基于三元整合策略的概念教学

摘要：化学概念不仅是重要的基础知识，还是培育核心素养的重要素材。以高二选修“金属的腐蚀与防护”为例，概述教学现状，进行课例综述，指出存在问题：（1）未能整合不同知识版块；（2）缺少运用已有知识预计新情境。提出以“实验-性质-原理”三元整合策略（简称三元整合策略）为指导，制造认知冲突，围绕实验、媒体、社会等素材创设问题链，培育化学学科核心素养。

关键词：三元整合策略；化学概念；原电池；金属的腐蚀与防护

文章编号：1008-0546（2022）02-0033-06中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02.007

*本文系广东省教育科学“十三五”规划课题“学科核心素养导向的元素化合物三元整合教学模式研究”（项目编号： 2020YQJK006，基金号： 156-2018-XMZC-0001-07- 1285）成果。

一、教学现状分析

人教版高二选修4第四章第四节“金属的腐蚀与防护”的教学内容承前启后，既是必修1氧化还原反应知识和选修4原电池、电解池的实际应用，又是为高三陌生电化学装置的认识与设计提供一般思路。另外，本课还涉及控制条件、有序思维等化学思想和宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等核心素养。金属的腐蚀与防护既是人类生活的常见化学过程，又是化学学科的核心概念之一。

化学概念不仅是重要的基础知识，概念建构过程还承载着发展学生学科能力的功能。概念教学，目前存在照本宣科、死记硬背等简单处理现象，课堂往往一步到位给出概念，缺乏演绎和同化，不注重概念的生成和内化，忽略概念的整合性，造成知识碎片化。以“金属的腐蚀与防护”为检索词，发现《化学教与学》期刊近十年共收录5篇教学设计，各有特色，见表1[1-5]。

二、教学创新点

分析《化学教与学》5篇优秀教学设计，发现大多存在共同问题：（1）只围绕电化学知识进行教学，不同知识版块的融合较少；（2）教学过程缺少认知冲突引發的思维碰撞，缺少在新情境中运用已有知识进行预计的学科活动。鉴于此，本课创新点是提出三元整合策略指导教学。三元整合策略是知识与能力的整合型高效课堂策略，具体是指结合以某个知识（可以是物质、概念、原理等）为核心进行整合实验，设置涉及化学实验、反应原理和物质性质的整合型问题，组织学生分析思考、相互讨论、建构知识，三者关系见图1[6]。认知冲突的制造是基于三元整合策略提高课堂质量的关键。

本课制造8处认知冲突，让学生利用已有知识主动构建新概念，实现实验、性质、原理三个知识版块的整合教学，具体内容见表2。

三、学情分析

1.学生分析

在高一氧化还原反应和高二原电池、电解池的基础上，学生已具备自学“金属腐蚀与防护”的能力。通过自学无法达成的有：（1）模糊概念的突破。如，铁钉在干燥的气体中是否被腐蚀；铁钉在弱酸性条件下是否不发生吸氧腐蚀等。（2）重要知识的整合。学生缺少内在逻辑把学科不同版块的知识串联。（3）核心素养的养成。教材文字的直接结论无法让学生在真实情境中实现宏微结合、证据推理与科学探究。因此，本课定位是运用已有知识突破模糊概念、整合学科内容、培育核心素养、达成问题解决。

2.教学目标

（1）通过对氧化还原反应、原电池等概念的演绎，建构化学腐蚀与电化学腐蚀的概念并掌握概念的内涵。

（2）通过“铁钉放入pH≈4 H2SO4中现象预测”的驱动任务，利用已有的元素化合物知识、原电池知识进行析氢腐蚀的概念建构并进行“宏观现象—微观本质—符号表征”的三重表征教学，提升宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知素养。

（3）通过铁钉放入pH≈4 H2SO4中“异常现象”的出现及其原因分析，揭示浓度影响物质氧化性的本质以及条件改变电化学腐蚀的种类发生改变，强调变化观念和平衡思想。

（4）通过牺牲阳极的阴极保护法的“异常现象”分析，强化利用氧化还原、平衡移动原理解决问题，加深对平衡思想的理解，提高实验设计的能力，增强科学探究与创新意识。

（5）通过视频了解全球金属腐蚀的现状，认识金属防护的重要意义，通过金属防护方法的学习，感受化学对人类生活生产的贡献、意义，增强社会责任感。

（6）用治学严谨、求真务实的科学态度面对实验异常现象，并能敢于提出自己的质疑，增强科学探究与创新意识。

四、教学流程

基于以上分析，结合三元素材，制造认知冲突，设置问题引导，实现素养目标，设计本节课的教学流程，如图2。

五、教学实录

1.形成概念

【教师】提供经验：先看一段与全球金属腐蚀现状相关的视频。

启发引导：回忆初三相关知识：铁的生锈，课本是怎样描述的。

【学生】回忆回答：铁与潮湿的空气反应。

【教师】提出问题：预计铁钉在干燥的条件下能否被腐蚀，并说明依据。

【学生】直接回答：结合初三所学知识，金属腐蚀需要铁与空气中的氧气、水蒸气接触。现在在干燥条件下缺少反应所需的其他反应物，所以铁不会被腐蚀。

【教师】讲解分析：结合初三课本上铁钉锈蚀的图3，可观察到，在这对照实验中最右边长期处于密封干燥环境下的铁钉，在很长一段时间的确不会生锈。

提供证据：呈现在实验室做的另一组对比实验结果，见图4。

【教师】讲解引导：图4右边的铁钉一直密封在干燥空气中，左边的密封在干燥氯气中3天。相对于右边的铁钉，密封在干燥氯气中的铁钉发生明显变化。铁的生锈和金属腐蚀是否一样的概念？

【学生】反思冲突：观察图片，体会铁的生锈和金属腐蚀的区别。

【教师】引导迁移：从“铁的生锈”可以拓展得到“金属腐蚀”的概念：金属或合金与周围接触到的气体或液体发生氧化还原反应而引起损耗的现象。其本质是什么？金属起什么作用？

【学生】直接回答：金属腐蚀的本质是氧化还原反应，金属是还原剂。

【教师】过渡引导：金属腐蚀就是金属失电子被氧化的过程。根据已有知识，理论上氧化还原反应能构造成什么装置？

【學生】直接回答：原电池装置。

【教师】过渡引导：如果要构造原电池并对外输出电流，需具备什么条件？

【学生】回忆回答：自发的氧化还原反应；闭合回路；导线、电解质溶液；还有电极。

【教师】小结归纳：根据金属腐蚀是否具备形成原电池的条件，能否构成原电池，把金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。铁在干燥氯气中被腐蚀，属于哪种腐蚀？

【学生】直接回答：化学腐蚀。

【教师】提出问题：化学腐蚀与电化学腐蚀哪一种在日常生活中更普遍？为什么？

【学生】直接回答：电化学腐蚀。因为大部分金属是合金材料。

【教师】追加提问：哪种腐蚀危害性更大？为什么？

【学生】思考回答：电化学腐蚀；构成原电池发生反应更快。

【教师】提供情境：烧杯内有一块几乎不含杂质的纯锌粒，然后向烧杯中加入稀硫酸，接下来将要插入铜棒。提出问题：插入铜棒之前有什么现象？如果从腐蚀的角度分析，锌粒发生什么腐蚀？

【学生】观看视频、思考回答：产生气泡。发生化学腐蚀。

【教师】追加预计问题：预计当铜棒插进去接触锌粒后会产生怎样的现象。

【学生】预计回答：现象更明显；产生气泡的速率更快。

【教师】依次提问：铜棒插进去接触锌粒后发生何种腐蚀？速率更快说明什么问题？锌粒表面的气泡说明什么问题？

【学生】思考回答：电化学腐蚀；电化学腐蚀速率更快，危害更大；两种腐蚀同时进行。

【教师】小结归纳：在发生电化学腐蚀的时候，同时伴随着化学腐蚀。

2.拓展概念

【教师】追加预计问题：从图5看出湖南长沙酸雨问题不容乐观[7]。取接近日常生活雨水pH值（约为4左右）的稀硫酸和铁钉装入图6装置，预计可能会产生什么现象？

【学生】预计回答：红墨水中有气泡产生，可以看到铁钉质量会减少；有气泡产生；溶液变成绿色。

【教师】引导提问：较为统一的观点是导管口产生气泡，试想产生气泡是迅速还是缓慢的？不管缓慢还是迅速，铁钉发生的氧化还原反应属于何种腐蚀？

【学生】直接回答：迅速的电化学腐蚀。

【教师】符号表征：请按照原电池的结构写出电极反应式和总反应式。

【学生】书面练习：完成反应式的书写。

【教师】引导提问：负极会否产生Fe3+？

【学生】直接回答：铁钉中铁属于过量，所以应该产生Fe2+。

【教师】归纳总结：因为正极产生氢气，这种腐蚀又叫析氢腐蚀。提供证据：播放实验视频。

引导提问：除了观察到铁钉表面产生气泡的速率很缓慢，红墨水中导管口有气泡产生，还观察到哪些现象？

【学生】观看回答：红墨水倒吸。

【教师】引导提问：红墨水为何发生倒吸？

【学生】直接回答：导管内压强减小。

【教师】追加提问：为什么导管内气压会减小？小组讨论可能的原因。

【学生】表达观点：铁钉和稀H2SO4反应放热，反应完成后不再放热，冷却后气压减小，引起倒吸；试管内O2会与铁钉反应，然后O2就减少所以压强减小。

【教师】讲解分析：装置内反应缓慢，温度变化不明显，所以最可能是O2得电子，物质的量减小导致气压减小。根据电化学腐蚀的知识写出电极反应式和总反应。

【学生】符号表征：完成反应式的书写。

【教师】总结提问：后期腐蚀正极不是放出H2而是吸收O2，因此又叫吸氧腐蚀。金属表面水膜溶解的O2得电子后，空气中O2会继续溶解到溶液里，形成气液的溶解平衡。能否设计一个简单的实验来证明是O2的因素？

【学生】思考回答：检测溶液pH值变化。

【教师】提供证据：除了溶液pH变化，江苏陈老师通过另外一种装置来呈现该实验定量变化的一面，见图7。通过专门的传感器真实反映实验温度的变化和氧气浓度的变化，见图8。通过该定量实验可证明吸氧腐蚀中O2浓度在减小[8]。

3.运用概念

【教师】提出预计问题：按照上述电化学腐蚀的知识，预计铁钉周围应该变成什么颜色？

制造冲突：视频所示与预计是否一样？可能的原因是什么？

【学生】分析回答：铁钉表面生成Fe（OH）2，应该是表面覆盖白色沉淀；通过图片看到铁钉变黄，可能是因为Fe（OH）2被氧化成Fe（OH）3。

【教师】过渡引导：黄色很可能是少量铁锈的颜色，请用化学方程式描述出现黄色的原因。

【学生】符号表征：按要求书写方程式。

【教师】提出问题：随着时间推移，铁钉发生的腐蚀类型并不一样。可见，时间是不可忽略的条件因素。前面是析氢腐蚀，后面是吸氧腐蚀的本质原因是什么？

【学生】思考回答：跟环境有关。

【教师】追加提问：该实验后期弱酸性溶液中是否存在H+？为何不发生析氢腐蚀？本质原因是什么？

【学生1】H+的浓度不同。

【学生2】H+的氧化性与其浓度有关。H+浓度减小使其氧化性减弱。

4.问题解决

【教师】过渡引导：最近我国竣工的港珠澳大桥，不光是长度之最，还是年限之最，号称可以使用120年。请结合生活常识和电化学知识，提出减少桥墩电化学腐蚀的方法。

【学生】思考回答：在铁的表面连接一块锌片或者其他比铁活泼的金属；将铁和外界电源负极相连充当阴极；在铁上面涂一层油漆就可以防止其氧化。

【教师】小结归纳：理论上这些方法都可行。例如生活中常见的不锈钢材料，改變其内部结构让它更抗腐蚀；或者在表面覆盖保护层，隔绝氧气和水。还有两种阴极保护法，图9中哪些电化学防腐手段是原理相同的阴极保护法？

【学生】直接回答：A、B、C都是牺牲阳极的阴极保护法。

【教师】提出问题：请预计牺牲阳极的阴极保护法和外接电源负极的阴极保护法哪种保护效果哪种更好？

【学生】发表意见：外接电源负极的阴极保护法更好，因为要防护的金属连接电源负极，充当阴极，发生得电子的反应，电源负极提供电子的能力远远大于金属本身，所以防护效果更好。

【教师】提供证据：播放视频：试管内是使用新方法K3【Fe（CN）6】检验铁钉被酸腐蚀产生的Fe2+，中间黑色连接线是用牺牲阳极的方法，右边红色连接线是用外接电源负极的方法。观察到哪些现象？

【学生】观察回答：试管内溶液中出现蓝色的浑浊。短时间内两个装置中暂无明显现象。

【教师】制造冲突：港珠澳大桥的实际防护手段如何选择？一起观看视频。

【学生】观看视频：找出港珠澳大桥的实际防护手段。

【教师】过渡引导：港珠澳大桥采用的是牺牲阳极的阴极保护法，并根据不同的环境需要采用不同的涂层，但没有选用外接电源负极的阴极保护法，为什么？

【学生】思考回答：很难在海上连接一个外加电源；连接电源后可能会对海洋生物有影响。

【教师】总结归纳：这节课主要脉络是从已有知识来生成新的概念、预计陌生情境的结果，然后通过实验视频、实验图片等带有认知冲突的素材来体验新概念、完善概念网络，最后再结合已有的原电池、电解池知识提出了金属防护的手段。

制造冲突：接上观察视频后半部分，长时间反应后观察到牺牲阳极的装置中铁电极附近观察到蓝色浑浊，而外接电源的装置没有。

课后拓展：请课后从氧化还原、化学平衡等多角度解释该“异常现象”的成因，并设计简单的验证方案。

六、教学效果与反思

1.学习效果

课后布置调研题目：（2014年广东高考真题改编）某小组试图利用石墨完成自然水体中铜件的电化学防腐。若原理可行请完成防腐示意图（图10），并作相应标注；若原理不可行，请说明原因。

课后检测情况见表3，教学效果良好。

2.教学反思

（1）教学设计层层推进。利用学生的已有知识不断制造认知冲突，基于真实情境通过预计结果并说明依据等教学环节促使学生调用已有知识思考、分析、解决新问题；并让学生利用在课堂所学新知识应用到“港珠澳大桥防护”这一现实话题，既学以致用又提升学生实践能力；最后“牺牲阳极的阴极保护法”异常现象的呈现更是给予学生无限的思考空间，如何分析、如何验证是学生自省的重要环节。

（2）教学效果突出鲜明。通过实验真实过程和结果的展现，提高学生基于现象进行宏微结合、符号表征的能力，强化学生根据已有知识进行证据推理、提出合理猜想并能进行简单实验设计的能力；促进学生体会透过宏观现象探寻微观本质的学科思维，巩固“宏观—微观—符号”的三维表征思维模式；帮助学生认识到浓度是影响反应机理的重要条件，认识到时间是重要的反应条件，认识到物质的变化是有条件的如化学反应的环境是在不断变化等等，这节课在传授化学知识的同时更多是在渗透化学学科思想，培育化学核心素养，基于三元整合策略损高学生的问题解决能力[9]。

（3）教学容量适当控制。当生源一般或者课时充足时，可以把本课设计分成“金属腐蚀”和“金属防腐”两个课时，这样既能强化电化学腐蚀中电极方程式的符号表征，也能围绕“港珠澳大桥”充分讨论防护方法并进行最后异常现象的分析与验证，能更好地挖掘情境素材背后的价值。

总体来说，本课是三元整合策略在基本概念新授课中的应用尝试，很好地实现知识问题化、问题情境化、解决自主化的设计理念，为基础年级开展高效课堂提供可复制的教学案例。

参考文献

[1]张玥.从“金属的腐蚀和防护”谈探究性学习的有效实施[J].化学教与学，2014（3）：60-61.

[2]汪结义.“金属的腐蚀与防护”课堂观察研究案例[J].化学教与学，2015（8）：46-48.

[3]方云.“金属腐蚀和防护”的教学设计[J].化学教与学，2013（6）：75-76.

[4]项云，钱海滨.浅析“全属的电化学腐独与防护”的探究性教学[J].化学教与学，2013（6）：64-65.

[5]宗国平，刘文兵.基于“科学态度与社会责任”素养下的问题导学策略——以“金属的腐蚀与防护”为例[J].化学教与学，2019（3）：39-42.

[6]钟国华. 2019年高考化学实验试题（全国卷）的评析及启示[J].化学教学，2020（1）：80-85.

[7]张龚，曾光明，蒋益民等.湖南省酸雨变化特征、现状及成因分析[J].环境科学研究，2003，16（5）：14-17.

[8]陈云.铁的吸氧腐蚀实验的新设计[J].化学教学，2018（4）：59-61.

[9]钟国华.基于三元整合策略提高学生问题解决能力的高三专题复习研究—以“FeCl3和SO2反应”为例[J].化学教学，2021（2）：33-38.