倪姍姍

摘要：在課堂中引入“數(shù)字化實驗”儀器，學(xué)生通過小組合作、設(shè)計方案、分組實驗、探究“化學(xué)腐蝕速率和原電池腐蝕速率的大小”。運用壓力傳感器和常用的儀器藥品設(shè)計出兩個簡單易行的實驗方案，在具支試管中測量鋅粒在化學(xué)腐蝕和原電池腐蝕中產(chǎn)生氣體的壓強，從壓強—時間的曲線變化，得出“原電池腐蝕速率大于化學(xué)腐蝕速率”這一結(jié)論，并通過概念遷移、數(shù)據(jù)處理，定量計算出兩者速率比。用簡單的實驗體現(xiàn)抽象的原理，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和創(chuàng)新的能力，用壓強表征反應(yīng)速率，培養(yǎng)學(xué)生知識遷移和應(yīng)用的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗；壓力傳感器；化學(xué)腐蝕；原電池腐蝕；腐蝕速率比較

文章編號：1008-0546（2023）07-0079-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.015

一、問題的提出

金屬的腐蝕是高中電化學(xué)知識的教學(xué)重難點，對于腐蝕速率的快慢，教材中提出“電化學(xué)腐蝕的速率大于化學(xué)腐蝕速率”[1，2]（以下簡稱結(jié)論1），同時給出電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕速率“快得多”[2]（以下簡稱結(jié)論2）的結(jié)論。上述結(jié)論，教材中沒有文字解釋，也沒有實驗說明。在考查學(xué)生電化學(xué)知識時經(jīng)常用到結(jié)論1，絕大多數(shù)的教參中都會出現(xiàn)這樣的習(xí)題。[3-5] 教師在教學(xué)中大多數(shù)會從理論上用語言抽象地描述，學(xué)生很難有深入的理解和認識，只能機械記憶。對于結(jié)論2，學(xué)生更是沒有直觀認識和實驗佐證。

查閱中國基礎(chǔ)教育文獻資源總庫，發(fā)現(xiàn)對“金屬腐蝕速率”的研究內(nèi)容主要集中在3個方面：（一）金屬腐蝕速率的影響因素。從金屬的種類、溶液的類型、溶液的濃度等多方面研究不同因素對金屬腐蝕速率的影響。[6-8]（二）吸氧腐蝕和析氫腐蝕的對比研究，探究兩種腐蝕的條件。[9，10]（三）對比單液原電池和雙液原電池的工作效率。[11，12] 而用實驗來證明結(jié)論1較少，[13-15] 其共同點都是應(yīng)用數(shù)字化實驗進行研究，實驗現(xiàn)象明顯，得出結(jié)論1，給教師很大的啟發(fā)。但都是教師設(shè)計的實驗，且沒有定量比較，而把金屬腐蝕速率比較的數(shù)字化實驗應(yīng)用于課堂教學(xué)的分組實驗探究中暫未發(fā)現(xiàn)。

本研究在高二化學(xué)班的課堂教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實驗，學(xué)生通過小組合作探究化學(xué)腐蝕和原電池腐蝕速率的大小，進行實驗。設(shè)計兩個簡單易行的實驗方案，探討3個方面的問題：（1）解決傳統(tǒng)實驗中現(xiàn)象不明顯的問題； （2）通過壓力傳感器測量壓強—時間變化的曲線，通過比較曲線斜率的大小，判斷腐蝕速率的大小，得出結(jié)論1。（3）根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)，分析處理，計算在一定條件下原電池腐蝕與化學(xué)腐蝕的速率比。

二、教學(xué)理念和設(shè)計

1. 教學(xué)思想

本節(jié)課通過發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實驗中不易顯現(xiàn)的現(xiàn)象，引入數(shù)字化實驗，以小組合作的形式，進行實驗探究。一方面觀察數(shù)據(jù)，得出定性的結(jié)論，另一方面處理數(shù)據(jù)，得出定量的結(jié)論。以數(shù)字化實驗探究為重點，同時與傳統(tǒng)實驗形成對比，將化學(xué)學(xué)科抽象原理（金屬腐蝕速率）與核心素養(yǎng)（證據(jù)推理和科學(xué)探究等）共同融入教學(xué)（見圖1）。幫助學(xué)生從直觀的感性（曲線）認識中分析反應(yīng)本質(zhì)、理解抽象原理。

2. 教學(xué)流程

教學(xué)流程見圖2。

三、教學(xué)問題解決實施

本節(jié)課以生活中金屬腐蝕圖片引入主題，引起學(xué)生對化學(xué)現(xiàn)象的思考，引發(fā)探究欲望。提出任務(wù)：如何用實驗研究“化學(xué)腐蝕速率和原電池腐蝕（析氫腐蝕）速率的大小”。

1. 傳統(tǒng)實驗的結(jié)論驗證

化學(xué)腐蝕和原電池腐蝕的傳統(tǒng)實驗的對比如表1。兩種腐蝕的實驗裝置示意圖見表1中圖3和圖4，通過觀察兩者產(chǎn)生H 2 氣泡的快慢，比較兩種腐蝕速率的大小。

2. 數(shù)字化實驗探究

在傳統(tǒng)的定性實驗中，通過肉眼較難觀察到實驗現(xiàn)象，需借助數(shù)字化手持技術(shù)進行定量化實驗研究。[16，17]

（1）探究實驗設(shè)計方案

①數(shù)字化實驗儀器的介紹

教師介紹數(shù)字化實驗的儀器，展示壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集器，演示它們與電腦之間的連接和操作，以及軟件的使用等。學(xué)生了解到定量比較氣體的多少，不僅可以測量體積，還可以通過壓力傳感器測量恒容密閉容器中氣體的壓強。

②方案的設(shè)計

Ⅰ設(shè)計過程

見圖5。

Ⅱ?qū)嶒炑b置

學(xué)生通過討論得出：具支試管為最佳的反應(yīng)容器。裝置實物圖和示意圖見圖6。

Ⅲ儀器藥品

實驗儀器：具支試管、帶有滴管的單孔橡膠塞、橡膠管、壓力傳感器（Vernier的型號為GAS-BTA）、數(shù)據(jù)采集器（LABQ2），筆記本電腦（裝有LoggerPro3.8.7軟件）等。

實驗藥品：鋅粒（臺山市眾城化工廠，AR）、1 mol·L -1H 2 SO 4 溶液、1 mol·L -1 CuSO 4 溶液。

（2）實驗步驟、現(xiàn)象、結(jié)論

同學(xué)們通過討論首先得出了實驗方案1，再通過教師引導(dǎo)： “如何在一個實驗中呈現(xiàn)兩種腐蝕過程？”，得出實驗方案2。兩個實驗方案的示意圖見圖7和圖8，實驗過程見圖9和圖10，實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)圖見圖11和圖12（在origin軟件中作圖），具體內(nèi)容見表2。

（3）實驗過程出現(xiàn)的問題

學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的問題主要有以下2個方面：（1）加入CuSO 4 溶液之后采集數(shù)據(jù)時間較長，導(dǎo)致容器中壓強過大，膠塞被氣壓沖開。（2）橡膠塞沒有塞緊，容器漏氣，導(dǎo)致容器內(nèi)的壓強一直變化不大。在出現(xiàn)上述問題時，以小組討論為主，教師引導(dǎo)為輔，學(xué)生積極思考，共同解決問題。

3. 曲線數(shù)據(jù)的定量分析

（1）提出問題

在得出結(jié)論1之后，教師提出問題：在這個反應(yīng)中，原電池腐蝕速率是化學(xué)腐蝕的幾倍？

（2）討論方案

（3）處理數(shù)據(jù)

以某一小組方案1的實驗數(shù)據(jù)為例（見表3），

（4）得出結(jié)論

在此實驗條件下原電池腐蝕速率約為化學(xué)腐蝕速率的4.76倍左右。（每個小組算出來的數(shù)值有所偏差，最后可以算出幾個小組的平均值。且不同的藥品和裝置，測量和計算的結(jié)果有所不同。）學(xué)生從直觀的數(shù)據(jù)得出，原電池的腐蝕速率比化學(xué)腐蝕速率“快得多”——教材中的結(jié)論2，其他條件下甚至比這個比值更大，不僅培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理的能力，更能體會生活中金屬腐蝕的嚴重性，以及金屬防腐的重要性，激發(fā)學(xué)生將來致力于研究減緩金屬腐蝕速率的有效方法的興趣。

4. “四重表征”比較分析

在傳統(tǒng)“三重表征”基礎(chǔ)上發(fā)展形成的四重表征，[18，19] 即宏觀—微觀—曲線—符號。幫助學(xué)生多角度分析問題，理解反應(yīng)本質(zhì)，學(xué)習(xí)抽象原理。下文以方案2為例，從“宏觀—微觀—符號—曲線”4個方面進行分析（見表4）。

5. 課下問題的思考和拓展

本節(jié)課后留給同學(xué)們思考的問題： （1）原電池微觀的工作原理。根據(jù)現(xiàn)象和結(jié)論進一步從電子、離子等角度思考原電池的微觀工作原理。 （2）影響腐蝕速率的因素。由不同小組在操作不同、試劑不同等情況下得出的數(shù)據(jù)不同，思考影響腐蝕速率的具體因素。（3）拓展實驗：電化學(xué)腐蝕中還有電解池腐蝕，如何用實驗比較“電解池腐蝕的速率和化學(xué)腐蝕速率的大小”。帶著這些問題，進一步運用探究的方法，小組的形式，培養(yǎng)靈活運用知識的能力，提高解決未知問題的能力。

四、教學(xué)反思和建議

1. 教學(xué)反思

（1）利用簡單實驗探究抽象原理

用實驗室中常規(guī)、少量的藥品，簡單、易操作的儀器設(shè)計并進行數(shù)字化實驗，得出教材中抽象的結(jié)論，耗時短，現(xiàn)象明顯，重現(xiàn)性高。有效地幫助學(xué)生從直觀的現(xiàn)象理解抽象的原理，進而分析原因，理解本質(zhì)。同時便于應(yīng)用于課堂教學(xué)的學(xué)生分組實驗，對比過去手持技術(shù)的實驗絕大多數(shù)在課余興趣小組開展，取得了較大的突破，有利于數(shù)字化實驗在課堂教學(xué)中的推廣。

（2）運用數(shù)據(jù)處理體會定量研究

“重視信息技術(shù)的應(yīng)用”應(yīng)重視化學(xué)教材信息資源平臺的建設(shè)，為各種潛力的學(xué)生和教師提供多種多樣的學(xué)習(xí)資源。[20] 課程標準（2017年）的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分里，多次提到“定量”。本研究利用實驗所得數(shù)據(jù)，進而通過概念遷移、數(shù)據(jù)處理，得出定量結(jié)論2，學(xué)生學(xué)會運用化學(xué)符號和定量計算等手段深入學(xué)習(xí)化學(xué)知識。

（3）基于數(shù)字化實驗體驗探究過程

學(xué)生在設(shè)計數(shù)字化實驗的過程中，學(xué)習(xí)探究方法，培養(yǎng)探究能力，提高學(xué)科的科學(xué)素養(yǎng)。同時積極思考，并依據(jù)探究目的，設(shè)計并優(yōu)化實驗方案，完成實驗，能對觀察記錄的實驗信息進行加工并獲得結(jié)論，能和同學(xué)交流和分享，尊重事實和證據(jù)，養(yǎng)成獨立思考、勇于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的精神。[20]

（4）通過小組合作培養(yǎng)合作意識

在此實驗操作時，壓緊橡膠塞，滴入硫酸銅溶液，采集數(shù)據(jù)，觀察儀器的接口是否有脫落的可能等，諸多工作都需要各成員配合協(xié)作，小組成員各抒己見，提出方案，共同解決問題。凸顯學(xué)生的主體地位，使得課堂教學(xué)變得富有活力，提升合作意識，提高自主學(xué)習(xí)能力。

2. 建議

（1）表征抽象概念的實驗開發(fā)

教材中較多的反應(yīng)原理比較抽象，沒有實驗佐證。例如單液原電池和雙液原電池電流和電壓的對比、電解池腐蝕速率與原電池腐蝕速率的比較等，有待于研究者對教材中抽象原理進行物理量的表征，開發(fā)簡單可行的實驗，幫助學(xué)生從物質(zhì)的微觀層面理解化學(xué)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，有助于深度學(xué)習(xí)抽象的原理知識。

（2）數(shù)字化實驗在教材中應(yīng)用

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）》中，在“教材編寫建議”中明確提出“化學(xué)教材應(yīng)適當增加數(shù)字化實驗、定量實驗和創(chuàng)新實踐活動等，體會、認識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學(xué)科學(xué)的重要價值”[20] 。手持技術(shù)實驗近幾年的案例開發(fā)逐漸增多，與中學(xué)教學(xué)聯(lián)系日趨緊密，課題研究越發(fā)深入，實驗過程和效果朝著簡潔高效的趨勢發(fā)展。在編寫教材時可以選擇一些數(shù)字化手持技術(shù)的實驗案例，供有條件的學(xué)校運用。

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