李芳芳

（海寧市第二高級中學(xué) 浙江 海寧 314400）

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中“鼓勵開展主題性實踐活動和項目式學(xué)習(xí)活動［1］”。項目化學(xué)習(xí)（Problem based learning，簡稱PBL）是一種創(chuàng)造性解決實際問題的學(xué)習(xí)方式，注重學(xué)生解決真實世界中復(fù)雜、非常規(guī)、具有挑戰(zhàn)性的問題，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者溝通合作、批判創(chuàng)新的高階認(rèn)知能力［2］，它是當(dāng)下發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的一種重要學(xué)習(xí)方式。本節(jié)課以項目化學(xué)習(xí)的方式，讓學(xué)生遷移應(yīng)用氧化還原反應(yīng)、原電池原理、電解池原理等核心知識，設(shè)計實驗方案、動手實驗、合作探究、成果交流與評價，在問題解決中實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生認(rèn)知方式，提升學(xué)生思維能力，實現(xiàn)課堂教學(xué)由“知識為本”向“素養(yǎng)發(fā)展”轉(zhuǎn)變。

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.內(nèi)容分析

學(xué)生在新授課學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)了原電池與電解池工作原理、金屬腐蝕與防護(hù)方法等核心知識，大多核心知識的學(xué)習(xí)處于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平1、水平2的層次，所學(xué)核心知識比較零碎、不夠系統(tǒng)，缺乏知識關(guān)聯(lián)與整合，知識結(jié)構(gòu)化程度不高，學(xué)生缺少真實情境解決問題能力的訓(xùn)練。而電化學(xué)單元是化學(xué)反應(yīng)原理模塊的重要組成部分，其原理貫穿于整個中學(xué)階段，這部分內(nèi)容是發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)的關(guān)鍵教學(xué)素材，在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究中具有彰顯化學(xué)學(xué)科社會價值的重要作用。然而，新課標(biāo)電化學(xué)單元學(xué)業(yè)質(zhì)量水平要求比較高，大多處于學(xué)業(yè)質(zhì)量水平3、水平4層次。筆者試圖在有限的教學(xué)時間里通過項目化學(xué)習(xí)方式達(dá)成學(xué)業(yè)質(zhì)量水平要求，提升學(xué)生核心素養(yǎng)。

2.文獻(xiàn)分析

以“電化學(xué)、高三復(fù)習(xí)”為主題，通過中國知網(wǎng)檢索相關(guān)文獻(xiàn)，周荃［3］針對電化學(xué)單元復(fù)習(xí)，提出了依托思維導(dǎo)圖，促進(jìn)模型認(rèn)知的復(fù)習(xí)策略；朱紛等［4］通過裝置變化激活知識、基于微粒觀綜合知識、基于運動守恒應(yīng)用知識來優(yōu)化電化學(xué)復(fù)習(xí)效果，促進(jìn)學(xué)生對電化學(xué)知識豐富內(nèi)涵的理解，從而提高解決問題的能力。黃文軍［5］基于電化學(xué)電路，分析電子、離子移動方向，從而理解電極反應(yīng)，將原電池和電解池知識整合，突破電化學(xué)復(fù)習(xí)難點。他們的共同特點是重視電化學(xué)知識的整理與歸納，并進(jìn)行習(xí)題訓(xùn)練以鞏固所學(xué)知識，沒有將電化學(xué)知識運用于實際生活情境，學(xué)生缺乏在真實情境中解決實際問題的機(jī)會，落實“素養(yǎng)為本”的要求大打折扣。

3.學(xué)情分析

學(xué)生在高一化學(xué)必修第二冊第六章“化學(xué)反應(yīng)與能量”中初步接觸了原電池裝置及其原理，認(rèn)識了鋅錳干電池、鉛蓄電池和簡單的燃料電池。在高二選擇性必修1化學(xué)反應(yīng)原理中深入學(xué)習(xí)了原電池原理，常見的化學(xué)電源，電解池原理及其應(yīng)用，金屬的腐蝕與防護(hù)。在高三階段復(fù)習(xí)過程中，如果能用一個情境把原電池、電解池和金屬的腐蝕與防護(hù)串聯(lián)起來，學(xué)生進(jìn)行構(gòu)建電化學(xué)的知識框架就可以水到渠成了。本設(shè)計基于此目標(biāo)，以“鐵鎖煥顏記”為項目主題，利用舊時嫁妝箱上生銹的鍍銅鐵鎖為項目化學(xué)習(xí)素材，設(shè)置鐵鎖生銹、舊鎖煥顏、保護(hù)鐵器三個環(huán)節(jié)，開展電化學(xué)教學(xué)，將一類反應(yīng)——氧化還原反應(yīng)，兩種裝置——原電池、電解池裝置及其工作原理，一項轉(zhuǎn)化——一定條件下化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化貫穿前后。該設(shè)計適用于高三選考一輪復(fù)習(xí)中關(guān)于電化學(xué)的單元教學(xué)。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.通過觀察鍍銅鐵鎖生銹的外觀，利用原電池原理分析金屬腐蝕原因，構(gòu)建原電池的模型，建立原電池的系統(tǒng)分析思路，發(fā)展宏微結(jié)合和模型認(rèn)知素養(yǎng)。

2.通過設(shè)計電鍍池原理圖，進(jìn)行簡單電鍍實驗操作，感受工業(yè)生產(chǎn)中電鍍鋅的流程，形成分析電解池的一般思路和方法，構(gòu)建電解池模型。通過探究電解池中影響微粒放電能力的因素，形成鍍銅、鍍鋅實驗設(shè)計的一般思路，增強(qiáng)科學(xué)探究能力。

3.認(rèn)識常見的和新型的金屬防腐方法，體會化學(xué)對人類社會進(jìn)步的貢獻(xiàn)，增強(qiáng)社會責(zé)任意識。

三、教學(xué)思路

綜合新課標(biāo)對“電化學(xué)”的學(xué)業(yè)質(zhì)量水平要求、歷年高考題對“電化學(xué)”的考查要求、新授課中學(xué)生的易錯點，將本節(jié)課的內(nèi)容按照“五線并進(jìn)”的思路進(jìn)行設(shè)計，如圖1所示。

圖1 “鐵鎖煥顏記”教學(xué)設(shè)計思路

四、教學(xué)過程

學(xué)習(xí)任務(wù)一：探究鐵鎖

【情境引入】前幾天在老家整理東西的時候發(fā)現(xiàn)了一個老古董，媽媽的嫁妝箱子，箱子上有把鎖，你們見過這樣的鎖嗎？

【展示】箱子上鎖的照片（見圖2）。

圖2 生銹鐵鎖

【師】我們來觀察一下這個幾十年前的鎖怎么啦？

【生】生銹了。

【問題驅(qū)動1】猜測一下這把鎖是什么材質(zhì)的，你怎么看出來的？

【學(xué)生1】從外觀上看是銅，表面有紅棕色的鐵銹，有些地方還有點綠綠的，應(yīng)該是銅綠，所以是鍍銅的鐵鎖。

【問題驅(qū)動2】鍍銅鐵鎖是如何生銹的？

【學(xué)生2】鐵表面鍍銅，有破損之后鐵裸露出來，活潑的鐵作負(fù)極，銅作正極，在潮濕的空氣中，表面有層水膜，形成電解液，在中性環(huán)境中發(fā)生吸氧腐蝕。

【表征原理】結(jié)合吸氧腐蝕模型（見圖3），把腐蝕原理用化學(xué)語言表述出來。

圖3 吸氧腐蝕模型

【學(xué)生3板書】：負(fù)極Fe-2e-====Fe2+，正極：O2+4e-+2H2O====4OH-，后續(xù)：Fe2++2OH-====Fe（OH）2，4Fe（OH）2+O2+2H2O====4Fe（OH）3，2Fe（OH）3====Fe2O3·nH2O+（3-n）H2O

【鏈接真題】（2018 年4 月浙江省選考試題）鋰（Li）-空氣電池的工作原理如圖4所示，下列說法不正確的是（）。

圖4 鋰（Li）-空氣電池工作原理

A.金屬鋰作負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)

B.Li+通過有機(jī)電解質(zhì)向水溶液處移動

C.正極的電極反應(yīng)：O2+4e-====2O2-

D.電池總反應(yīng)：4Li+O2+2H2O====4LiOH

【學(xué)生活動】練習(xí)，分享。

【總結(jié)提煉】原電池模型見圖5。

圖5 原電池模型構(gòu)建圖

【過渡】我們弄清楚了鍍銅鐵鎖是如何生銹的，那么你有辦法讓這把生銹的鐵鎖重?zé)ㄐ骂亞幔?/p>

學(xué)習(xí)任務(wù)二：銹鎖煥顏

【問題驅(qū)動3】我們先要有個計劃，大家來設(shè)計一下畫個圖紙，如何把銹鎖換個新面貌，注明圖標(biāo)。

【圖紙設(shè)計】畫電鍍裝置圖6，并討論兩電極的材料。

圖6 電鍍設(shè)計圖

【儀器及藥品】電解槽，生銹鍍銅鐵鎖，導(dǎo)線，銅片，砂紙，直流電源，燒杯，1.0 mol/L NaOH 溶液，20%鹽酸，蒸餾水，1.0 mol/L硫酸銅溶液，蒸餾水。

【分組實驗1】打磨鐵鎖表面銹斑，堿洗，水洗，組裝電解池，銅片連電源正極，鐵鎖連電源負(fù)極，用1.0 mol/L 硫酸銅溶液作電解液，接通電源，電鍍銅。

【成果展示評價】1.0 mol/L 硫酸銅溶液作電解液電鍍析出的銅表面厚薄不均勻，表面有坑坑洼洼的現(xiàn)象，顏色有深淺，見圖7。

圖7 硫酸銅溶液作電鍍液時表面鍍銅的鎖殼

【引導(dǎo)提示】閱讀2019 年版人教版化學(xué)選擇性必修1 化學(xué)反應(yīng)原理第122 頁注釋內(nèi)容，將電解液換成1.0 mol/L銅氨溶液。

【分組實驗2】打磨鐵鎖表面銹斑，堿洗，水洗，組裝電解池，銅片連電源正極，鐵鎖連電源負(fù)極，組裝電解池，用1.0 mol/L銅氨溶液作電解液，接通電源，電鍍銅。

【成果展示評價】1.0 mol/L銅氨溶液作電解液電鍍銅，鍍層厚薄均勻，更平整，更光亮，效果更好，見圖8。

圖8 銅氨溶液作電鍍液時表面鍍銅的鎖殼

【問題驅(qū)動4】剛才分組實驗過程中，有一個小組的同學(xué)把電源正負(fù)極接錯了，有何后果？

【學(xué)生4】陽極的鐵鎖慢慢溶解，另一極銅棒變粗，析出銅單質(zhì)。

【整理總結(jié)】放電順序：

①陽極：活性電極（除Pt、Au、石墨）＞S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞含氧酸根離子；

②陰極：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋（酸）＞Pb2＋＞Sn2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋（水）＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca2+＞K+

【追問】H＋為何要區(qū)分酸中和水中？

【學(xué)生5】濃度不同。

【解釋】很好，濃度也是影響離子放電能力的一個因素。

【問題驅(qū)動5】鍍銅鐵鎖久置還是會生銹（特別是有破損時），你還能想到鍍什么效果會更好嗎？

【學(xué)生6】鍍鋅。

【儀器及藥品】電解槽，生銹鍍銅鐵鎖，導(dǎo)線，鋅片，砂紙，直流電源，燒杯，1.0 mol/L NaOH 溶液，20%鹽酸，蒸餾水，堿性鍍鋅液（8.1 g 氧化鋅固體和120 g氫氧化鈉固體配成1 L溶液），蒸餾水。

【分組實驗3】組裝電解池，鍍鋅，學(xué)生展示成果并進(jìn)行評價。

【展示評價】剛鍍出來很光亮，表面呈現(xiàn)銀白色光澤，但是鍍鋅件放在空氣中一會兒表面出現(xiàn)黑點，見圖9。

圖9 鍍鋅層表面的黑點

【問題驅(qū)動6】為何會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？工業(yè)上如何提高電鍍鋅的質(zhì)量？

【資料卡】依據(jù)電鍍液成分不同，國內(nèi)工業(yè)鍍鋅常有以下四種類型：

①氰化物鍍鋅：此工藝電鍍產(chǎn)品質(zhì)量好。由于氰根離子的劇毒性，環(huán)境保護(hù)部門嚴(yán)格限制電鍍鋅中氰化物的使用，要求改進(jìn)工藝，使用無氰或微氰電鍍液。

②鋅酸鹽鍍鋅：基于氧化鋅的兩性，氧化鋅溶解于氫氧化鈉溶液生成的鋅酸鹽作電鍍液，pH 控制在12.5～13之間。此工藝，鍍層耐腐蝕性好，常應(yīng)用于彩色鍍鋅。

③氯化物鍍鋅：應(yīng)用較為廣泛的一種工藝。鈍化后鍍層質(zhì)量與鍍鉻幾乎相同，可以鋅代鉻，尤其在外加水溶性清漆后，一般人難于區(qū)分鍍鋅、鍍鉻工藝質(zhì)量。

④硫酸鹽鍍鋅：適合連續(xù)操作電鍍，如帶材、線材、簡單粗大型零部件，此工藝成本較低，經(jīng)濟(jì)實用。

【總結(jié)提煉】電解池模型見圖10。

圖10 電解池模型構(gòu)建圖

【鏈接真題】（2022 年北京選考試題）利用下圖裝置進(jìn)行鐵上電鍍銅的實驗探究，下列說法不正確的是（）。

裝置示意圖序號images/BZ_41_208_1649_504_1883.png電解質(zhì)溶液①0.1 mol/L CuSO4+少量H2SO4②0.1 mol/L CuSO4+過量氨水實驗現(xiàn)象陰極表面有無色氣體，一段時間后陰極表面有紅色固體，氣體減少，經(jīng)檢驗電解液中有Fe2+陰極表面未觀察到氣體，一段時間后陰極表面有致密紅色固體。經(jīng)檢驗電解液中無Fe元素

A.①中氣體減少，推測是由于溶液中c（H+）減少，且Cu覆蓋鐵電極，阻礙H+與鐵接觸

B. ①中檢測到Fe2+，推測可能發(fā)生反應(yīng)

C. 隨陰極析出Cu，推測②中溶液c（Cu2+）減少，平衡逆移

D.②中Cu2+生成［Cu（NH3）4］2+，使c（Cu2+）比①中溶液的小，Cu緩慢析出，鍍層更致密

【學(xué)生活動】練習(xí)分享

岸田俊子和丈夫中島信行與1884年結(jié)婚，婚后在同年星享主編的《自由的燈》發(fā)表《高同胞姐妹書》強(qiáng)調(diào)男尊女卑是野蠻的，男女之間應(yīng)該互相憐愛。1894年，在中島出使意大利期間，充分發(fā)揮了賢內(nèi)助的作用。

【總結(jié)提煉】真實的情境中不僅要考慮微粒氧化性或還原性強(qiáng)弱引起的反應(yīng)先后，也要注意粒子濃度大小引起的反應(yīng)先后，Cu2+形成［Cu（NH3）4］2+后，雖然氧化性有減弱，但是由于穩(wěn)定性強(qiáng)，［Cu（NH3）4］2+濃度大，所以由［Cu（NH3）4］2+得電子變銅單質(zhì)緩慢吸附在陰極上，鍍銅更致密，上題中C的平衡是正向移動的。

學(xué)習(xí)任務(wù)三：保護(hù)鐵器

【問題驅(qū)動7】除了鍍銅、鍍鋅，我們還有何辦法保護(hù)鐵器？結(jié)合展示的圖片：大海上航行的海輪，船用外加電流陰極保護(hù)裝置，船用防腐鋅塊等，談?wù)勀愕南敕ā?/p>

【學(xué)生7】海船艷麗的外殼是涂上了油漆，我們可以用上漆、涂油、鍍層等方法將鐵器與水、空氣隔絕防銹。

【學(xué)生8】外加電源法將船體接在電源負(fù)極作陰極保護(hù)起來防止生銹，這是利用電解池原理。

【學(xué)生9】船用防腐鋅塊是利用原電池原理，讓鋅塊作負(fù)極，船體作正極，也叫犧牲陽極法。

【學(xué)生10】還可以改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如不銹鋼，我們國家正在研究海船耐蝕鋼。

【拓展視野1】達(dá)克羅工藝：以鋁粉、鋅粉等為主要成分，經(jīng)特殊處理而成的新型防腐涂料。相比傳統(tǒng)的電鍍鋅工藝，涂覆過程中不會有氫脆現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)品耐腐蝕性強(qiáng)，是鍍鋅工藝的7～10倍，對高強(qiáng)度構(gòu)件和螺栓的表面防腐處理特別適用。此外，其優(yōu)點還有鍍膜均勻，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性等。此工藝廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備，汽車工業(yè)，家用電器，五金及標(biāo)準(zhǔn)件，鐵路、橋梁、公路等多種領(lǐng)域，是當(dāng)今世界金屬表面處理的一種高新技術(shù)。

【拓展視野2】氫脆：在電鍍過程中，不能及時快速釋放出電極反應(yīng)產(chǎn)生的氫，氫原子向金屬中缺陷附近擴(kuò)散，室溫時在缺陷處氫原子結(jié)合成氫分子，氫分子不斷聚集，從而產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力，使金屬發(fā)生裂紋。氫脆的危害很大，歷史上曾由于氫脆現(xiàn)象，一艘大型郵輪突然斷成兩截，部分旅客葬身大海，釀成重大安全事故。

【素養(yǎng)提升】展示氫脆的危害，提升科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任素養(yǎng)。

【課堂小結(jié)】這節(jié)課我們跟著一把生銹的鐵鎖，走過了鍍銅鍍鋅的實踐操作，建立了原電池和電解池的兩大模型，探索了保護(hù)鐵器的各種方法。

五、教學(xué)反思

1.創(chuàng)設(shè)真實情境，發(fā)展核心素養(yǎng)

真實、具體的問題情境是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體。本節(jié)課圍繞“鐵鎖生銹、銹鎖煥顏及鐵器保護(hù)”三個核心問題的解決，通過形式多樣的學(xué)習(xí)活動，復(fù)習(xí)鞏固原電池原理及電池反應(yīng)、電解池原理及電解池反應(yīng)、金屬的腐蝕與防護(hù)等內(nèi)容的化學(xué)知識，讓學(xué)生在活動中經(jīng)歷探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)與拓展學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)進(jìn)階，訓(xùn)練學(xué)生思維，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的電化學(xué)知識體系和認(rèn)知模型。

2.重視實驗探究，發(fā)揮實驗功能

復(fù)習(xí)課一般少有實驗的環(huán)節(jié)，更鮮有學(xué)生分組實驗的流程。在實驗中盡可能讓學(xué)生分組完成或進(jìn)行探究性實驗，這樣不至于將實驗演變成按照書上的要求照方抓藥的無效行為。本節(jié)課引導(dǎo)學(xué)生利用電解原理將生銹鐵鎖改頭換面的實驗，觀察電鍍過程中的各種細(xì)節(jié)，掌握電化學(xué)知識的本質(zhì)，認(rèn)識工業(yè)上如何提高電鍍鋅產(chǎn)品的質(zhì)量，將局限較大的實驗操作延伸到工業(yè)生產(chǎn)。通過學(xué)生分組實驗，幫助學(xué)生理解和掌握化學(xué)知識與技能，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和價值觀，彰顯化學(xué)實驗的育人功能，從而發(fā)展學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

3.通過項目拆分，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式

項目化學(xué)習(xí)作為發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要課程和教學(xué)方法，越來越受到廣大一線教師的重視。為了提高課堂實效，項目化學(xué)習(xí)要有明確的階段化目標(biāo)，課前有項目主目標(biāo)（鐵鎖復(fù)原）；在教學(xué)實施過程中對項目主目標(biāo)進(jìn)行拆解，制定具體的項目規(guī)劃次目標(biāo)：（鎖的材質(zhì)是什么？為什么會生銹？怎樣讓其復(fù)原？）；引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，合作探究，分組實驗，回顧所學(xué)知識，設(shè)計電鍍裝置，利用電化學(xué)知識來解決問題。項目終端要有產(chǎn)品展示（復(fù)原的鐵鎖成品怎樣？），評價交流（鍍銅鍍鋅的成品展示，實際工廠里是怎樣鍍鋅的？）。項目化學(xué)習(xí)作為學(xué)科實踐的重要形式，學(xué)生在完成真實、具體的項目中，從被動學(xué)習(xí)走向主動學(xué)習(xí)，從簡單、機(jī)械的學(xué)習(xí)走向基于豐富實踐的學(xué)習(xí)，發(fā)展了學(xué)生化學(xué)學(xué)科實踐能力。