走向核心素养的化学深度学习

牛彩霞　邹映波

摘要： 电化学在高中化学基本理论知识体系中占有重要地位，金属的电化学腐蚀与防护属于电化学知识的实际应用部分。以“保护海洋平台”为项目进行深度学习，学生自主构建金属腐蚀和原电池模型之间的关联，并从模型的两个角度（装置和原理）出发提出相应的防腐措施，学生用化学原理解决实际问题的能力得到提高，高阶思维得以体现。

关键词： 化学核心素养; 深度学习; 模型构建; 问题解决; 金属电化学腐蚀与防护

文章编号： 10056629（2020）08003905

中图分类号： G633 8

文獻标识码： B

深度学习是一种高水平的学习，是一种高阶思维的理解与认知。在学习活动中，设计者应通过一定的学习资源和实践活动，帮助学生系统、深入地分析看似单一、零散的知识点，自主构建结构化的知识体系，并整合利用知识体系和信息解决实际问题，实现知识的迁移和创造。所以，深度学习能够助力学生“证据推理”“模型认知”等核心素养的发展[1]。深度学习理论指出，实施深度学习，关键是将学习目标、挑战性学习主题、深度学习活动和持续性学习评价四个要素有效关联和落实[2]。

电化学在高中化学基本理论知识体系中占有重要地位。《普通高中化学课程标准（2017年版）》对本节课的要求是利用电化学原理解释金属腐蚀现象，选择设计防腐措施[3]。2018年北京卷高考考试说明对此部分知识的要求是了解金属发生电化学腐蚀的原因、危害及防腐措施。金属腐蚀会带来巨大的经济损失，是一个普遍存在的世界性难题，因此金属腐蚀以及防腐问题的研究具有重要价值。该问题的研究过程能够逐渐培养学生运用化学原理和化学思维分析问题、揭示问题实质并解决实际问题的能力，进一步落实“微观探析”“证据推理”“模型认知”等核心素养。然而，学生在分析解决这类实际问题时往往存在障碍，通过研究发现，金属生锈问题与原电池不能准确关联是学生的思维障碍点。主要原因在于学生对原电池模型理解过于死板，停留在浅层次，不能全面关注被腐蚀物质的成分及其所处的环境，从实际环境中抽离出原电池模型，形成有序、系统的思维模型。

金属的电化学腐蚀与防护作为电化学的最后一节内容，亟须帮助学生形成在实际环境中抽离出电化学模型的方法，并用模型解决实际问题。在此过程中不断增加学生思维的深度，提高学生解决实际问题的能力，最终实现对知识深层次的理解和运用。

1  基于深度学习的案例设计思路

在深度学习理论的指导下，本节课以“保护海洋平台——金属电化学腐蚀与防护”为项目进行深度学习。海洋平台是人们进行诸多海上活动的后勤保障，却面临着严重的腐蚀问题，防腐的重要性不言而喻。海洋平台的主要材料是钢，其腐蚀是钢铁腐蚀的重要代表，又由于其所处的环境是大海，它的腐蚀是典型的电化学腐蚀，而防腐方法又涉及原电池、电解池的相关知识。学生以“海洋平台电化学腐蚀的原理和防腐”为活动主线，把“电化学理论的基础知识和分析思路”贯穿于整个问题解决的过程中，学生的“微观探析”“证据推理”“模型认知”等核心素养得到落实（见图1）。

在问题解决过程中，学生主动将任务拆解为海洋平台腐蚀的原理和防腐措施两个子任务。随着海洋平台腐蚀原理分析这一子任务的完成，学生从反应原理和装置两个角度，自主建立金属腐蚀和原电池模型（见图2）之间的关联，总结金属腐蚀的化学本质： 通过原电池反应，金属失去电子被氧化。接下来从模型的两个角度出发提出相应的防腐措施，总结金属防腐的化学本质： 抑制原电池反应发生，抑制金属失电子。学生主动运用化学知识和化学思维进行问题的分析与解决，正确认识化学科学与社会的相互联系，感受化学与现实生活的紧密联系，进一步体会化学学科的社会价值。

2  基于深度学习的案例实施过程

2.1  选定项目

[问题情境]2010年9月，山东东营胜利油田位于渤海的作业3号海洋平台发生倾斜45°事故，造成人员伤亡。事后调查发现，此次事故与海洋平台被腐蚀有关。实际上，海洋平台腐蚀现象非常普遍，为我国带来了巨大的损失[4]。

[学生]选定研究项目为保护海洋平台，并提出驱动性问题： 什么是海洋平台腐蚀？海洋平台腐蚀的原理是什么？如何避免海洋平台腐蚀？

设计意图： 任务设计直指学生认识问题、解决问题的思路，学生将保护海洋平台这一真实情境问题转化为学科问题： 海洋平台电化学腐蚀的原理是什么？如何抑制电化学腐蚀发生？在这一过程中逐渐形成解决问题的系统思路： 是什么（实质）→为什么（原理）→带来什么影响（正面、负面）→如何做（针对原理设计方案）。

2.2  拆解项目

[教师]提供资料： 海洋平台腐蚀主要为电化学腐蚀，海洋平台发生了原电池反应。

[学生]依据资料及驱动性问题，主动将该项目拆解为两个子项目： （1）探究海洋平台腐蚀的电化学原理;（2）应用电化学原理提出合理的保护海洋平台的方案。

[教师]组织学生汇报项目规划结果，并优化规划方案，最终确定方案如下（见图3）：

2.3  活动实施

2.3.1  探究海洋平台腐蚀的本质

[学生]观察海洋平台的实物图，在学案上画出海洋平台被腐蚀最严重的区域，并说明理由。

（1） 探查与外显学生认知障碍。

[学生]回顾电化学模型，并结合电化学模型解释海洋平台被腐蚀的电化学实质，结合实际和原电池模型，画出关联示意图。在此过程中遇到障碍： 找不到正极，找不到离子导体，找不到得电子物质等。

（2） 突破学生认知障碍。

[教师]提供资料，引导学生结合资料解决遇到的困难。

资料1： 海洋平台的主要材料是钢（铁碳合金）。

资料2： 海水呈弱碱性，pH约为8.1。

[学生]分析、讨论、找到各要素： ①正极——C;②电子导体——合金里Fe和C相互接触;③失电子物质——Fe;④离子导体——大海;⑤得电子物质——O2。

[教师]发布任务： 设计实验证实上述体系确实可以发生原电池反应，且正极得电子物质为O2。

[学生]设计实验验证上述体系确实可以发生原电池反应（见图4）。

[学生]进一步设计实验证实在FeCNaCl溶液体系中正极得电子物质为O2（見图5）。

[学生]完善原电池模型，并根据实际情况进行模型优化（见图6），写出该原电池的电极及总反应式，总结海洋平台腐蚀实质： 通过原电池反应，金属失去电子被氧化。

负极：

2Fe-4e-2Fe2+（式1）

正极：

O2+4e-+2H2O4OH-（式2）

总反应：

2Fe+O2+2H2O2Fe（OH）2（式3）

通过进一步思考，结合已学知识，继续完善铁锈的形成过程：

4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3（式4）

Fe（OH）3失水生成Fe2O3·xH2O。

（3） 形成与外显认知模型。

[教师]氧气在正极得电子的金属腐蚀为吸氧腐蚀。当电解液呈酸性时，会观察到有气泡产生，这种气体经检验是氢气，此时在正极得电子的粒子是氢离子，这样的腐蚀为析氢腐蚀，在强酸性环境下发生。吸氧腐蚀在弱酸、弱碱或者中性条件下发生，在我们的日常生活中，吸氧腐蚀是最为普遍的一种腐蚀。

[教师]引导学生总结关联实际问题和原电池模型的方法： 关注物质和环境。

设计意图： 通过分析海洋平台电化学腐蚀原理，提取并关联原电池模型，形成分析思路。首先，通过观察海洋平台腐蚀最严重的部位，学生回忆巩固原有知识： 金属腐蚀条件是同时与空气和水接触。进一步关联金属腐蚀与原电池模型，在关联过程中，学生障碍外显，从而精准定位学生的难点。然后，通过阅读资料以及不断追问的方式，引导学生从物质（海洋平台）及所处的环境（空气、海洋）中寻找能发生的原电池反应以及原电池模型的要素，突破思维障碍，并进一步通过数字化实验进行验证。最终，形成关联实际问题和原电池模型的思路方法： 关注物质和环境。

2.3.2  设计海洋平台防腐方案——应用认知模型

[学生]依据电化学原理，提出防腐思路——切断原电池闭合回路，阻碍金属失电子。

[学生]汇报、展示海洋平台防腐方案。

[教师]点评方案，将学生方案进行规范化表达： 涂层法、牺牲阳极的阴极保护法、外加电流的阴极保护法等。进一步引导学生从不同角度将防腐方案进行归类： 一是从反应实质的角度出发，抑制金属失电子;二是从装置的角度出发，切断闭合回路（见表1）。

原理隔绝了氧气和海水，切断了原电池的闭合回路锌失电子比铁强，抑制了铁失电子被氧化铁与电源负极相连，强力抑制铁失电子被氧化

角度装置： 切断闭合回路实质： 抑制金属失电子

[教师]发布任务： 设计实验证实牺牲阳极的阴极保护法的合理性。

提供资料： 铁氰化钾化学式K3[Fe（CN）6]，遇到Fe2+能生成蓝色沉淀。

3Fe2++2[Fe（CN）6]3-Fe3[Fe（CN）6]2↓

[学生]阅读资料卡片，设计实验，交流展示（见图7）。

设计意图： 培养和提高学生将实际问题和原电池模型相关联的思路用于解决实际问题的能力。学生从形成原电池的两个角度（实质和装置）出发，关注实际情境中的物质和环境，设计海洋平台的防腐措施，并能说出原理。进一步通过实验验证所设计的防腐方法的合理性。

2.4  评价反思

[教师]组织各组进行交流反思。

[学生]总结电化学原理解决实际问题的方法和思路：

关注物质和环境，将实际情境与原理模型的要素进行逐一关联，再利用模型的不同要素解决实际问题，如图8所示。

3  基于深度学习的案例反思

教师聚焦学科本质，引导学生关注电化学腐蚀和防腐之间的内在联系，以此为依据创设真实情境，设计活动平台，学生在这样的平台中完成深度学习。在任务完成过程中，学生经过证据推理、实验验证，不断完善和证实，逐步形成结构化的认知模型，并应用认知模型解决实际问题，从而学生的思维能力得到进一步提升，化学核心素养得以发展和落实。

参考文献：

[1]邹定兵. 建构认知模型  促进深度学习——以高三选修模块复习课“物质的分离与提纯”为例[J]. 化学教学， 2019， （1）： 41～45， 51.

[2]陈争. 指向素养养成的化学深度学习——《保护珊瑚礁——水溶液中的离子平衡主题复习课》例析[J]. 基础教育课程， 2019， （243～244）： 85～91.

[3]中华人民共和国教育部制定.

普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 33～36.

[4]王义， 靳有. 浅析海洋平台腐蚀与防护[J]. 全面腐蚀控制， 2013， 27（3）： 8～10.