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高中化学课堂教学中深度学习的开展与突破——以《金属的电化学腐蚀》为例

发表时间：2021/3/3 来源：《创新人才教育》2021年5月作者：肖丽华

[导读] 深度学习不是全盘接受，而是融入学习者自己的主张与思考，批判性地学习新思想、新知识，留下精华去除糟粕，构建属于自己的知识结构体系。

福建省石狮市石光中学福建石狮肖丽华 362700

摘要：深度学习不是全盘接受，而是融入学习者自己的主张与思考，批判性地学习新思想、新知识，留下精华去除糟粕，构建属于自己的知识结构体系。本文以《金属的电化学腐蚀》为例，以手持技术实验系统为辅助，就如何深度学习做一些初步的探讨与实践。
关键词：深度学习；手持技术；化学学科核心素养
        虽然新课程改革已经进行多年，教师的教与学生的学习观念都发生了较大变化，但只停留于知识层面的教学现象仍然普遍存在，大部分学生习惯于听知识、记笔记，长期浅层次的参与课堂学习，使不少学生散失了自己的主张与思考，不利于化学学科核心素养的培养，因此，深度学习应孕而生。
        一、深度学习与手持技术实验
        在参与深度学习的过程中，学习者提出的主张与思考是否科学，常常需要进行各种探究实验给予验证，也时不时地会遇到一些传统技术手段无法进行的实验操作，或是无法直接观察到明显的实验现象，手持技术实验的智能化系统可以帮助我们解决这些实验难题。手持技术实验可以将我们无法直接感知的微小的变化通过采集数据及处理数据的智能化系统以图表或数据的形式呈现出来，这不仅为深度学习提供了更直观、更有说服力的科学依据也极大地促进了学生对知识的深度理解，有助于我们一层一层地揭开隐藏在知识里面的各种规律，是深度学习不可或缺的工具与帮手。
        二、深度学习案例分析
        《金属的电化学腐蚀》选自于苏教版《化学反应原理》，是高考选考化学的学生在学习了原电池、电解池之后的又一核心概念的教学，学生已经有了氧化还原反应、缓慢氧化的知识基础，本案例要在原有知识的基础上引入金属的吸氧腐蚀与析氢腐蚀，并对这两种腐蚀的原理以及发生腐蚀的介质条件进行深度的探讨和学习。
        1.创设情境，引入金属腐蚀
        【事故回放】2013年11月22日上午10时25分，位于青岛经济技术开发区秦皇岛路与斋堂岛街交叉口处的东黄输油管道原油泄漏现场发生爆炸，直接经济损失约人民币75172万元，事故发生的直接原因是：输油管道与排水暗渠交汇处管道腐蚀减薄、管道破裂，原油泄漏流入排水暗渠，现场处置人员采用液压破碎锤在暗渠盖板打孔破碎，产生撞击火花，引发暗渠内油气爆炸。
        【教师设问】一处小小的金属腐蚀引起的管道破裂，就造成了约75172万元人民币的经济损失，可见金属腐蚀的危害有多么巨大。那么，金属腐蚀的本质是什么？又是什么原因导致了金属腐蚀呢？
        【师生活动】阅读教材P23，明确金属腐蚀的本质是金属失去电子被氧化的过程。铁生锈就是最典型的一种金属腐蚀，并展示身边铁制品生锈的图片。
        【本环节的素养目标】从输油管爆炸事件出发，学生深切体会到不起眼的金属腐蚀造成的危害有多么巨大，激起学生想要利用化学知识保护社会财产和人民安全的欲望，培养学生社会责任感，并为深度学习金属的腐蚀做好铺垫。
        2.旁敲侧击，深度学习钢铁的吸氧腐蚀
        【教师引导】金属的腐蚀通是危害社会的一种现象，但只要方法得当也是可以造福人类，现在市面上就有成功利用铁生锈放热的例子，如：自热米饭、暖贴等。
        【师生活动】一起观察暖么么暖贴，看清暖贴的原材料为：铁粉、蛭石（保温材料）、活性炭、无机盐水等合成的聚合物；使用说明：撕开外层塑料真空包装袋，即刻变暖。师生一起感受暖贴带来温暖，同时思考：暖贴发热的原理是什么？
        【学生活动】学生思考、讨论，材料中有铁粉、活性炭、无机盐、水等，满足构成原电池的条件，负极：Fe-2e-=Fe2+；正极：2H2O+O2+4e-=4OH-；总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2，构成无数微小的原电池加快铁的腐蚀，在短时间内可放出较多的热量。Fe(OH)2在潮湿的空气中继续被氧气氧化成Fe(OH)3，最后形成铁锈。
        【教师讲述】像这样发生原电池反应的腐蚀称为电化学腐蚀，由于腐蚀过程需要吸收氧气，因此称为吸氧腐蚀。
        【深度学习】（1）暖贴粉发热过程是否真的如上述推测发生了原电池反应？真的构成了许许多多微小的原电池？
要弄清是否发生原电池反应，最直接最有说服力的就是检测是否有微电流产生，同学们决定用手持技术实验系统的微电流传感器测定电流，每隔0.2秒测定一个数据，实验测定结果见图1。

        从实验数据可以看出，微电流有时有有时无，大小约为0.006mA，方向也不确定，但可以确定发生了原电池反应。
        【深度学习】（2）氧气参与原电池反应了吗？
        大家都知道，如果铁生锈消耗了氧气，氧气就会减少，压强也会减小。同学们将暖贴粉均匀撒在试管中，连接手持技术实验系统，分别测定反应过程中试管内压强的变化和氧气浓度的变化，测定结果与预测的完全一致。
        【深度学习】（3）哪些因素会影响钢铁的吸氧腐蚀呢？
        在教师的启发下，同学们又用暖贴粉做了三组对比实验：①试管内壁分别用水和饱和食盐水润湿；②试管内壁分别用饱和食盐水和5倍稀释的饱和食盐水润湿；③试管内壁分别用pH=1稀盐酸和0.1mol/L氯化钠溶液润湿，试管内压强的变化分别见图2、3、4。

        可见，水中溶有食盐且盐水的浓度越大试管内压强减小的越快，即铁腐蚀的越快，离子浓度大小是影响钢铁吸氧腐蚀的一个重要因素；离子浓度相同的稀盐酸和氯化钠溶液，试管内压强的变化趋势不同，用pH=1的稀盐酸润湿的试管内压强先增大后减小，说明溶液的酸碱性也会影响钢铁的腐蚀。
        【本环节素养目标】用真实的生活情境暖贴发热激起学生的好奇心，引导学生分析讨论暖贴发热原理，再到深度学习吸氧腐蚀的实验设计与探究，学生挺过了设计实验的为难与煎熬，享受了通过手持技术实验显示的数据与曲线亲眼“看到”试管中氧气浓度减少的激动，体验了一回做学问搞研究的一般过程，也逐渐明白了深度学习的意义，实验探究能力与创新意识得到较大的提高。
         3.是析氢腐蚀还是吸氧腐蚀？
        【教师设问】为什么用pH=1的稀盐酸润湿的试管内压强先增大后减小？
        【学生活动】学生一致认为，在酸性较强时正极应该是H+得电子：2H++2e-=H2↑，产生H2使试管内压强增大，当H+逐渐被消耗，酸性逐渐减弱又发生吸氧腐蚀，试管内压强减小。
        【教师讲述】像这样在酸性较强的条件下，有氢气产生的电化学腐蚀称为析氢腐蚀。
        【深度学习】（1）在pH=1的稀盐酸介质中，钢铁发生析氢腐蚀的同时是否也发生吸氧腐蚀呢？
         同学们测定了用pH=1的稀盐酸润湿的试管内氧气浓度的变化（见图5），从图中可以清楚地看到氧气浓度减小，说明在析氢腐蚀的同时也发生了吸氧腐蚀，也说明吸氧腐蚀普遍存在。

        【深度学习】（2）在pH=4.5的介质中是否也同时发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀呢？
        大部分学生都觉得pH=4.5是酸性介质，理论上是会发生析氢腐蚀的，而由前面的实验得知，在pH=1的稀盐酸中也发生吸氧腐蚀，由此推断pH=4.5时两种腐蚀应该同时发生。由于我们没有氢气浓度传感器，没办法直接测定氢气浓度的变化，只能测定试管内压强的变化（见图6），从图中可以看到试管内的压强没有先增大而是逐渐减小，初步判断在pH=4.5的介质没有发生析氢腐蚀。
        【深度学习】（3）pH要小于多少才会发生析氢腐蚀呢？
        由于条件的限制，同学们只能查阅资料，得知：在酸性较强的介质中，铁粉既发生析氢腐蚀又发生吸氧腐蚀，以析氢腐蚀为主；当pH>4.3时，只发生吸氧腐蚀。
        【本环节素养目标】教材上说钢铁表面水膜的酸性较强时，正极就会产生氢气发生析氢腐蚀，那么，酸性较强是指pH等多少？析氢腐蚀与吸氧腐蚀是否同时发生？引导学生步步深入、层层探究，让学生逐渐学会如何思考问题，学会如何深度学习，培养学生深度学习能力与实验探究能力。
        三、关于深度学习的几点体会
        1.深度学习对教师提出了更高的要求
在教授知识的同时要注重对知识内涵与外延的探讨和研究，这是深度学习对教师提出的基本要求，要求教师要有更高的教研能力和更专业的教学水平，站在更高的高度，采用更多维的教学策略和方法，进行更深层次的教学对话和课堂活动，引领学生批判性地学习新思想、新知识，构建学生自己的知识结构体系，培养学生的高阶思维。
        2.深度学习要融入情境教学之中
        深度学习的主角是学生，是学生发自内心的愿意思考，积极主动地参与探索，这是学生的自发行为，教师不能也不可能强迫学生进行深度学习。那么，如何让学生全身心地投入到深度学习中来呢？将所要深度学习的知识融入到一定的教学情境之中不失为一种有效的方法。在教学情境中，学生会觉得自己的探索是有价值的、有现实意义的，自己肩负着社会责任，在使命感的驱使下，学生就会变得更积极主动，学习之后也更有成就感，觉得自己为社会做了贡献，也会更乐意投入到后续的学习中。
        3.手持技术是深度学习的得力助手
        在上述案例中，手持技术实验的智能化系统测到了时有时无的大小约为0.006mA的微电流，直观呈现出了吸氧腐蚀时试管内压强和氧气浓度的变化，发现了pH=1的稀盐酸润湿的试管内压强先增大后减小的意外，才有“在pH=1的稀盐酸介质中，钢铁发生析氢腐蚀的同时是否也发生吸氧腐蚀呢？”“在pH=4.5的介质中是否也同时发生析氢腐蚀和吸氧腐蚀呢？”的思考与探究，将金属的电化学腐蚀这一概念的深度学习得以延续，这是传统的实验技术没办法做到的。
        四、结语
深度学习的宗旨是要改变课堂的浅层教学，更关注学生的在课堂教学中的主体地位，更注重引导学生批判性地思考问题，更重视学生对探究过程的体验，使学生在学习学科知识的同时，学会协作与沟通，学会主张与思考，这是深度学习的要求，更是培养学生化学学科核心素养的有效途径，也是教育改革的必然。
参考文献：
[1]袁振东＊乔腾葛丽丽胡晶茹. “金属的电化学腐蚀”教学设计创新. 化学教育，2018（11）: 28-33
[2]王露熹. 金属的电化学腐蚀深度学习. 中学化学教学参考，2018（9）: 38