基于真实情境的微项目学习

梁小敏 张雄鹰

摘要：以“海上钻井平台的腐蚀与防护”作为真实情境，开展微项目学习。将问题转化为学习任务，让学生在问题解决中构建知识体系，解决真实情境中的问题，达成深度学习的目标。此模式适用于能创设真实情境的化学课堂，能充分發挥微项目学习的育人功能。

关键词：微项目;深度学习;核心素养

文章编号：1008-0546（2022）08-0027-06中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.006

一、问题的提出

英国教育家怀特海（Whitehead）认为：“教育只有一个主题，那就是五彩缤纷的生活。”在很多生活现象和经验中蕴含了丰富的化学知识。重视理论联系实际，学会在真实的情境中运用化学原理分析和解决问题，是高中阶段学生的关键能力之一。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出，真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会。因此，教师在教学中应重视创设真实且富有价值的问题情境，促进学生化学学科核心素养的形成和发展[1]。事实上，任何化学概念的建构都是有情境的，任何化学知识都具有社会价值，其价值的体现也是有情境的[2]。杜威曾指出：“从别人那里听来的知识也许能使人产生某种行动，但这种知识不能培养个人的主动性和使他忠于他人的信念。”情境教学的核心就是“知识只有在它们产生及应用的情境中才能产生意义。[3]”人教版新教材中就有很多丰富的情境，在教学实施过程中，充分利用教材及课外的情境素材，创设真实的问题情境，实施微项目学习，是促使学生深度学习、发展化学学科核心素养的一种有效途径。

微项目学习是“微课程教学法”中关于课堂创新的一部分，是将单位课时的核心知识情境化、转化成实际问题，激发学生探索发现、解决问题、形成作品的学习过程。其核心策略是真实情境下的问题解决、任务驱动，在活动中形成新的体验，深化已有认知，促进学生深度学习和高阶思维，培养学生在陌生情境中分析问题、解决问题的综合品质[4]。

二、微项目内容的主题分析

确立项目要基于课程标准、教学内容和学生经验，要多维度考虑该项目是否涵盖核心知识，是否承载学科思想方法和学生发展核心素养，是否贴近社会和生活，是否真实且有意义，学生是否感兴趣，是否具有可操作性。微项目选取的课题可以是生产生活中的实际问题，也可以是所学内容的拓展性课题[4]。

人教2019版选择性必修一第四章第三节“金属的腐蚀与防护”，分为金属的腐蚀与金属的防护两部分。教材首先介绍了金属腐蚀的两种类型——化学腐蚀与电化学腐蚀，然后结合图片和实验介绍电化学腐蚀的两种类型——析氢腐蚀与吸氧腐蚀。对于金属的防护，教材从金属、与金属接触的物质及两者反应的条件等方面出发，研究如何破坏金属腐蚀发生的条件，着重介绍了改变金属材料的组成、在金属表面覆盖保护层、电化学保护法等措施。其中重点结合实验介绍了电化学保护法——牺牲阳极法和外加电流法。教材中有关金属防护的措施情境较多，而微项目学习适合选取一个情境串连起整节课，因此笔者选取了一个教材以外的拓展性情境——海洋平台的腐蚀与防护。海洋平台所采用的防护措施基本上囊括了教材的几种方法，选取此情境对于学生学以致用、发展高阶思维有较大的帮助，可以很好地发展学生的化学学科核心素养。

三、微项目学习的教学目标

1.通过观察实验，分析铁钉在不同环境下腐蚀的本质，发展并诊断学生能根据实验现象归纳物质及其反应的类型以及能运用微粒结构图式描述物质及其变化的过程的水平，发展宏观辨识与微观探析的学科核心素养。

2.通过设计实验探究钢铁吸氧腐蚀的影响因素，发展学生能在与同学讨论的基础上提出探究的问题和假设、依据假设提出实验方案的水平，发展科学探究与创新意识的学科核心素养。

3.通过分析海洋平台不同区域的防护措施，发展学生能将化学事实和理论模型之间进行关联和合理匹配的水平，发展证据推理与模型认知的学科核心素养。

四、微项目任务及教学流程

1.微项目任务设计思路

以“海上钻井平台的腐蚀原理和防护措施”作为真实情境，将实际的生产生活问题转化为微项目任务，再拆解成化学问题，在问题解决的过程中建构金属的腐蚀原理及防护措施的模型，层层深入，开展深度学习，发展学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识的学科核心素养。教学设计思路如图1所示。

2.微项目学习实施过程

【教师提出微项目总任务】海上钻井平台是一座钢铁的城堡，肩负着海上油气钻井施工的重任。但钻井平台在海水中浸泡存在的最大问题是什么？这个问题是什么原因导致的？可否有相应的措施来解决这个问题？

【拆解问题】问题1：钢铁为什么会腐蚀？其本质是什么？不同的环境下腐蚀的原理是否相同？

【学生活动1】将纯铁片和铁钉（含少量杂质碳）置于以下环境中，铁钉是否会受到腐蚀？分小组观察并将实验现象记录在表1中，并思考腐蚀的本质有何异同？

【教师】展示实验装置，请各小组总结观察到的实验现象。

【学生1】纯铁片浸泡在稀盐酸中，铁片表面有气泡产生。

【学生2】铁钉浸泡在稀盐酸中，铁钉表面有气泡产生。

【教师】对比一下纯铁片与铁钉产生气泡的速率，哪个更快呢？

【学生】铁钉产生气泡的速率更快。

【教师】我们来看用饱和食盐水浸泡过的铁钉有何现象？

【学生3】铁钉表面有灰绿色和红棕色固体产生，导管内水柱上升。

【教师】大家结合所观察到的实验现象，思考并讨论以下问题：（1）三个装置中可能的反应物和产物是什么？从得失电子的角度分析，可能是谁得电子谁失电子？腐蚀的类型有何不同？请将你分析的结果填入表1中。

【学生4】纯铁片浸泡在稀盐酸中，铁与稀盐酸反应生产 FeCl2和 H2，铁元素失电子生成 Fe2+，溶液中的 H+得电子生成H2。

【学生5】铁钉浸泡在稀盐酸中，铁与稀盐酸反应生产 FeCl2和 H2，但因为铁钉中含有少量碳杂质，形成了铁—碳—稀盐酸原电池，反应速率加快。铁作负极失电子生成 Fe2+，碳为正极，H+在碳表面得电子生成H2。

【教师】在这两个装置中，铁在酸性环境下受到了腐蚀生成了Fe2+，同时还有H2生成。但两者的腐蚀类型是不一样的。纯铁片中没有形成原电池，是与表面接触到的稀盐酸直接反应而引起的腐蚀，我们称这为“化学腐蚀”。而含有杂质的铁钉浸泡在稀盐酸中形成了原电池反应，导致了铁钉被腐蚀，我们称这为“电化学腐蚀”。我们再来分析第三个装置——被饱和食盐水浸泡过的铁钉可能发生了什么反应？

【学生6】从铁钉表面生成的灰绿色和红棕色固体推测，产物是Fe（OH）2和Fe（OH）3，水柱上升说明装置内部气压减小，有气体参与反应，推测可能得电子的物质是O2。反应为O2+4e-+2H2O=4OH-。

【教师】装置内部压强减小，究竟是不是氧气参与反应呢？我们来看以下的证据。有学者做过以下实验[5]：把铁粉、碳粉与氯化钠溶液混合放在锥形瓶中，如图2密封好，利用氧气传感器测得装置内O2的浓度变化如图3所示。我们发现，随着反应的进行，O2的濃度逐渐降低，说明装置内部压强减小是因为O2参与了反应。

【教师】在这个过程中发生的反应有：

负极：Fe-2e-= Fe2+ 正极：O2+4e-+2H2O =4OH-

总反应：2Fe + O2+2H2O =2Fe（OH）2

在空气中，Fe（OH）2进一步被氧化为 Fe（OH）3， Fe（OH）3失去部分水生成Fe2O3·xH2O，继而生成铁锈。

【教师】我们将稀盐酸与食盐水中的铁钉的腐蚀情况进行对比，发现有何不同？

【学生】稀盐酸是酸性环境，产物是 H2;食盐水是中性环境，O2参与反应使铁被氧化生成铁的氢氧化物最终生成氧化物。

【教师】对的，而且这两种腐蚀的本质都是在铁钉的表面形成了原电池反应，都属于电化学腐蚀。因此电化学腐蚀可以根据环境的酸碱性分为两类：若环境的酸性较强，则产物有H2，这种类型称为析氢腐蚀;若环境的酸性较弱或呈中性，则原电池的正极反应为O2得电子的反应，称为吸氧腐蚀。实际上，金属腐蚀过程中电化学腐蚀和化学腐蚀往往同时发生，但绝大多数属于电化学腐蚀。电化学腐蚀比化学腐蚀的速率也大得多。请判断海上钻井平台的腐蚀属于哪一种。

【学生】吸氧腐蚀。因为海水是接近中性的。

设计意图：通过对纯铁片、铁钉分别浸泡于稀盐酸中以及被饱和食盐水浸泡过的铁钉三个实验装置的现象观察、反应物和产物分析、得失电子情况分析及可能的腐蚀类型分类，培养学生根据实验现象归纳物质及其反应的类型、运用化学符号描述物质及其变化过程的能力，发展宏观辨识与微观探析的学科核心素养。

【拆解问题】问题2：绝大多数海上钻井平台是基于25年的服役寿命设计的。钢铁受腐蚀的快慢程度在不同的环境下有所不同，腐蚀速率与什么因素有关？

【学生活动2】以吸氧腐蚀为例，设计实验探究钢铁吸氧腐蚀速率的影响因素。请将你的实验方案填入表2中。

已知：（1）生铁钉的主要成分为铁，含有少量的碳单质;钢钉又称水泥钉，含碳量比生铁钉少。（2） K3[ Fe（CN）6]溶液能与Fe2+反应产生蓝色沉淀，可用于检验Fe2+。

限选试剂：生铁钉、钢钉、铁粉、裹锌皮的铁钉、绕铜丝的铁钉、0.1 mol/L食盐水、饱和食盐水、冷水、热水、红墨水、酚酞试液、K3[Fe（CN）6]溶液。

限选仪器：具支试管、橡胶塞、橡胶软管、试管、含食盐水的琼脂培养皿。

【教师】请同学们展示你们设计的实验方案。

收集到学生设计的装置图如图4所示：

表3汇总了几个学生的实验方案设计。

【教师】通过汇总同学们的设计方案，我们可以发现，从限选试剂中能探究的因素有以下几方面——内因主要是铁钉本身的材质（含碳量），外因主要有铁钉与腐蚀介质的接触面积、温度、食盐水的浓度。从反应本身来分析，你认为还有什么因素会影响铁钉的腐蚀速率？

【学生】氧气的浓度。

【教师】对的，除此之外还有什么因素呢？我们在高一学习过，形成原电池可以加快反应速率。限选试剂中有裹锌皮的铁钉、绕铜丝的铁钉，老师在上课前把这两种铁钉分别置于溶有食盐水的琼脂培养皿中，然后滴入几滴酚酞试液和 K3[ Fe（CN）6]溶液，请大家观察并记录实验现象，根据现象推测两个培养皿中铁钉是否都受到了腐蚀？写出可能发生的电极方程式。

【教师】展示实验现象，如图5、图6所示。

【学生7】裹锌皮的铁钉中酚酞试液变红，无蓝色沉淀产生，说明铁钉不受腐蚀。

负极：Zn -2e-= Zn2+ 正极：O2+4e-+2H2 O =4OH-

【学生8】绕铜丝的铁钉中产生蓝色沉淀，同时出现少许红色，说明铁钉受到了腐蚀。

负极：Fe -2e-= Fe2+ 正极：O2+4e-+2H2O =4OH-

【教师】从以上实验我们可以得出什么结论？

【学生9】铁钉与其他金属组成原电池时，铁钉作负极时会受到腐蚀，作原电池的正极时不受腐蚀。

设计意图：通过探究钢铁吸氧腐蚀速率的影响因素的实验方案设计，培养学生对简单化学问题提出可能的假设并依据假设设计实验方案的能力，发展科学探究与创新意识的学科核心素养。

【拆解问题】问题3：根据与海水的接触程度，海上钻井平台可分为大气区、潮汐飞溅区、全浸区与海泥区（如图7所示）。不同的区域钢铁的腐蚀速率的主要决定因素是什么？你能提出相应的防护措施吗？

【学生】讨论分析并得出结论。大气区的决定腐蚀速率的主要因素：O2浓度、大气湿度，应对措施：使钢铁与氧气、水隔绝。方法：在钢铁表面涂上油漆。

【教师】正确，我们再来分析潮汐飞溅区，潮汐飞溅区与大气区相比，与海水接触的几率较大，但又暴露在空气中，这个区域的腐蚀主要受什么因素影响呢？

【学生】O2浓度、大气湿度、海水中盐的浓度

【教师】这个区域的防护措施除了需要涂层保护，还得需要另外的保护措施。我们回顾一下刚才的实验中，裹锌皮的铁钉不会受到腐蚀，你能从中得到什么启发吗？

【学生】让钻井平台连接锌块。

【教师】对，这种保护方法属于电化学保护法中的牺牲阳极法，利用了原电池的原理。要注意，一段时间后，锌块需要更换。

【教师】我们接下来看海水全浸区，这个区域相对大气区和潮汐飞溅区更加复杂，主要受海水中溶解氧、海盐浓度、温度等因素影响。因此，这个区域需要更强有力的保护手段——外加电流法。外加电流法利用的是电解池原理，被保护的金属称为电解池的阴极，一般采用惰性电极作阳极。装置图如图8所示：

【教师】在海泥区，决定腐蚀速率的主要因素有微生物、有机质、海水污染物的pH、硫化物等，应对措施有涂层保护、牺牲阳极法保护和涂层—电化学联合保护。此外，结合探究腐蚀速率影响因素的实验设计，你觉得还有什么方法可以降低海上钻井平台的腐蚀速率？

【学生】用不锈钢钢材。

【教师】对的，这种方法是从内因去改变金属的组成，在金属中添加其他金属或非金属制成性能优异的合金，使之成为更耐腐蚀的钢材，钻井平台的寿命就更长。

设计意图：通过对海上钻井平台的各个区域的主要腐蚀因素的分析及相应防护措施的介绍，培养学生对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应模型的能力，发展证据推理与模型认知、科学态度与社会责任的学科核心素养。

【总结回顾】这节课我们以海洋平台的腐蚀与防护作为真实情境，从探究钢铁腐蚀的反应机理、以吸氧腐蚀为例探究影响腐蚀速率的因素、海洋平台的防护措施三个方面来认识钢铁腐蚀的危害以及金属防护的重要性。我国是钢铁强国，钢铁作为工业基石应用于各行各业中，只有明确了钢铁腐蝕的反应机理及影响因素，我们才能做好相应的防护措施，从而延长使用寿命。

五、微项目教学效果与反思

微项目学习的核心策略是真实情境下的问题解决、任务驱动，培养学生在陌生情境下分析问题、解决问题的能力，促进深度学习。本微项目的设置通过三个学习任务来开展：任务1：探究钢铁腐蚀的反应机理;任务2：探究吸氧腐蚀的影响因素;任务3：应用模型解决海上钻井平台的防护问题。三个任务当中，难点在于学生具备分析影响化学反应速率因素的必备知识，但在“海洋平台吸氧腐蚀的影响因素”这一真实情境中难以联系，难以抓住要点。笔者从影响化学反应速率的内因和外因加以引导，从课堂反馈效果来看，学生能把必备知识迁移于真实情境，高阶思维得到了培养。从课堂容量来看，三个任务环环相扣，做到了“教、学、评”一体化。由于时间的限制，笔者在课堂上不再插入习题的环节，而是把习题作为课后评价的方式进行处理。

实验是化学科学赖以形成和发展的基础，是化学学科的重要特征之一，是学生化学学科核心素养发展的重要载体[2]。为了突出“海上钻井平台的腐蚀与防护”这一主题，笔者对课本的相关实验进行了精简和改进。如只选择了铁钉的吸氧腐蚀及裹锌皮的铁钉、绕铜丝的铁钉的腐蚀情况两个实验，增加了纯铁片与稀盐酸、铁钉与稀盐酸反应的对比实验，旨在让学生学会区分化学腐蚀与电化学腐蚀。对吸氧腐蚀的实验作了改进，为了让学生更清晰地观察到实验现象，把右边试管中的水换成了红墨水。吸氧腐蚀如果有氧气传感器等实验仪器，利用数字化技术现场做实验效果会更好，但由于实验条件有限，笔者选取了文献中的数据作为支持。

总的来说，在学生具备相应的化学原理知识后，开展微项目学习能让学生把所学知识应用于真实的情境中解决问题。微项目学习是一种能很好地培养学生高阶思维能力、发展化学学科核心素养的学习模式。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部，普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：73.

[2]房喻，徐端钧.普通高中化学课程标准（2017版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018.

[3]王换荣，何银华，肖中荣.从真实情境到驱动性问题链的素养为本的教学——以“溶液的酸碱性”单元复习课教学为例[J].化学教与学，2020（3）：2-6.

[4]陈美钗.微项目学习在化学复习课中的实践与思考[J].福建教育学院学报，2020（6）：46-49

[5]牛彩霞，邹映波.走向核心素养的化学深度学习——以“保护海洋平台——金属电化学腐蚀与防护”为例[J].化学教学，2020（8）：39-43.

[6]缪灿亮，王海勇，王思.海洋平台的腐蚀现状和防护措施[J].全面腐蚀控制，2013，27（1）：22-24.

[7]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.