“铁的吸氧腐蚀专题复习”项目式学习设计——以“探秘蒸汽眼罩的发热原理”为例.pdf

化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）教学设计研究 教学研究 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、项目任务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“铁的吸氧腐蚀专题复习”项目式学习设计*以“探秘蒸汽眼罩的发热原理”为例余静王小兵*曹文萍李琪琪陈惠怡曾懋华（韶关学院化学与土木工程学院广东 韶关512005）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：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.12x.006*本文系韶关学院2020年校级课程思政建设项目“化学学科与知识能力 课程思政教育的探索与实践”的阶段性研究成果。*通讯联系人，E-mail： 25化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）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 20g 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。图2利用氧气及二氧化碳传感器探究O2和CO2浓度变化学生汇报结果 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（Fe3+），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项目任务任务 1：探究“蒸汽眼罩”与空气成分的反应。任务2：自制蒸汽眼罩确定蒸汽眼罩的发热成分。任务 3：探究“蒸汽眼罩”电化学发热工作原理。学生活动（1）阅读产品说明书与注意事项，预判发热原理。（2）运用氧气及二氧化碳传感器动态检测实验中氧气及二氧化碳含量的变化。（1）配置简易蒸汽眼罩的成分，感受化学的趣味性。（2）运用温度传感器为实验探究的基本方法探索发热反应的本质。（1）运用电流传感器动态检测实验中微电流的变化，分析图像。（2）思考构成电池的条件。（3）书写相应的化学方程式。教师支持（1）提供“蒸汽眼罩”实物。（2）提出驱动性问题，引导学生完成项目拆解。（3）准备氧气及二氧化碳传感器及其附件、仪器、药品。（1）提供“蒸汽眼罩”中的各个成分的实验材料及温度传感器。（2）组织小组交流汇报。（1）准备电流传感器及其附件、仪器、药品，演示传感器实验，展示实验结果。（2）Zn-H2SO4-Cu 原电池的flash动画。设计意图用新闻事件和实物展示来引起学生的注意，激发学生的好奇心。运用手持技术实验探究“蒸汽眼罩”与空气成分的反应，从曲线表征验证了参与反应的成分，提高了学生的兴趣。运用实验探究的基本方法探索蒸汽眼罩的发热成分，培养了学生科学探究与创新意识的核心素养，有助于学生进一步感受化学的魅力。让学生回忆构成原电池的条件，尽可能创造学生动手的机会，培养学生的思考、动手操作能力，培养学生的科学探究与创新意识。表1项目任务及项目流程打开包装后眼罩会开始发热品名蒸汽热敷眼罩蒸汽热敷眼罩香味无香型，洋甘菊规格1片片/包包*10片片/袋袋8cm*18.5cm成分活性炭活性炭、树脂树脂、铁粉铁粉、食用盐水食用盐水、无纺布无纺布、蛭石等蛭石等注意事项产品参数图1蒸汽眼罩产品参数教学设计研究 教学设计研究 26化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）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 pro 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。组数实验材料A组铁粉、水B组活性炭、水C组铁粉、活性炭、水D组铁粉、氯化钠、水E组铁粉、活性炭、氯化钠、水表2自制简易蒸汽眼罩的成分配置图116011501140113011201110110010901080二氧化碳含量（ppm）050100 150 200 250 300050100 150 200 250 30020.220.019.819.6氧气含量（%）时间（s）时间（s）图3蒸汽眼罩放热过程中氧气及二氧化碳变化情况图47 min后蒸汽眼罩内物质状态图5利用温度传感器确定自制简易“蒸汽眼罩”的发热成分温度（）18.618.418.218.017.8时间（s）-50050 100 150 200 250 300 350B图6五组简易“蒸汽眼罩”放热过程中温度变化情况EDAC3.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，写出反应方程式。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K3Fe（CN）6溶液（铁氰化钾溶液遇Fe2+变蓝），向铅笔芯与滤纸接教学设计研究 教学设计研究 27化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）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。图8利用电流传感器探究“蒸汽眼罩”电化学发热工作原理学生汇报结果 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+O2+2H2O=2Fe（OH）2，继续氧化：4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3，见图11。I（uA）0.0060.0040.0020.000-0.002时间（s）-2 0246 8 10 12 14 16 18 20 22图9铁丝、碳棒、食盐水形成闭合回路的电流情况教师总结评价，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自发氧化还原反应Zn+2H+=Zn2+H2原理Zn-2e-=Zn2+2H+2e-=H2电子移动的方向Zn2+H2ZnH+还原反应得电子氧化反应失电子负极正极电极反应电极产物电极反应物过程AZnCu稀H2SO4图7Cu-Zn原电池及原理自发氧化还原反应2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2原理Fe-2e-=Fe2+O2+2H2O+4e-=4OH-电子移动的方向Fe2+OH-FeO2还原反应得电子氧化反应失电子负极正极电极反应电极产物电极反应物过程图11“蒸汽眼罩”发热原理的本质图10酚酞及铁氰化钾溶液检验OH-及Fe2+离子（下转第53页）教学设计研究 教学设计研究 28化学教与学2022年第12期（下半月刊）化学教与学（http：/或http：/）化学教与学（http：/或http：/）负极，则会产生负向电流，待该反应再次达到平衡，加入FeSO4后，溶液中的生成物c（Fe2+）增大，化学平衡再次向左移动，I-为正极，Fe3+为负极，继续产生负向电流，最终第三次达到化学平衡。四、实验结论与应用1.实验结论根据能斯特方程，可通过改变氧化型或还原型的浓度，改变电极电势大小，进而实现氧化还原反应中反应物与生成物的转化。2.实验应用在实验设备方面，采取数字化实验的科学方法，利用微型传感器精确研究浓度微小变化带来的影响，引入电流传感器，通过物理中电流电阻的动态表征对实验结论进行全局性判断，4赋予化学实验新思维，新感知。数字化实验的应用也更为广泛，数字化实验在中学化学教学的价值将逐渐被体现出来。5在中学教学方面，探究化学平衡载体下的氧化还原反应是利用能斯特方程作为衔接桥梁，以氧化型或还原型的浓度作为宏观变量，揭示了氧化还原反应在热力学判据中的实质，即电极电势的差值。该原理虽然在高中阶段并未涉及，但是却是支撑命题人实验设计和设问的理论依据。同时，氧化还原与化学平衡的联系是很广泛的，如在制备氯气中选择浓盐酸作为强氧化剂与二氧化锰进行反应，在日常生活中手机锂离子电池充放电原理的应用问题等，解答此类综合性问题需要学生综合运用氧化还原和化学平衡知识。将氧化还原反应的热力学判据即电极电势与影响化学平衡移动的外界因素即离子浓度进行结合，有利于实现化学学科中“微粒观”与“变化观”的协同建构与多项整合，进而完成对学生的多维度考查，还可以丰富学生对于氧化还原反应的认知，对发展学生的化学学科核心素养大有裨益。参考文献1 岳可芬，王小芳.外界条件对化学平衡的影响在物理化学中的内容 A.中国化学会化学热力学和热分析专业委员会.中国化学会第十五届全国化学热力学和热分析学术会议论文摘要 C.中国化学会化学热力学和热分析专业委员会：中国化学会，2010：2.2 杨晓琳，高修库，赵浏.运用能斯特方程定量分析影响物质氧化性与还原性的因素 J.高中数理化，2020（Z2）：123-126.3 郑长龙.化学学科理解与“素养为本”的化学课堂教学J.课程 教材 教法，2019，39（09）：120-125.4 周薇，王兆龙.特殊电化学现象的热力学分析 J.中学化学，2020（07）：39-40.5 裴传友，马善恒，杨芹.中学化学数字化实验的发展与应用 J.化学教学，2020（02）：56-60.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.（上接第28页）复习与考试研究 复习与考试研究 53