基于真實情境的微項目學習

梁小敏 張雄鷹

摘要：以“海上鉆井平臺的腐蝕與防護”作為真實情境，開展微項目學習。將問題轉化為學習任務，讓學生在問題解決中構建知識體系，解決真實情境中的問題，達成深度學習的目標。此模式適用于能創設真實情境的化學課堂，能充分發揮微項目學習的育人功能。

關鍵詞：微項目;深度學習;核心素養

文章編號：1008-0546（2022）08-0027-06中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.006

一、問題的提出

英國教育家懷特海（Whitehead）認為：“教育只有一個主題，那就是五彩繽紛的生活?！痹诤芏嗌瞵F象和經驗中蘊含了豐富的化學知識。重視理論聯系實際，學會在真實的情境中運用化學原理分析和解決問題，是高中階段學生的關鍵能力之一。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出，真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，為學生化學學科核心素養提供了真實的表現機會。因此，教師在教學中應重視創設真實且富有價值的問題情境，促進學生化學學科核心素養的形成和發展[1]。事實上，任何化學概念的建構都是有情境的，任何化學知識都具有社會價值，其價值的體現也是有情境的[2]。杜威曾指出：“從別人那里聽來的知識也許能使人產生某種行動，但這種知識不能培養個人的主動性和使他忠于他人的信念。”情境教學的核心就是“知識只有在它們產生及應用的情境中才能產生意義。[3]”人教版新教材中就有很多豐富的情境，在教學實施過程中，充分利用教材及課外的情境素材，創設真實的問題情境，實施微項目學習，是促使學生深度學習、發展化學學科核心素養的一種有效途徑。

微項目學習是“微課程教學法”中關于課堂創新的一部分，是將單位課時的核心知識情境化、轉化成實際問題，激發學生探索發現、解決問題、形成作品的學習過程。其核心策略是真實情境下的問題解決、任務驅動，在活動中形成新的體驗，深化已有認知，促進學生深度學習和高階思維，培養學生在陌生情境中分析問題、解決問題的綜合品質[4]。

二、微項目內容的主題分析

確立項目要基于課程標準、教學內容和學生經驗，要多維度考慮該項目是否涵蓋核心知識，是否承載學科思想方法和學生發展核心素養，是否貼近社會和生活，是否真實且有意義，學生是否感興趣，是否具有可操作性。微項目選取的課題可以是生產生活中的實際問題，也可以是所學內容的拓展性課題[4]。

人教2019版選擇性必修一第四章第三節“金屬的腐蝕與防護”，分為金屬的腐蝕與金屬的防護兩部分。教材首先介紹了金屬腐蝕的兩種類型——化學腐蝕與電化學腐蝕，然后結合圖片和實驗介紹電化學腐蝕的兩種類型——析氫腐蝕與吸氧腐蝕。對于金屬的防護，教材從金屬、與金屬接觸的物質及兩者反應的條件等方面出發，研究如何破壞金屬腐蝕發生的條件，著重介紹了改變金屬材料的組成、在金屬表面覆蓋保護層、電化學保護法等措施。其中重點結合實驗介紹了電化學保護法——犧牲陽極法和外加電流法。教材中有關金屬防護的措施情境較多，而微項目學習適合選取一個情境串連起整節課，因此筆者選取了一個教材以外的拓展性情境——海洋平臺的腐蝕與防護。海洋平臺所采用的防護措施基本上囊括了教材的幾種方法，選取此情境對于學生學以致用、發展高階思維有較大的幫助，可以很好地發展學生的化學學科核心素養。

三、微項目學習的教學目標

1.通過觀察實驗，分析鐵釘在不同環境下腐蝕的本質，發展并診斷學生能根據實驗現象歸納物質及其反應的類型以及能運用微粒結構圖式描述物質及其變化的過程的水平，發展宏觀辨識與微觀探析的學科核心素養。

2.通過設計實驗探究鋼鐵吸氧腐蝕的影響因素，發展學生能在與同學討論的基礎上提出探究的問題和假設、依據假設提出實驗方案的水平，發展科學探究與創新意識的學科核心素養。

3.通過分析海洋平臺不同區域的防護措施，發展學生能將化學事實和理論模型之間進行關聯和合理匹配的水平，發展證據推理與模型認知的學科核心素養。

四、微項目任務及教學流程

1.微項目任務設計思路

以“海上鉆井平臺的腐蝕原理和防護措施”作為真實情境，將實際的生產生活問題轉化為微項目任務，再拆解成化學問題，在問題解決的過程中建構金屬的腐蝕原理及防護措施的模型，層層深入，開展深度學習，發展學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識的學科核心素養。教學設計思路如圖1所示。

2.微項目學習實施過程

【教師提出微項目總任務】海上鉆井平臺是一座鋼鐵的城堡，肩負著海上油氣鉆井施工的重任。但鉆井平臺在海水中浸泡存在的最大問題是什么？這個問題是什么原因導致的？可否有相應的措施來解決這個問題？

【拆解問題】問題1：鋼鐵為什么會腐蝕？其本質是什么？不同的環境下腐蝕的原理是否相同？

【學生活動1】將純鐵片和鐵釘（含少量雜質碳）置于以下環境中，鐵釘是否會受到腐蝕？分小組觀察并將實驗現象記錄在表1中，并思考腐蝕的本質有何異同？

【教師】展示實驗裝置，請各小組總結觀察到的實驗現象。

【學生1】純鐵片浸泡在稀鹽酸中，鐵片表面有氣泡產生。

【學生2】鐵釘浸泡在稀鹽酸中，鐵釘表面有氣泡產生。

【教師】對比一下純鐵片與鐵釘產生氣泡的速率，哪個更快呢？

【學生】鐵釘產生氣泡的速率更快。

【教師】我們來看用飽和食鹽水浸泡過的鐵釘有何現象？

【學生3】鐵釘表面有灰綠色和紅棕色固體產生，導管內水柱上升。

【教師】大家結合所觀察到的實驗現象，思考并討論以下問題：（1）三個裝置中可能的反應物和產物是什么？從得失電子的角度分析，可能是誰得電子誰失電子？腐蝕的類型有何不同？請將你分析的結果填入表1中。

【學生4】純鐵片浸泡在稀鹽酸中，鐵與稀鹽酸反應生產 FeCl2和 H2，鐵元素失電子生成 Fe2+，溶液中的 H+得電子生成H2。

【學生5】鐵釘浸泡在稀鹽酸中，鐵與稀鹽酸反應生產 FeCl2和 H2，但因為鐵釘中含有少量碳雜質，形成了鐵—碳—稀鹽酸原電池，反應速率加快。鐵作負極失電子生成 Fe2+，碳為正極，H+在碳表面得電子生成H2。

【教師】在這兩個裝置中，鐵在酸性環境下受到了腐蝕生成了Fe2+，同時還有H2生成。但兩者的腐蝕類型是不一樣的。純鐵片中沒有形成原電池，是與表面接觸到的稀鹽酸直接反應而引起的腐蝕，我們稱這為“化學腐蝕”。而含有雜質的鐵釘浸泡在稀鹽酸中形成了原電池反應，導致了鐵釘被腐蝕，我們稱這為“電化學腐蝕”。我們再來分析第三個裝置——被飽和食鹽水浸泡過的鐵釘可能發生了什么反應？

【學生6】從鐵釘表面生成的灰綠色和紅棕色固體推測，產物是Fe（OH）2和Fe（OH）3，水柱上升說明裝置內部氣壓減小，有氣體參與反應，推測可能得電子的物質是O2。反應為O2+4e-+2H2O=4OH-。

【教師】裝置內部壓強減小，究竟是不是氧氣參與反應呢？我們來看以下的證據。有學者做過以下實驗[5]：把鐵粉、碳粉與氯化鈉溶液混合放在錐形瓶中，如圖2密封好，利用氧氣傳感器測得裝置內O2的濃度變化如圖3所示。我們發現，隨著反應的進行，O2的濃度逐漸降低，說明裝置內部壓強減小是因為O2參與了反應。

【教師】在這個過程中發生的反應有：

負極：Fe-2e-= Fe2+ 正極：O2+4e-+2H2O =4OH-

總反應：2Fe + O2+2H2O =2Fe（OH）2

在空氣中，Fe（OH）2進一步被氧化為 Fe（OH）3， Fe（OH）3失去部分水生成Fe2O3·xH2O，繼而生成鐵銹。

【教師】我們將稀鹽酸與食鹽水中的鐵釘的腐蝕情況進行對比，發現有何不同？

【學生】稀鹽酸是酸性環境，產物是 H2;食鹽水是中性環境，O2參與反應使鐵被氧化生成鐵的氫氧化物最終生成氧化物。

【教師】對的，而且這兩種腐蝕的本質都是在鐵釘的表面形成了原電池反應，都屬于電化學腐蝕。因此電化學腐蝕可以根據環境的酸堿性分為兩類：若環境的酸性較強，則產物有H2，這種類型稱為析氫腐蝕;若環境的酸性較弱或呈中性，則原電池的正極反應為O2得電子的反應，稱為吸氧腐蝕。實際上，金屬腐蝕過程中電化學腐蝕和化學腐蝕往往同時發生，但絕大多數屬于電化學腐蝕。電化學腐蝕比化學腐蝕的速率也大得多。請判斷海上鉆井平臺的腐蝕屬于哪一種。

【學生】吸氧腐蝕。因為海水是接近中性的。

設計意圖：通過對純鐵片、鐵釘分別浸泡于稀鹽酸中以及被飽和食鹽水浸泡過的鐵釘三個實驗裝置的現象觀察、反應物和產物分析、得失電子情況分析及可能的腐蝕類型分類，培養學生根據實驗現象歸納物質及其反應的類型、運用化學符號描述物質及其變化過程的能力，發展宏觀辨識與微觀探析的學科核心素養。

【拆解問題】問題2：絕大多數海上鉆井平臺是基于25年的服役壽命設計的。鋼鐵受腐蝕的快慢程度在不同的環境下有所不同，腐蝕速率與什么因素有關？

【學生活動2】以吸氧腐蝕為例，設計實驗探究鋼鐵吸氧腐蝕速率的影響因素。請將你的實驗方案填入表2中。

已知：（1）生鐵釘的主要成分為鐵，含有少量的碳單質;鋼釘又稱水泥釘，含碳量比生鐵釘少。（2） K3[ Fe（CN）6]溶液能與Fe2+反應產生藍色沉淀，可用于檢驗Fe2+。

限選試劑：生鐵釘、鋼釘、鐵粉、裹鋅皮的鐵釘、繞銅絲的鐵釘、0.1 mol/L食鹽水、飽和食鹽水、冷水、熱水、紅墨水、酚酞試液、K3[Fe（CN）6]溶液。

限選儀器：具支試管、橡膠塞、橡膠軟管、試管、含食鹽水的瓊脂培養皿。

【教師】請同學們展示你們設計的實驗方案。

收集到學生設計的裝置圖如圖4所示：

表3匯總了幾個學生的實驗方案設計。

【教師】通過匯總同學們的設計方案，我們可以發現，從限選試劑中能探究的因素有以下幾方面——內因主要是鐵釘本身的材質（含碳量），外因主要有鐵釘與腐蝕介質的接觸面積、溫度、食鹽水的濃度。從反應本身來分析，你認為還有什么因素會影響鐵釘的腐蝕速率？

【學生】氧氣的濃度。

【教師】對的，除此之外還有什么因素呢？我們在高一學習過，形成原電池可以加快反應速率。限選試劑中有裹鋅皮的鐵釘、繞銅絲的鐵釘，老師在上課前把這兩種鐵釘分別置于溶有食鹽水的瓊脂培養皿中，然后滴入幾滴酚酞試液和 K3[ Fe（CN）6]溶液，請大家觀察并記錄實驗現象，根據現象推測兩個培養皿中鐵釘是否都受到了腐蝕？寫出可能發生的電極方程式。

【教師】展示實驗現象，如圖5、圖6所示。

【學生7】裹鋅皮的鐵釘中酚酞試液變紅，無藍色沉淀產生，說明鐵釘不受腐蝕。

負極：Zn -2e-= Zn2+ 正極：O2+4e-+2H2 O =4OH-

【學生8】繞銅絲的鐵釘中產生藍色沉淀，同時出現少許紅色，說明鐵釘受到了腐蝕。

負極：Fe -2e-= Fe2+ 正極：O2+4e-+2H2O =4OH-

【教師】從以上實驗我們可以得出什么結論？

【學生9】鐵釘與其他金屬組成原電池時，鐵釘作負極時會受到腐蝕，作原電池的正極時不受腐蝕。

設計意圖：通過探究鋼鐵吸氧腐蝕速率的影響因素的實驗方案設計，培養學生對簡單化學問題提出可能的假設并依據假設設計實驗方案的能力，發展科學探究與創新意識的學科核心素養。

【拆解問題】問題3：根據與海水的接觸程度，海上鉆井平臺可分為大氣區、潮汐飛濺區、全浸區與海泥區（如圖7所示）。不同的區域鋼鐵的腐蝕速率的主要決定因素是什么？你能提出相應的防護措施嗎？

【學生】討論分析并得出結論。大氣區的決定腐蝕速率的主要因素：O2濃度、大氣濕度，應對措施：使鋼鐵與氧氣、水隔絕。方法：在鋼鐵表面涂上油漆。

【教師】正確，我們再來分析潮汐飛濺區，潮汐飛濺區與大氣區相比，與海水接觸的幾率較大，但又暴露在空氣中，這個區域的腐蝕主要受什么因素影響呢？

【學生】O2濃度、大氣濕度、海水中鹽的濃度

【教師】這個區域的防護措施除了需要涂層保護，還得需要另外的保護措施。我們回顧一下剛才的實驗中，裹鋅皮的鐵釘不會受到腐蝕，你能從中得到什么啟發嗎？

【學生】讓鉆井平臺連接鋅塊。

【教師】對，這種保護方法屬于電化學保護法中的犧牲陽極法，利用了原電池的原理。要注意，一段時間后，鋅塊需要更換。

【教師】我們接下來看海水全浸區，這個區域相對大氣區和潮汐飛濺區更加復雜，主要受海水中溶解氧、海鹽濃度、溫度等因素影響。因此，這個區域需要更強有力的保護手段——外加電流法。外加電流法利用的是電解池原理，被保護的金屬稱為電解池的陰極，一般采用惰性電極作陽極。裝置圖如圖8所示：

【教師】在海泥區，決定腐蝕速率的主要因素有微生物、有機質、海水污染物的pH、硫化物等，應對措施有涂層保護、犧牲陽極法保護和涂層—電化學聯合保護。此外，結合探究腐蝕速率影響因素的實驗設計，你覺得還有什么方法可以降低海上鉆井平臺的腐蝕速率？

【學生】用不銹鋼鋼材。

【教師】對的，這種方法是從內因去改變金屬的組成，在金屬中添加其他金屬或非金屬制成性能優異的合金，使之成為更耐腐蝕的鋼材，鉆井平臺的壽命就更長。

設計意圖：通過對海上鉆井平臺的各個區域的主要腐蝕因素的分析及相應防護措施的介紹，培養學生對復雜的化學問題情境中的關鍵要素進行分析以建構相應模型的能力，發展證據推理與模型認知、科學態度與社會責任的學科核心素養。

【總結回顧】這節課我們以海洋平臺的腐蝕與防護作為真實情境，從探究鋼鐵腐蝕的反應機理、以吸氧腐蝕為例探究影響腐蝕速率的因素、海洋平臺的防護措施三個方面來認識鋼鐵腐蝕的危害以及金屬防護的重要性。我國是鋼鐵強國，鋼鐵作為工業基石應用于各行各業中，只有明確了鋼鐵腐蝕的反應機理及影響因素，我們才能做好相應的防護措施，從而延長使用壽命。

五、微項目教學效果與反思

微項目學習的核心策略是真實情境下的問題解決、任務驅動，培養學生在陌生情境下分析問題、解決問題的能力，促進深度學習。本微項目的設置通過三個學習任務來開展：任務1：探究鋼鐵腐蝕的反應機理;任務2：探究吸氧腐蝕的影響因素;任務3：應用模型解決海上鉆井平臺的防護問題。三個任務當中，難點在于學生具備分析影響化學反應速率因素的必備知識，但在“海洋平臺吸氧腐蝕的影響因素”這一真實情境中難以聯系，難以抓住要點。筆者從影響化學反應速率的內因和外因加以引導，從課堂反饋效果來看，學生能把必備知識遷移于真實情境，高階思維得到了培養。從課堂容量來看，三個任務環環相扣，做到了“教、學、評”一體化。由于時間的限制，筆者在課堂上不再插入習題的環節，而是把習題作為課后評價的方式進行處理。

實驗是化學科學賴以形成和發展的基礎，是化學學科的重要特征之一，是學生化學學科核心素養發展的重要載體[2]。為了突出“海上鉆井平臺的腐蝕與防護”這一主題，筆者對課本的相關實驗進行了精簡和改進。如只選擇了鐵釘的吸氧腐蝕及裹鋅皮的鐵釘、繞銅絲的鐵釘的腐蝕情況兩個實驗，增加了純鐵片與稀鹽酸、鐵釘與稀鹽酸反應的對比實驗，旨在讓學生學會區分化學腐蝕與電化學腐蝕。對吸氧腐蝕的實驗作了改進，為了讓學生更清晰地觀察到實驗現象，把右邊試管中的水換成了紅墨水。吸氧腐蝕如果有氧氣傳感器等實驗儀器，利用數字化技術現場做實驗效果會更好，但由于實驗條件有限，筆者選取了文獻中的數據作為支持。

總的來說，在學生具備相應的化學原理知識后，開展微項目學習能讓學生把所學知識應用于真實的情境中解決問題。微項目學習是一種能很好地培養學生高階思維能力、發展化學學科核心素養的學習模式。

參考文獻

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