基于化學(xué)核心素養(yǎng)培育的教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：著名化學(xué)家傅鷹教授曾說(shuō)：“化學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，只有實(shí)驗(yàn)才是最高法庭?！北疚囊浴痘瘜W(xué)反應(yīng)原理》中“鋼鐵的吸氧腐蝕”這一教學(xué)難點(diǎn)為例，基于發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)為目的確立本課時(shí)教學(xué)目標(biāo)，將吸氧腐蝕原理的深度探究作為教學(xué)重點(diǎn)，主要從“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”兩個(gè)維度，探討如何在教學(xué)中有效地應(yīng)用探究實(shí)驗(yàn)，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)核心素養(yǎng);吸氧腐蝕;宏觀辨識(shí);微觀分析;探究實(shí)驗(yàn)

一、教學(xué)主題內(nèi)容與現(xiàn)狀分析

吸氧腐蝕是蘇教版化學(xué)選修1專(zhuān)題1第三單元《金屬的腐蝕與防護(hù)》的部分內(nèi)容。很多教師在“鋼鐵的吸氧腐蝕”教學(xué)過(guò)程中，弱化了實(shí)驗(yàn)的教育功能，大多依賴動(dòng)畫(huà)演示配合理論教學(xué)，只重視學(xué)生對(duì)原理的記憶和其在解題中的運(yùn)用，很少引導(dǎo)學(xué)生深度探究這些原理產(chǎn)生的過(guò)程。這種處理方式失去了通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究促進(jìn)學(xué)生理論發(fā)展實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的教育契機(jī)，教學(xué)效果大打折扣，尤其是突破吸氧腐蝕原理這一教學(xué)難點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)吸氧腐蝕的知識(shí)仍停留在死記硬背的學(xué)習(xí)模式中，課標(biāo)要求的落實(shí)也只是紙上談兵。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確指出，發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵，要求教師積極開(kāi)展素養(yǎng)為本的課堂教學(xué)實(shí)踐。在新課標(biāo)的引領(lǐng)下，教師在課堂上除了要傳授學(xué)生化學(xué)理論知識(shí)，還應(yīng)該注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐探究能力的培養(yǎng)，加強(qiáng)化學(xué)知識(shí)與實(shí)際生活的聯(lián)系。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中如何滲透、發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)，教師扮演著總導(dǎo)演的角色。本文從“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”兩個(gè)維度出發(fā)，探討如何在教學(xué)中有效地應(yīng)用探究實(shí)驗(yàn)，對(duì)吸氧腐蝕原理進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)思路及目標(biāo)確定

（一）設(shè)計(jì)思路

很多同學(xué)對(duì)吸氧腐蝕過(guò)程中為什么正極是氧氣參與反應(yīng)半信半疑，只能死記硬背電極反應(yīng)式等結(jié)論。幫助學(xué)生析疑解惑的有效辦法是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，驗(yàn)證鋼鐵吸氧腐蝕兩極反應(yīng)的產(chǎn)物。本節(jié)課采用宏微觀結(jié)合、循序漸進(jìn)的方法分析鋼鐵吸氧腐蝕，主要從模擬輪船在海水中的腐蝕實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性的鐵片實(shí)驗(yàn)和有效性的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，深度探究吸氧腐蝕的反應(yīng)原理、能量轉(zhuǎn)化、應(yīng)用價(jià)值。利用原電池原理分析鋼鐵吸氧腐蝕，提高知識(shí)的理解和運(yùn)用，符合先理論后實(shí)踐的認(rèn)知規(guī)律，同時(shí)也體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科學(xué)以致用的初衷。

（二）教學(xué)目標(biāo)

1.通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字實(shí)驗(yàn)有效融合，從宏觀、微觀、符號(hào)和曲線等化學(xué)“四重表征”加深對(duì)吸氧腐蝕原理的理解，學(xué)生會(huì)書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式和總反應(yīng)式。

2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究鋼鐵吸氧腐蝕的反應(yīng)原理和能量轉(zhuǎn)化等活動(dòng)，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作能力和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，體會(huì)科學(xué)探究的一般過(guò)程。

3.通過(guò)自制暖寶寶和市售暖寶寶的對(duì)比分析，達(dá)到學(xué)以致用的目的，學(xué)會(huì)辯證地看待問(wèn)題。

三、教學(xué)實(shí)錄

（一）創(chuàng)設(shè)情境，宏觀辨識(shí)，提出問(wèn)題

[教師]為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比性，將課本實(shí)驗(yàn)稍做改進(jìn)，模擬輪船在海水中的腐蝕。取兩支具支試管標(biāo)注1和2，設(shè)計(jì)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)I用飽和食鹽水潤(rùn)濕具支試管1內(nèi)壁，將混合好的鐵粉和活性炭粉均勻地撒在內(nèi)壁，將導(dǎo)管伸入滴有紅墨水的試管中。實(shí)驗(yàn)II用飽和食鹽水潤(rùn)濕具支試管2內(nèi)壁，只將鐵粉均勻地撒在內(nèi)壁，將導(dǎo)管伸入滴有紅墨水的試管中。

[學(xué)生]實(shí)驗(yàn)I 試管中導(dǎo)管內(nèi)的水柱明顯上升，實(shí)驗(yàn)II試管中導(dǎo)管內(nèi)的水柱短時(shí)間內(nèi)無(wú)明顯變化。

[教師]顯然實(shí)驗(yàn)I發(fā)生的反應(yīng)速率比實(shí)驗(yàn)II快。實(shí)驗(yàn)I導(dǎo)管內(nèi)的水柱上升的原因是什么？實(shí)驗(yàn)I具支試管中有哪些物質(zhì)參與反應(yīng)？實(shí)驗(yàn)中活性炭粉有什么作用？

[學(xué)生]導(dǎo)管內(nèi)水柱上升的原因是體系內(nèi)壓強(qiáng)減小，推測(cè)體系內(nèi)有氣體參加反應(yīng)。

[教師]可能是什么氣體參加反應(yīng)呢？反應(yīng)過(guò)程中有沒(méi)有OH-生成？鐵反應(yīng)的產(chǎn)物是Fe2+還是Fe3+？如何驗(yàn)證？

[學(xué)生1]反應(yīng)過(guò)程中是否有OH-生成？可以滴加酚酞試液進(jìn)行檢驗(yàn)。

[學(xué)生2]鐵反應(yīng)產(chǎn)物的檢驗(yàn)，可轉(zhuǎn)化為Fe2+和Fe3+的檢驗(yàn)。若鐵反應(yīng)的產(chǎn)物是Fe3+，則滴加硫氰化鉀溶液，溶液變成血紅色;若鐵反應(yīng)的產(chǎn)物是Fe2+，則滴加鐵氰化鉀溶液，會(huì)生成藍(lán)色沉淀。

（二）質(zhì)疑尋證，模擬實(shí)驗(yàn)，深度探究

[老師]檢驗(yàn)方法已形成，假如老師給你提供一塊已經(jīng)除去鐵銹的不純鐵片，你會(huì)如何模擬上述腐蝕的反應(yīng)環(huán)境？

[學(xué)生]在不純鐵片上標(biāo)記1，2，3三個(gè)位置，標(biāo)記1位置滴加10滴飽和食鹽水和3滴酚酞溶液，標(biāo)記2位置滴加10滴飽和食鹽水和3滴硫氰酸鉀溶液，標(biāo)記3位置滴加10滴飽和食鹽水和3滴鐵氰化鉀溶液。（見(jiàn)圖1）

[教師]這個(gè)“鐵片實(shí)驗(yàn)”的操作方案值得推廣。通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，同學(xué)們得出什么結(jié)論？又有哪些疑問(wèn)？

[學(xué)生結(jié)論]鐵片上標(biāo)記2位置無(wú)顏色變化。標(biāo)記3位置有藍(lán)色沉淀生成，說(shuō)明鐵發(fā)生氧化反應(yīng)的產(chǎn)物是Fe2+。

[學(xué)生疑問(wèn)]鐵片上標(biāo)記1位置為什么最先看到液滴邊緣區(qū)域溶液變紅？

[教師]說(shuō)明反應(yīng)后液滴邊緣區(qū)域溶液顯堿性使酚酞變紅。液滴覆蓋的鐵片區(qū)域，除了鐵發(fā)生反應(yīng)，還有什么物質(zhì)參與反應(yīng)且生成OH-？

[學(xué)生1]依據(jù)元素守恒原理，只可能是O2或H2O參與反應(yīng)。

[學(xué)生2]根據(jù)圖1實(shí)驗(yàn)已做出“體系內(nèi)壓強(qiáng)減小”的推測(cè)，只可能是O2參與反應(yīng)。

[學(xué)生3]根據(jù)圖2實(shí)驗(yàn)鐵發(fā)生氧化反應(yīng)的產(chǎn)物是Fe2+，那必然有物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)，只可能是O2得電子生成OH-。

[教師]同學(xué)們的思考推理很有邏輯性。液滴邊緣區(qū)域O2濃度大易得電子，生成OH-，故最先看到液滴邊緣區(qū)域溶液變紅。

（三）手持技術(shù)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，突破難點(diǎn)

[教師]老師借助氧氣傳感器、溫度傳感器等，進(jìn)一步探究鋼鐵在氯化鈉溶液中的腐蝕情況。將濾紙用飽和氯化鈉溶液潤(rùn)濕后，貼在廣口瓶?jī)?nèi)壁，將2.0g鐵粉和2.5g活性炭粉充分混合，均勻地撒在廣口瓶?jī)?nèi)壁濾紙上。迅速塞上帶有氧氣傳感器和溫度傳感器的橡皮塞，連接數(shù)據(jù)采集器和電腦顯示器。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集器，通過(guò)顯示器上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化，直觀感受裝置內(nèi)O2的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小和溫度逐漸升高的變化情況。

[追問(wèn)]物質(zhì)變化的同時(shí)伴隨著能量變化，請(qǐng)思考鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕的過(guò)程中，除了化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，是否存在其他形式的能量轉(zhuǎn)化？吸氧腐蝕是否屬于電化學(xué)腐蝕？

[學(xué)生]還存在化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

[教師]如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證吸氧腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕？

[學(xué)生1]根據(jù)原電池原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，用鐵片、石墨棒作為電極，氯化鈉溶液作為電解質(zhì)溶液，連接上電流表，觀察電流表指針是否發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

[學(xué)生2]我們小組除了電流表，還連接了音樂(lè)發(fā)聲器，閉合開(kāi)關(guān)，音樂(lè)發(fā)聲器響起，電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

[學(xué)生3]我們小組既看到電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，還檢測(cè)到裝置體系溫度上升1～2℃，鐵片、石墨棒和氯化鈉溶液構(gòu)成原電池，即鋼鐵吸氧腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。鋼鐵吸氧腐蝕過(guò)程化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能和電能。

（四）吸氧腐蝕，辯證看待，科學(xué)應(yīng)用

[教師]化學(xué)是一把雙刃劍，不僅要了解鋼鐵吸氧腐蝕造成生銹不利的一面，更要關(guān)注其可用之處。請(qǐng)結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)想一想吸氧腐蝕在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

[學(xué)生]暖寶寶、鐵系脫氧劑……

[教師]如果你是公司的一名產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)師，你會(huì)如何設(shè)計(jì)暖寶寶？設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮哪些問(wèn)題？

[學(xué)生]需要考慮選用的試劑及裝試劑的袋子。選用的試劑有還原鐵粉、活性炭粉和NaCl固體，還需要透氣不透水的高分子材料袋和使體系保溫的物質(zhì)。

[教師]這位設(shè)計(jì)師考慮得很到位！同學(xué)們會(huì)發(fā)現(xiàn)，市售的暖貼成分表中有兩種特殊的物質(zhì)：蛭石和吸水性樹(shù)脂。蛭石，是一種硅酸鹽礦物，是一種超級(jí)保溫的材料。吸水性樹(shù)脂，是為了儲(chǔ)存足夠水分，讓化學(xué)反應(yīng)更持久，也就是讓暖寶寶持續(xù)發(fā)熱的時(shí)間更長(zhǎng)。使用過(guò)的暖貼，放置數(shù)天后的產(chǎn)物經(jīng)檢驗(yàn)是鐵銹，所以暖寶寶的發(fā)熱原理就是吸氧腐蝕的原理。

（五）思維導(dǎo)圖，總結(jié)反思，深化理解

學(xué)生反思，回顧本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，以小組為單位，繪制“探究鋼鐵吸氧腐蝕”的思維導(dǎo)圖，歸納總結(jié)本節(jié)課所學(xué)的內(nèi)容和收獲。以學(xué)生繪制思維導(dǎo)圖的方式進(jìn)行課堂小結(jié)，既可以讓學(xué)生回顧再現(xiàn)反思本節(jié)課的學(xué)習(xí)研究過(guò)程，又可以深化理解所學(xué)知識(shí)，使知識(shí)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，也發(fā)展了模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

四、教學(xué)效果與反思

本節(jié)課符合“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，探究過(guò)程為主線，培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)為主旨”的新課程教學(xué)理念。從學(xué)情出發(fā)，找到學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，通過(guò)模擬輪船在海水中腐蝕的實(shí)驗(yàn)和鐵片實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，宏觀辨識(shí)，質(zhì)疑尋證，深度學(xué)習(xí)，明晰吸氧腐蝕的反應(yīng)原理。借助“鐵片實(shí)驗(yàn)”，采用“問(wèn)題鏈”教學(xué)法，層層遞進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，建立鐵粉和活性炭粉混合在氯化鈉介質(zhì)中發(fā)生原電池反應(yīng)的模型。將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字實(shí)驗(yàn)有效融合，將吸氧腐蝕的微觀反應(yīng)可視化，引導(dǎo)學(xué)生用數(shù)字實(shí)驗(yàn)去解決疑難問(wèn)題，感受數(shù)字實(shí)驗(yàn)在化學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用價(jià)值。學(xué)生以實(shí)驗(yàn)手段獲取宏觀現(xiàn)象，并從微觀角度討論其本質(zhì)，建立起“宏觀—微觀—符號(hào)—曲線”化學(xué)四重表征的聯(lián)系，發(fā)展了宏觀辨識(shí)與微觀探析、實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)等化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

從本節(jié)課的課前預(yù)設(shè)和課堂實(shí)際教學(xué)完成度來(lái)看，本節(jié)課還有很多可以改進(jìn)的地方。比如：（一）利用數(shù)字化的手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)突破吸氧腐蝕原理的教學(xué)難點(diǎn)，幫助學(xué)生深入理解金屬吸氧腐蝕的原理。若能讓學(xué)生分組自己操作，體會(huì)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，對(duì)理解掌握其原理更有幫助。（二）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)裝置只使用了氧氣傳感器和溫度傳感器，若能將壓強(qiáng)傳感器一起使用其中，會(huì)使整個(gè)實(shí)驗(yàn)更具直觀性和說(shuō)服力。

參考文獻(xiàn)

[1]王祖浩.普通高中教科書(shū)：化學(xué)反應(yīng)原理（選擇性必修1）：1版[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2021：29-31.

[2]馬云云，吳星.提升核心素養(yǎng)促進(jìn)自主學(xué)習(xí)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018，3：42-44.

[3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn).2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018.

[4]徐泓，朱敏，魏明貴，吳星.鐵粉吸氧腐蝕系列實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2015，4：63-66.

作者簡(jiǎn)介：李秀鳳，（1981.09-），女，福建莆田人，漢族，莆田華僑中學(xué)一級(jí)教師，本科。研究方向：中學(xué)化學(xué)教育教學(xué)。

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