化：強(qiáng)化知識(shí)理解

交流、展示 批判、質(zhì)疑 反思、優(yōu)化第二組展示“吸氧腐 第四組同學(xué)對裝置氣密性提出質(zhì) 第二組同學(xué)經(jīng)過討論蝕”實(shí)驗(yàn)方案：將鐵 疑。該小組同學(xué)認(rèn)為裝置氣密性 與反思后，采納第四 18.1釘與飽和食鹽水裝入 影響了對體系內(nèi)氧氣含量的測 組同學(xué)建議，優(yōu)化實(shí)干凈且干燥的食品塑 量，需要在組裝好實(shí)驗(yàn)裝置后檢 驗(yàn)步驟，進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)料包裝中，用膠帶與 驗(yàn)裝置氣密性，確認(rèn)氣密性良好 驗(yàn)：將裝置連接好氧氣傳感器連接，通 后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 后，置入裝有熱水的 18.4過數(shù)字化傳感器采集 大燒杯之中，若數(shù)據(jù)體系內(nèi)氧氣壓強(qiáng)的變 采集器顯示的數(shù)據(jù)增化，若出現(xiàn)氧氣壓強(qiáng) 大，則說明該裝置氣減小的數(shù)據(jù)變化趨 密性良好。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 18.7勢，說明在該環(huán)境下 如下圖所示。依據(jù)數(shù)氧氣作正極反應(yīng)物。 據(jù)的變化趨勢，該小組同學(xué)判斷裝置氣密性良好，可以進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

教師應(yīng)發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)價(jià)值，基于控制變量思想選擇傳感器，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測、觀察、捕獲新證據(jù)，揭示化學(xué)反應(yīng)原理本質(zhì)，增進(jìn)知識(shí)理解[5]。例如，學(xué)生分析圖2時(shí)發(fā)現(xiàn)圖像既有上升又有下降趨勢，猜想腐蝕原因是動(dòng)態(tài)變化的，當(dāng)氫離子濃度大于氧氣濃度時(shí)，以析氫腐蝕為主，反之則以吸氧腐蝕為主。教師基于定量分析引導(dǎo)學(xué)生建立動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)思路，避免傳統(tǒng)教學(xué)中的片面認(rèn)識(shí)，提升了學(xué)生“變化觀念”素養(yǎng)。

筆者開展“金屬腐蝕與防護(hù)”案例教學(xué)，驗(yàn)證了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在突破教學(xué)難點(diǎn)中的獨(dú)特優(yōu)勢，探索了信息技術(shù)與化學(xué)學(xué)科教學(xué)深度融合的有效路徑，為同類原理性知識(shí)的教學(xué)案例優(yōu)化提供了可復(fù)制的實(shí)踐模型。合理運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)不僅可以提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的精準(zhǔn)度和效率，還能將使抽象過程具象化，強(qiáng)化學(xué)生的知識(shí)理解，促進(jìn)高階思維的發(fā)展。

注：本文系吉林省教育學(xué)會(huì)“十四五”2024年度教育科研規(guī)劃課題“高中化學(xué)創(chuàng)新思維課堂構(gòu)建與實(shí)踐研究”（立項(xiàng)編號(hào)：LG240620）和長春市教育科學(xué)“十四五”2024年度規(guī)劃課題“基于STEM理念的高中化學(xué)項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：JKBLX20241119）的研究成果。

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（作者李志航系吉林省實(shí)驗(yàn)中學(xué)備課組長；張冬華系吉林省實(shí)驗(yàn)中學(xué)高級(jí)教師；貝姣宏系吉林省實(shí)驗(yàn)中學(xué)化學(xué)教研組組長；趙欣欣系吉林省實(shí)驗(yàn)中學(xué)備課組組長）

責(zé)任編輯：祝元志