“铁的吸氧腐蚀专题复习”项目式学习设计

余静 王小兵 曹文萍 李琪琪 陈惠怡 曾懋华

摘要：在真实情境中设计项目式串联的学习任务，可有效促进深度学习的达成。通过利用数字化实验对传统实验进行改进，设计探究“蒸汽眼罩”与空气某成分的反应、自制蒸汽眼罩确定蒸汽眼罩的发热成分、探究“蒸汽眼罩”电化学发热工作原理三个任务，开展项目式教学，复习巩固了“铁的吸氧腐蚀”专题的相关内容，同时也锻炼了真实问题的解决能力。

关键词：项目式学习；提升思维品质；蒸汽眼罩

文章编号：1008-0546（ 2022）12x-0025-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

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

探索有效的教学模式来提高教育教学质量，一直以来是教师教学努力的方向，项目式教学[1]顺应了时代发展的需求以达到深度学习的目标，有利于培养学生的综合素养。[2]项目式教学中教师不再是负责传授知识、无所不知的专家，而是见多识广的指导教练、学习的引导者，以及整个探究过程的向导，而学生也从被动接受知识转变为主动探索、主动发现和主动获取知识。因此，利用高中化学学科知识来解决真实情境问题的项目式教学，是提升复习效率和学科素养的有效途径。[3]以探秘蒸汽眼罩的发热原理为例，探讨基于真实问题情境下开展项目式学习，[4]与传统的知识梳理与习题巩固的传统方法相比更有利于调动学生的学习热情。本案例让学生以“蒸汽眼罩”的发热原理为研究主题，开展以“铁的吸氧腐蚀”相关重要知识为依托的数字化创新性实验设计，可培养化学学科知识的迁移应用与实践能力。

一、项目使用说明

本项目是“金属的腐蚀与防护”复习课，学生已学习了氧化还原反应、化学反应的能量变化中化学能和电能、原电池工作原理以及电化学腐蚀等知识，具备学习电化学知识的基础。本节课在学生已有的碎片化认知的基础上，结合新闻热点“蒸汽眼罩”的情境线索，运用生活中的实例创设问题情境，为学生提供“实证性”材料，并以数字化实验作为实验探究手段，设计项目式复习，以巩固原电池的反应实质——氧化还原反应。

二、教学目标与评价目标

教学目标：

（1）通过手持技术实验探究学习蒸汽眼罩发热的原理；

（2）通过手持技术实验探究学习金属电化学腐蚀的原理；

（3）通过运用化学知识解决生活问题。

评价目标：

（1）通过对蒸汽眼罩发热原理的探究实验的观察和交流，诊断学生实验探究的水平；

（2）通过讨论与交流，诊断并发展学生的认识思路的结构化水平；

（3）通过运用所学知识解决生活实际问题，诊断并发展学生的社会责任意识。

三、项目任務及教学流程

项目学习活动应该聚焦项目学习中关键问题的解决来考虑，即活动内容应体现学科思想方法的应用，活动组织顺序应遵循项目成果达成或关键问题解决的逻辑顺序。[1]依照上述教学目标，制定以下项目任务及教学流程，如表1所示。

四、项目实施过程

1．探究“蒸汽眼罩”与空气成分的反应

[任务驱动]“蒸汽眼罩”是我们日常生活中常见的缓解眼睛疲劳的产品，简单实用，同学们知道它的发热原理吗？请同学们以小组为单位仔细阅读提供给大家的“蒸汽眼罩”产品说明书，见图1，说说其中的成分组成，并交流讨论各种成分在其发热过程中可能发挥的作用后进行反馈。

[学生活动]6人一小组展开讨论，收集组员观点进行汇报与交流。

[学生观点1]产品组成为铁粉、活性炭、水、食盐、蛭石、吸水性树脂，发热的原因应该是里面铁粉、活性炭、水、食盐之间发生了化学反应放热。

[学生观点2]从注意事项中观察到打开包装后开始发热，猜测空气中某成分应该是发热的必需条件，而空气主要含有二氧化碳、氧气和氮气，氮气为惰性气体，化学性质不活泼，因此，可能是空气中的二氧化碳或氧气与眼罩中的成分发生了复杂的氧化还原反应。

[教师总结评价，布置任务1]同学们通过注意事项判断“蒸汽眼罩”发热是因为其成分与空气某成分发生了复杂氧化还原反应，并根据猜想得出可能是氧气、二氧化碳或者二者都有参与，请同学们进行交流与讨论，再结合老师提供的实验仪器设计实验，并验证大家的预判。

[学生活动]学生分组，将约209样品粉末导入Nelgene瓶中，连接好氧气和二氧化碳传感器，同时测得氧气和二氧化碳浓度的变化，见图2，记录数据。活动完成后，相互分享、交流实验结果。

[学生汇报结果]观察Nelgene瓶内氧气浓度明显下降而二氧化碳浓度没有发生变化见图3．说明蒸汽眼罩中的成分与氧气发生了氧化还原反应。反应7 min后，药品与空气接触边缘还有棕褐色产物（Fe“），见图4。

2．自制“蒸汽眼罩”确定蒸汽眼罩的发热成分

[教师总结评价，布置新任务2]同学们根据实验探究得出“蒸汽眼罩”发热，是因为药品成分与空气中的氧气发生了复杂氧化还原反应，可“蒸汽眼罩”的成分有很多，知道是何种成分让蒸汽眼罩发热吗？请同学们设计一个实验检验究竟是蒸汽眼罩当中的何种物质起作用。

[学生活动]查阅说明书可知，发热层的主要成分为Fe、C、NaCl，猜测是蒸汽眼罩当中的这三个成分起到发热的作用。结合猜想，同学们分成A、B、C、D和E五个小组进行实验探究（见表2）。称量铁粉15 g、氯化钠5 g、活性炭5 g、蒸馏水4 mL。将其分成五大组，做好标号见表2，将普通温度传感器的探头置于蒸汽眼罩的铁粉中，温度传感器通过HDMI数据线与数据采集器连接，见图5，打开电脑上的logger pr0 3.15软件，软件自动识别传感器，点击开始采集。

[学生汇报结果]从曲线图中，A、B、C组的温度都没有明显的变化，D组温度随时间缓慢上升，而E组温度在短时间温度明显上升，见图6，可见蒸汽眼罩的发热需要的成分有铁粉、氯化钠（无机盐）和水，而当加入活性炭后，可加快反应速率，猜想可能是铁粉、氯化钠（无机盐）、水、活性炭及氧气形成原电池，加快铁的氧化。

3．探究“蒸汽眼罩”电化学发热工作原理

[教师总结评价，布置新任务3]经过实验探究可知，“蒸汽眼罩”确实是利用铁氧化反应放热来发热，还可能是主要成分为Fe、C和NaCl溶液形成了原电池。请同学们结合原电池的形成条件并以Cu-Zn原电池为例，见图7，自行设计实验证明可能形成了原电池并验证产物，写出反應方程式。结合老师提供的实验仪器设计实验，并验证大家的猜想。

[学生活动]将一片用6 mol／L NaCl溶液湿润的滤纸条置于表面皿中，将带有鱼嘴夹的两根导线分别夹铁丝和碳棒，其中铁丝作负极，碳棒作正极，连接电流传感器，将两电极分别接触滤纸条两端，见图8，观察、记录实验现象。将铁丝、碳棒置于用6 mol/L NaCl溶液湿润的滤纸条上，连接微型电流传感器反应一段时间之后，向铁丝与滤纸接触处滴加1滴K3[Fe（CN）6]溶液（铁氰化钾溶液遇Fe2+变蓝），向铅笔芯与滤纸接触处滴加1滴酚酞溶液（酚酞溶液遇碱变红），观察、记录实验现象。

[学生汇报结果]通过图9可知，眼罩的发热成分铁粉、活性炭、氯化钠溶液（无机盐）可与氧气形成原电池，产生电流，化学能转化为电能，使其短时间内放出热量。通过在碳棒正极滴加酚酞溶液，酚酞变红得知产生OH离子，可知正极发生还原反应，而氧气具有氧化性，得电子，被还原成OH离子，负极滴加铁氰化钾溶液变蓝，可知铁被氧气氧化成Fe2+离子，见图10。总结得出蒸汽眼罩的发热原理为C作为正极，发生还原反应即O2+2H2O+4e-=4OH-，Fe作为负极发生氧化反应即Fe- 2e-=Fe2+，原电池2Fe+0，+2H20=2Fe（OH）2，继续氧化：4Fe（ OH）2+02+2H2O=4Fe（OH）3，见图11。[教师总结评价，布置新任务4]同学们结合以前学习过构成原电池的条件及原电池可加快反应速率的知识点，将“蒸汽眼罩”发热的工作原理及升温快的原因分析得很到位。若要变废为宝，请同学们想想使用完的蒸汽眼罩，应该如何处理呢？

[学生总结]眼罩中含有的活性炭具有表面积大，吸附能力强等特点，在生活中可用于衣柜除湿，其成分中含有铁、蛭石、活性炭、无机盐等合成的混合物，富含多种植物所需的矿物质，可以当花肥使用。

五、项目式教学反思

蒸汽眼罩是用于缓解眼睛疲劳的产品，本研究借助了数字化实验，通过项目式教学探究蒸汽眼罩的发热原理。引导学生掌握金属腐蚀的条件，构建并完善电化学认知模型。本研究解决了以下两大问题：第一，传统实验中对于蒸汽眼罩发热需要氧气的参与这一结论，主要是通过系统内压强减少及理论分析得出，但却始终无法真实观察到氧气含量下降，缺乏说服力，而通过数字化实验，利用氧气传感器，在数据采集器上可真实观察氧气含量曲线的下降趋势，优化了此实验，体现了科学的严谨性。第二，传统实验中由于电流表量程大，无法测量其微小电流，因此所需实验用品量较大，而且产物只能通过理论得出，无法通过实验验证，但本实验通过电流传感器可测量出微小电流，大大减少了实验用品，并通过自行组装一个微型实验装置，可在其铁丝和碳棒两电极滴加检测试剂、通过试剂变色现象，得出产物，使实验简单易懂易操作，提高了学生的实验探究兴趣。

参考文献

[1] 张立国．高中化学新课程教学中问题情境创设策略探究[J]新课程，2020（11）：110．

[2]李燃，林红焰，魏锐，等．高中化学”电负性”的项目式教学——甲醛的危害与去除[J]．化学教育（中英文），2022，43（5）：9．

[3] 王旭斌．“化学反应与能量转化专题复习”项目式教学——暖身贴的原理探究[J]．化学教与学，2021（07）：73- 77．

[4] 洪清娟．基于提升初三学生化学思维品质的项目式学习设计——以探秘铁粉型的暖贴为例[J]化学教与学，2019（07）：18-21．