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        基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的“弱酸性條件下,鐵的電化學(xué)腐蝕研究”教學(xué)設(shè)計(jì)

        2020-12-13 13:22:06大慶實(shí)驗(yàn)中學(xué)劉瑤瑤
        黑龍江教育(教育與教學(xué)) 2020年12期
        關(guān)鍵詞:碳粉鐵粉電化學(xué)

        大慶實(shí)驗(yàn)中學(xué) 劉瑤瑤

        項(xiàng)目化學(xué)習(xí)《高考實(shí)驗(yàn)試題再思考》的設(shè)計(jì)背景:

        該項(xiàng)目成立的背景在于筆者對課標(biāo)、高考趨勢的分析。課標(biāo)要求學(xué)習(xí)者通過化學(xué)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐,應(yīng)具備正確的價值觀念、擁有多元化發(fā)展要求的必備品格和學(xué)科關(guān)鍵能力。在項(xiàng)目學(xué)習(xí)《高考實(shí)驗(yàn)試題再思考》開展過程中會接觸不同類別的化學(xué)知識、處理各種異?,F(xiàn)象、利用多種數(shù)據(jù)對比等科學(xué)研究方法。所以,可以說基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。另外,高考考查趨勢越來越多地體現(xiàn)對學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的考查:(1)更加關(guān)注化學(xué)科技前沿,選取更多的真實(shí)素材。在真實(shí)情境下,真實(shí)實(shí)踐,解決真實(shí)的問題,更能充分體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的育人價值;(2)更加重視學(xué)科方法素養(yǎng),強(qiáng)化高階思維培養(yǎng)。利用陌生素材,在陌生情境中,解決陌生問題的同時考查學(xué)生關(guān)鍵能力;(3)更注重教學(xué)情境創(chuàng)設(shè),聚焦其真實(shí)性與問題化,倡導(dǎo)做真實(shí)驗(yàn)、看真現(xiàn)象、進(jìn)行真探究。基于以上我設(shè)計(jì)了項(xiàng)目學(xué)習(xí)《高考實(shí)驗(yàn)試題再思考》以及本節(jié)課,對高考試題中實(shí)驗(yàn)“現(xiàn)象”提出質(zhì)疑,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證質(zhì)疑,研究弱酸性條件的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象背后的原理,并再此過程中培養(yǎng)高階思維,提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

        學(xué)習(xí)目標(biāo):

        在學(xué)生心中埋下一顆質(zhì)疑的種子,因?yàn)橘|(zhì)疑是獨(dú)立思考和創(chuàng)新的前提,學(xué)生通過質(zhì)疑高考試題,發(fā)現(xiàn)具備研究價值的問題,開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)和研究,逐漸形成并學(xué)會運(yùn)用化學(xué)科學(xué)思維解決問題,提升“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”素養(yǎng),并在此過程中有所創(chuàng)新。

        學(xué)情分析:項(xiàng)目開展對象——高三學(xué)生

        1.高三學(xué)生有較全面的化學(xué)知識的基礎(chǔ),但實(shí)驗(yàn)探究能力、數(shù)據(jù)分析、曲線分析能力欠缺,科學(xué)思維構(gòu)建不全面,學(xué)科核心素養(yǎng)有待進(jìn)一步提高;走出課堂,真正實(shí)踐的機(jī)會較少。

        2.高三學(xué)生面臨高考沖刺,沒有過多的時間可以親身實(shí)踐解決問題,對高考實(shí)驗(yàn)試題的思考,既可以培養(yǎng)學(xué)生從文字、試題中學(xué)會歸納、對比等學(xué)科思想,也可進(jìn)一步提升其實(shí)驗(yàn)操作能力和完善的科學(xué)思維。

        3.依據(jù)教材中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖1,學(xué)生的已有認(rèn)知是弱酸性條件下,吸氧腐蝕,壓強(qiáng)應(yīng)該減??;這種認(rèn)知和2014 年安徽高考試題的現(xiàn)象產(chǎn)生沖突,學(xué)生認(rèn)為教材中提到的弱酸性條件下應(yīng)該發(fā)生吸氧腐蝕,壓強(qiáng)不可能升高。所以,學(xué)生會認(rèn)為高考試題中現(xiàn)象(如圖2)可能不準(zhǔn)確,產(chǎn)生質(zhì)疑。

        圖1

        圖2

        教學(xué)目標(biāo):

        【學(xué)習(xí)目標(biāo)】課前:借助項(xiàng)目群討論交流2014 年安徽高考試題,能夠確立研究項(xiàng)目及內(nèi)容,并分組做出初步猜想和實(shí)驗(yàn)。研究方向(1):該過程中,為什么出現(xiàn)壓強(qiáng)“先升后降”的現(xiàn)象?研究方向(2):該過程中,腐蝕類型有哪些?研究方向(3):該過程中,影響電化學(xué)腐蝕類型的因素是什么?在自主研究實(shí)踐過程中實(shí)現(xiàn)從對腐蝕過程中的表觀現(xiàn)象的模糊感知過渡到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)論證觀點(diǎn),在真實(shí)實(shí)踐中提高實(shí)驗(yàn)操作能力。課上:1.各研究方向的成果交流與探討,吸取方案精髓,拓展思維;2.研討實(shí)驗(yàn)方案,靈活運(yùn)用空白對照的實(shí)驗(yàn)方法,完善實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)行曲線分析,證明弱酸性條件下,影響電化學(xué)腐蝕類型的因素是氫離子濃度,從而拓展對弱酸性條件下鐵的電化學(xué)腐蝕情況的認(rèn)知的水平。課下:開展延續(xù)性研究,并將研究問題成果化,形成論文,從學(xué)習(xí)者逐漸向研究者轉(zhuǎn)變?!驹u價目標(biāo)】表現(xiàn)性任務(wù):匯總實(shí)驗(yàn)方案制作匯報(bào)PPT準(zhǔn)備匯報(bào)發(fā)言表現(xiàn)性評價1:課上匯報(bào)實(shí)驗(yàn)方案表現(xiàn)性評價2:曲線分析,數(shù)據(jù)對比,論證觀點(diǎn)表現(xiàn)性評價:整理研究成果,形成論文

        教學(xué)重點(diǎn):因?yàn)槭腔陧?xiàng)目的學(xué)習(xí),本課的研究問題是環(huán)環(huán)相扣,密不可分,每一環(huán)節(jié),每一個方向的研究過程和使用的方法,都是解決問題的重點(diǎn)。

        教學(xué)難點(diǎn):本課的難點(diǎn)問題是研究方向3 的研究內(nèi)容:利用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,得出的壓強(qiáng)曲線的數(shù)據(jù)對比論證該過程中電化學(xué)腐蝕類型的影響因素。

        教學(xué)策略:課前三個研究方向做出初步研究和探討,課上利用平板分組投屏實(shí)現(xiàn)方案的借鑒與交流,借助課前方向1 的實(shí)驗(yàn)方法,重新研討設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并做出多組實(shí)驗(yàn)中溫度和壓強(qiáng)的對比實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)的突破。

        教學(xué)過程:

        一、信息技術(shù)整合設(shè)計(jì)意圖

        整合點(diǎn)1:利用QQ 建立項(xiàng)目討論群,借助“美師優(yōu)課”平臺定期發(fā)布高考試題:當(dāng)學(xué)生對高考實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生質(zhì)疑時,隨時提問和討論,課代表定期對問題進(jìn)行篩選,確定精華問題,發(fā)起項(xiàng)目學(xué)習(xí),教師會在群公告展示精華問題,予以肯定,并通過平臺發(fā)布學(xué)習(xí)資源予以輔助。

        整合設(shè)計(jì)意圖:實(shí)現(xiàn)了問題的發(fā)現(xiàn)與初探。

        (1)通過QQ 項(xiàng)目群,提高了學(xué)生間非面對面的交流的機(jī)會,讓學(xué)生的學(xué)習(xí)不只局限在一節(jié)課,讓課堂得以無限的延伸,讓學(xué)生從高考實(shí)驗(yàn)質(zhì)疑中發(fā)現(xiàn)問題,研討,確立學(xué)習(xí)項(xiàng)目,走出了課堂,走進(jìn)了真實(shí)情境,實(shí)現(xiàn)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)。

        (2)“美師優(yōu)課”平臺,實(shí)現(xiàn)試題和資源的發(fā)布,協(xié)助學(xué)生完成問題的發(fā)現(xiàn)與初探。

        整合點(diǎn)2:借助傳感器技術(shù)測定弱酸性條件下,鐵的電化學(xué)腐蝕過程中的溫度、壓強(qiáng)、氧氣百分含量等物理量,并繪制成曲線,對曲線進(jìn)行分析,對多組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比論證。

        整合設(shè)計(jì)意圖:為問題的研究與解決提供數(shù)據(jù)支撐。實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從以往依據(jù)表觀現(xiàn)象做出判斷轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚€數(shù)據(jù)準(zhǔn)確論證猜想、解釋原理,拓展了對腐蝕原理的認(rèn)知水平,延伸了學(xué)生思維的深度。實(shí)現(xiàn)了問題的研究與解決??梢允沟脤W(xué)生對該過程中抽象的腐蝕原理認(rèn)識更深入。

        整合點(diǎn)3:借助平板實(shí)現(xiàn)課上環(huán)節(jié)的研究方案交互和研討。

        整合設(shè)計(jì)意圖:為問題的研究與解決提供交互保障。實(shí)現(xiàn)了學(xué)生間方案的交流與研討和思維的交互。

        整合點(diǎn)4:借助微信公眾號將研究問題成果化,形成論文予以推廣。

        整合設(shè)計(jì)意圖:為問題的延伸與拓展提供推廣平臺。實(shí)現(xiàn)了學(xué)生研究成果的總結(jié)、反思和推廣。

        二、教學(xué)環(huán)節(jié)

        (一)課前:問題的發(fā)現(xiàn)與初探

        1.教師利用“美師優(yōu)課”發(fā)布2014 年高考化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究題:

        試題:某研究小組為探究弱酸性條件下鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕類型的影響因素,將混合均勻的新制鐵粉和碳粉置于錐形瓶底部,塞上瓶塞(如圖1)。從膠頭滴管中滴入幾滴醋酸溶液,同時測量容器中壓強(qiáng)變化。

        圖1

        圖2

        2.學(xué)生質(zhì)疑現(xiàn)象是否屬實(shí)。

        3.學(xué)生和教師錄制實(shí)驗(yàn)視頻和曲線變化,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)。(為了現(xiàn)象更為明顯,鐵粉用量稍作更改,后續(xù)討論是否對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。)

        試劑用量:5g 鐵粉、0.5g 碳粉、90%的醋酸,反應(yīng)裝置如裝置1,滴入醋酸同時清零壓強(qiáng),利用相對壓強(qiáng)傳感器記錄壓強(qiáng)相對變化,繪制曲線。

        裝置

        曲線1

        4.繼續(xù)研究和討論,學(xué)生分為三個研究方向做出初步的探討和研究:

        *1.若現(xiàn)象屬實(shí),引起該過程中壓強(qiáng)變化的原因是什么?

        *2.若現(xiàn)象屬實(shí),該過程中發(fā)生的電化學(xué)腐蝕類型是什么?

        *3.若現(xiàn)象屬實(shí),哪些因素會影響了該過程中發(fā)生的電化學(xué)腐蝕類型?

        (設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生經(jīng)歷對試題實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出質(zhì)疑,經(jīng)過探討發(fā)現(xiàn)研究問題,課前做出初步的猜想,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,體會如何對實(shí)驗(yàn)“異?!爆F(xiàn)象提出質(zhì)疑和假設(shè),并提出自己的猜想,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想的科學(xué)研究過程。)

        (二)課上:問題的研究與解決。

        課上研究成果匯報(bào)。

        1.研究方向1:引起弱酸性條件下,鐵的電化學(xué)腐蝕過程中壓強(qiáng)先升高后下降的原因。

        學(xué)生猜想及對應(yīng)猜想驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)方案如下:

        (1)學(xué)生猜想1:壓強(qiáng)變化與溫度的升高和降低有關(guān)

        【方案】同時測定溫度,觀察壓強(qiáng)隨溫度的變化。

        【實(shí)驗(yàn)以及結(jié)論】溫度、壓強(qiáng)傳感器同時測定錐形瓶內(nèi)壓強(qiáng)變化和溫度變化,裝置如圖3,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示隨著壓強(qiáng)的增大溫度開始時持續(xù)上升,后階段隨壓強(qiáng)的降低溫度也在持續(xù)下降,表明壓強(qiáng)增大與溫度升高有關(guān)。

        學(xué)生定量測定該過程中溫度和壓強(qiáng)變化,為后面的空白實(shí)驗(yàn)對照法確定析氫腐蝕存在奠定了重要基礎(chǔ)。

        圖3

        (2)學(xué)生猜想2:與發(fā)生的腐蝕類型有關(guān)。

        ①前一階段析氫腐蝕:

        【方案】

        方案1:按照右圖裝置,取等量的鐵粉和碳粉充分混合,吸取醋酸,收集并檢驗(yàn)氫氣。

        實(shí)驗(yàn):收集并檢驗(yàn)氫氣。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)論:該過程發(fā)生了析氫腐蝕,壓強(qiáng)增大與之相關(guān)。

        方案2:只升高溫度,測定壓強(qiáng)變化,設(shè)置空白對照實(shí)驗(yàn),當(dāng)溫度升高值5.0℃時,對比壓強(qiáng)變化與曲線2 中壓強(qiáng)變化的大小,確定是否發(fā)生析氫腐蝕。

        【實(shí)驗(yàn)】

        方案2:裝置2 中不加任何實(shí)際,水浴加熱升溫,記錄壓強(qiáng)變化,與曲線2 中溫度升至最高使壓強(qiáng)變化進(jìn)行對照,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5:

        實(shí)驗(yàn):

        數(shù)據(jù):升高5.0℃,壓強(qiáng)增大4.70kPa

        方案2 結(jié)論:

        只升溫壓強(qiáng)變化小于原實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)變化,說明該過程發(fā)生了析氫腐蝕,壓強(qiáng)增大與之相關(guān)。

        (方案1 的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程,學(xué)生設(shè)計(jì)空白對照實(shí)驗(yàn),利用壓強(qiáng)差的對比,直觀的感知析氫腐蝕的發(fā)生)

        教師點(diǎn)評:方案1 也可以進(jìn)一步改進(jìn),創(chuàng)造出新的驗(yàn)證方法。

        學(xué)生研討:方案1 可在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行排空氣,若發(fā)現(xiàn)注射器內(nèi)溫度升高了,也可證明發(fā)生了析氫腐蝕,因?yàn)闆]有氧氣不會發(fā)生吸氧腐蝕。

        ②后一段吸氧腐蝕:

        學(xué)生通過從曲線中最后的壓強(qiáng)低于起始壓強(qiáng),確定了吸氧腐蝕的發(fā)生。

        2.研究方向2:探討該過程中發(fā)生電化學(xué)腐蝕類型。

        (1)學(xué)生猜想:析氫腐蝕和吸氧腐蝕共存,只不過前一階段以析氫腐蝕為主,后一階段以吸氧腐蝕為主。

        (2)證明方法:本想利用氧氣傳感器測定前階段的氧氣濃度是否下降,但受到實(shí)驗(yàn)條件的影響,未能實(shí)現(xiàn)。

        利用文獻(xiàn)研究解決問題,證明結(jié)論。溫度、析氫腐蝕和吸氧腐蝕的共同競爭結(jié)果,

        (學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng),搜集、整理、甄別文獻(xiàn),加以論證,證實(shí)了兩種腐蝕共存。體會了文獻(xiàn)研究在科研中的重要性。)

        3.研究方向3:該過程中影響電化學(xué)腐蝕類型的因素是什么?

        (1)學(xué)生猜想:影響因素,鐵粉、碳粉的量和氫離子濃度,學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明鐵粉和碳粉的量是否影響電化學(xué)腐蝕類型。

        試劑和藥品:鐵粉、碳粉、90%的醋酸。

        鐵粉 碳粉 CH3COOH 壓強(qiáng)以原實(shí)驗(yàn)為參照 5g 0.5 90% 已知壓強(qiáng)變化實(shí)驗(yàn)1 1g 0.5 90% 測壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)2 5g 0.2 90% 測壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)3 5g 0.5 10% 測壓強(qiáng)

        學(xué)生方案:利用控制變量法只改變一個影響因素分別實(shí)驗(yàn)(除氫離子外)。

        實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及現(xiàn)象,但對得到的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)不知如何運(yùn)用。

        教師利用平板交換實(shí)驗(yàn)方案,學(xué)生研討、交流和借鑒。找到了利用空白對照的方式進(jìn)行空白對照的對比,驗(yàn)證了猜想。

        【1】實(shí)驗(yàn)1 與實(shí)驗(yàn)原實(shí)驗(yàn)對照

        結(jié)論:前一階段,實(shí)驗(yàn)1 與原實(shí)驗(yàn)一致,鐵粉不影響電化學(xué)腐蝕類型。

        【2】實(shí)驗(yàn)2 與原實(shí)驗(yàn)對照

        結(jié)論:前一階段,實(shí)驗(yàn)2 與原實(shí)驗(yàn)碳粉量不影響電化學(xué)腐蝕類型,所以開始實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)是鐵粉量的改變不影響兩個階段的腐蝕類型。

        學(xué)生分析所有影響電化學(xué)腐蝕類型的影響因素,利用控制變量法設(shè)計(jì)多組、不同實(shí)驗(yàn)方案,發(fā)揮學(xué)生主觀能動性,將學(xué)生間的不同方案進(jìn)行討論、交流和借鑒。借助傳感器繪制壓強(qiáng)曲線,學(xué)生從以往依據(jù)表觀現(xiàn)象做出判斷轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚€數(shù)據(jù)準(zhǔn)確論證猜想、解釋原理,拓展了對腐蝕原理的認(rèn)知水平,延伸了學(xué)生思維的深度。

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