“鐵的吸氧腐蝕專題復習”項目式學習設計

余靜 王小兵 曹文萍 李琪琪 陳惠怡 曾懋華

摘要：在真實情境中設計項目式串聯的學習任務，可有效促進深度學習的達成。通過利用數字化實驗對傳統實驗進行改進，設計探究“蒸汽眼罩”與空氣某成分的反應、自制蒸汽眼罩確定蒸汽眼罩的發熱成分、探究“蒸汽眼罩”電化學發熱工作原理三個任務，開展項目式教學，復習鞏固了“鐵的吸氧腐蝕”專題的相關內容，同時也鍛煉了真實問題的解決能力。

關鍵詞：項目式學習；提升思維品質；蒸汽眼罩

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0025-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.006

探索有效的教學模式來提高教育教學質量，一直以來是教師教學努力的方向，項目式教學[1]順應了時代發展的需求以達到深度學習的目標，有利于培養學生的綜合素養。[2]項目式教學中教師不再是負責傳授知識、無所不知的專家，而是見多識廣的指導教練、學習的引導者，以及整個探究過程的向導，而學生也從被動接受知識轉變為主動探索、主動發現和主動獲取知識。因此，利用高中化學學科知識來解決真實情境問題的項目式教學，是提升復習效率和學科素養的有效途徑。[3]以探秘蒸汽眼罩的發熱原理為例，探討基于真實問題情境下開展項目式學習，[4]與傳統的知識梳理與習題鞏固的傳統方法相比更有利于調動學生的學習熱情。本案例讓學生以“蒸汽眼罩”的發熱原理為研究主題，開展以“鐵的吸氧腐蝕”相關重要知識為依托的數字化創新性實驗設計，可培養化學學科知識的遷移應用與實踐能力。

一、項目使用說明

本項目是“金屬的腐蝕與防護”復習課，學生已學習了氧化還原反應、化學反應的能量變化中化學能和電能、原電池工作原理以及電化學腐蝕等知識，具備學習電化學知識的基礎。本節課在學生已有的碎片化認知的基礎上，結合新聞熱點“蒸汽眼罩”的情境線索，運用生活中的實例創設問題情境，為學生提供“實證性”材料，并以數字化實驗作為實驗探究手段，設計項目式復習，以鞏固原電池的反應實質——氧化還原反應。

二、教學目標與評價目標

教學目標：

（1）通過手持技術實驗探究學習蒸汽眼罩發熱的原理；

（2）通過手持技術實驗探究學習金屬電化學腐蝕的原理；

（3）通過運用化學知識解決生活問題。

評價目標：

（1）通過對蒸汽眼罩發熱原理的探究實驗的觀察和交流，診斷學生實驗探究的水平；

（2）通過討論與交流，診斷并發展學生的認識思路的結構化水平；

（3）通過運用所學知識解決生活實際問題，診斷并發展學生的社會責任意識。

三、項目任務及教學流程

項目學習活動應該聚焦項目學習中關鍵問題的解決來考慮，即活動內容應體現學科思想方法的應用，活動組織順序應遵循項目成果達成或關鍵問題解決的邏輯順序。[1]依照上述教學目標，制定以下項目任務及教學流程，如表1所示。

四、項目實施過程

1．探究“蒸汽眼罩”與空氣成分的反應

[任務驅動]“蒸汽眼罩”是我們日常生活中常見的緩解眼睛疲勞的產品，簡單實用，同學們知道它的發熱原理嗎？請同學們以小組為單位仔細閱讀提供給大家的“蒸汽眼罩”產品說明書，見圖1，說說其中的成分組成，并交流討論各種成分在其發熱過程中可能發揮的作用后進行反饋。

[學生活動]6人一小組展開討論，收集組員觀點進行匯報與交流。

[學生觀點1]產品組成為鐵粉、活性炭、水、食鹽、蛭石、吸水性樹脂，發熱的原因應該是里面鐵粉、活性炭、水、食鹽之間發生了化學反應放熱。

[學生觀點2]從注意事項中觀察到打開包裝后開始發熱，猜測空氣中某成分應該是發熱的必需條件，而空氣主要含有二氧化碳、氧氣和氮氣，氮氣為惰性氣體，化學性質不活潑，因此，可能是空氣中的二氧化碳或氧氣與眼罩中的成分發生了復雜的氧化還原反應。

[教師總結評價，布置任務1]同學們通過注意事項判斷“蒸汽眼罩”發熱是因為其成分與空氣某成分發生了復雜氧化還原反應，并根據猜想得出可能是氧氣、二氧化碳或者二者都有參與，請同學們進行交流與討論，再結合老師提供的實驗儀器設計實驗，并驗證大家的預判。

[學生活動]學生分組，將約209樣品粉末導入Nelgene瓶中，連接好氧氣和二氧化碳傳感器，同時測得氧氣和二氧化碳濃度的變化，見圖2，記錄數據?；顒油瓿珊?，相互分享、交流實驗結果。

[學生匯報結果]觀察Nelgene瓶內氧氣濃度明顯下降而二氧化碳濃度沒有發生變化見圖3．說明蒸汽眼罩中的成分與氧氣發生了氧化還原反應。反應7 min后，藥品與空氣接觸邊緣還有棕褐色產物（Fe“），見圖4。

2．自制“蒸汽眼罩”確定蒸汽眼罩的發熱成分

[教師總結評價，布置新任務2]同學們根據實驗探究得出“蒸汽眼罩”發熱，是因為藥品成分與空氣中的氧氣發生了復雜氧化還原反應，可“蒸汽眼罩”的成分有很多，知道是何種成分讓蒸汽眼罩發熱嗎？請同學們設計一個實驗檢驗究竟是蒸汽眼罩當中的何種物質起作用。

[學生活動]查閱說明書可知，發熱層的主要成分為Fe、C、NaCl，猜測是蒸汽眼罩當中的這三個成分起到發熱的作用。結合猜想，同學們分成A、B、C、D和E五個小組進行實驗探究（見表2）。稱量鐵粉15 g、氯化鈉5 g、活性炭5 g、蒸餾水4 mL。將其分成五大組，做好標號見表2，將普通溫度傳感器的探頭置于蒸汽眼罩的鐵粉中，溫度傳感器通過HDMI數據線與數據采集器連接，見圖5，打開電腦上的logger pr0 3.15軟件，軟件自動識別傳感器，點擊開始采集。

[學生匯報結果]從曲線圖中，A、B、C組的溫度都沒有明顯的變化，D組溫度隨時間緩慢上升，而E組溫度在短時間溫度明顯上升，見圖6，可見蒸汽眼罩的發熱需要的成分有鐵粉、氯化鈉（無機鹽）和水，而當加入活性炭后，可加快反應速率，猜想可能是鐵粉、氯化鈉（無機鹽）、水、活性炭及氧氣形成原電池，加快鐵的氧化。

3．探究“蒸汽眼罩”電化學發熱工作原理

[教師總結評價，布置新任務3]經過實驗探究可知，“蒸汽眼罩”確實是利用鐵氧化反應放熱來發熱，還可能是主要成分為Fe、C和NaCl溶液形成了原電池。請同學們結合原電池的形成條件并以Cu-Zn原電池為例，見圖7，自行設計實驗證明可能形成了原電池并驗證產物，寫出反應方程式。結合老師提供的實驗儀器設計實驗，并驗證大家的猜想。

[學生活動]將一片用6 mol／L NaCl溶液濕潤的濾紙條置于表面皿中，將帶有魚嘴夾的兩根導線分別夾鐵絲和碳棒，其中鐵絲作負極，碳棒作正極，連接電流傳感器，將兩電極分別接觸濾紙條兩端，見圖8，觀察、記錄實驗現象。將鐵絲、碳棒置于用6 mol/L NaCl溶液濕潤的濾紙條上，連接微型電流傳感器反應一段時間之后，向鐵絲與濾紙接觸處滴加1滴K3[Fe（CN）6]溶液（鐵氰化鉀溶液遇Fe2+變藍），向鉛筆芯與濾紙接觸處滴加1滴酚酞溶液（酚酞溶液遇堿變紅），觀察、記錄實驗現象。

[學生匯報結果]通過圖9可知，眼罩的發熱成分鐵粉、活性炭、氯化鈉溶液（無機鹽）可與氧氣形成原電池，產生電流，化學能轉化為電能，使其短時間內放出熱量。通過在碳棒正極滴加酚酞溶液，酚酞變紅得知產生OH離子，可知正極發生還原反應，而氧氣具有氧化性，得電子，被還原成OH離子，負極滴加鐵氰化鉀溶液變藍，可知鐵被氧氣氧化成Fe2+離子，見圖10?？偨Y得出蒸汽眼罩的發熱原理為C作為正極，發生還原反應即O2+2H2O+4e-=4OH-，Fe作為負極發生氧化反應即Fe- 2e-=Fe2+，原電池2Fe+0，+2H20=2Fe（OH）2，繼續氧化：4Fe（ OH）2+02+2H2O=4Fe（OH）3，見圖11。[教師總結評價，布置新任務4]同學們結合以前學習過構成原電池的條件及原電池可加快反應速率的知識點，將“蒸汽眼罩”發熱的工作原理及升溫快的原因分析得很到位。若要變廢為寶，請同學們想想使用完的蒸汽眼罩，應該如何處理呢？

[學生總結]眼罩中含有的活性炭具有表面積大，吸附能力強等特點，在生活中可用于衣柜除濕，其成分中含有鐵、蛭石、活性炭、無機鹽等合成的混合物，富含多種植物所需的礦物質，可以當花肥使用。

五、項目式教學反思

蒸汽眼罩是用于緩解眼睛疲勞的產品，本研究借助了數字化實驗，通過項目式教學探究蒸汽眼罩的發熱原理。引導學生掌握金屬腐蝕的條件，構建并完善電化學認知模型。本研究解決了以下兩大問題：第一，傳統實驗中對于蒸汽眼罩發熱需要氧氣的參與這一結論，主要是通過系統內壓強減少及理論分析得出，但卻始終無法真實觀察到氧氣含量下降，缺乏說服力，而通過數字化實驗，利用氧氣傳感器，在數據采集器上可真實觀察氧氣含量曲線的下降趨勢，優化了此實驗，體現了科學的嚴謹性。第二，傳統實驗中由于電流表量程大，無法測量其微小電流，因此所需實驗用品量較大，而且產物只能通過理論得出，無法通過實驗驗證，但本實驗通過電流傳感器可測量出微小電流，大大減少了實驗用品，并通過自行組裝一個微型實驗裝置，可在其鐵絲和碳棒兩電極滴加檢測試劑、通過試劑變色現象，得出產物，使實驗簡單易懂易操作，提高了學生的實驗探究興趣。

參考文獻

[1] 張立國．高中化學新課程教學中問題情境創設策略探究[J]新課程，2020（11）：110．

[2]李燃，林紅焰，魏銳，等．高中化學”電負性”的項目式教學——甲醛的危害與去除[J]．化學教育（中英文），2022，43（5）：9．

[3] 王旭斌．“化學反應與能量轉化專題復習”項目式教學——暖身貼的原理探究[J]．化學教與學，2021（07）：73- 77．

[4] 洪清娟．基于提升初三學生化學思維品質的項目式學習設計——以探秘鐵粉型的暖貼為例[J]化學教與學，2019（07）：18-21．